本發(fā)明涉及旨在用于液體的過(guò)濾的由無(wú)機(jī)材料制成的過(guò)濾結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，尤其是覆有薄膜以便從液體分離顆粒或分子的結(jié)構(gòu)，更特別地是從水分離，尤其是從源自石油或頁(yè)巖氣的提取的工藝用水分離。

背景技術(shù)：

使用用來(lái)過(guò)濾各種流體尤其是被污染的水的陶瓷或非陶瓷薄膜的過(guò)濾器是眾所周知的。這些過(guò)濾器可根據(jù)中置(死端)過(guò)濾的原理操作，此技術(shù)包括垂直于過(guò)濾介質(zhì)的表面使要處理的流體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)。此技術(shù)受顆粒的堆積以及在過(guò)濾介質(zhì)的表面上餅塊的形成的限制，并且引起性能的快速下降并且還引起過(guò)濾水平的下降。

根據(jù)本發(fā)明涉及的另一種技術(shù)，利用切向(橫流式)過(guò)濾，由于流體在薄膜的表面處的縱向循環(huán)，其相反地使得可以限制顆粒的堆積。顆粒保持在循環(huán)流中，同時(shí)液體可以在壓力的作用下穿過(guò)薄膜。此技術(shù)確保了性能以及過(guò)濾水平的穩(wěn)定性。

切向過(guò)濾的強(qiáng)項(xiàng)因而是其易用性、由于使用適于實(shí)施所述過(guò)濾的多孔有機(jī)和/或無(wú)機(jī)薄膜而導(dǎo)致的其可靠性，以及其連續(xù)操作。

切向過(guò)濾需要很少的輔助劑或者不需要輔助劑，并且提供兩種分離的流體，它們兩者都可以被重復(fù)使用：濃縮液(也稱作滲余物)和過(guò)濾液(也稱作滲透物)：其是清潔的、環(huán)境友好的工藝。

切向過(guò)濾技術(shù)尤其用于微細(xì)過(guò)濾、超濾和納米過(guò)濾。

根據(jù)切向過(guò)濾的原理操作的許多過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)因而由現(xiàn)有技術(shù)是已知的。它們包括或由用多孔無(wú)機(jī)材料制成的管狀支撐件構(gòu)成，管狀支撐件由限定平行于所述支撐件的軸線的縱向通道的壁形成。濾液穿過(guò)壁然后在多孔支撐件的周邊外表面處排出。

所述通道的表面通常也用薄膜覆蓋，薄膜優(yōu)選地由多孔無(wú)機(jī)材料制成，在本說(shuō)明書中稱作薄膜或薄膜分離層，其特性和形態(tài)適于在被過(guò)濾的流體漏入多孔支撐件的孔隙時(shí)，阻滯具有接近或大于所述薄膜的小孔的直徑中值的尺寸的分子或顆粒。薄膜常規(guī)地通過(guò)用來(lái)涂覆多孔無(wú)機(jī)材料的漿狀物的工藝沉積在通道的內(nèi)表面上，繼之以鞏固熱處理，尤其是干燥以及可選地陶瓷薄膜的燒結(jié)。

在這樣的結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵的參數(shù)之一在于對(duì)通道進(jìn)行定位和定尺寸以便盡可能多地限制跨越過(guò)濾器的壓降，并且非常特別地是穿越薄膜的壓力，這就是說(shuō)存在于在供給側(cè)上的初始流體的壓力和在出口處在薄膜的過(guò)濾側(cè)上的流體的壓力之間的差異。因而可能降低再循環(huán)泵的能耗，同時(shí)促進(jìn)大量濾液的產(chǎn)生，該過(guò)濾系統(tǒng)優(yōu)選地以湍流狀態(tài)操作，以便避免通道過(guò)快地堵塞。在本領(lǐng)域已經(jīng)提出了各種幾何形狀來(lái)限制此類結(jié)構(gòu)中的所述壓降并且尤其是穿越薄膜的壓力。尤其是，已經(jīng)提出了多通道結(jié)構(gòu)，其在垂直于該支撐件的剖面中具有非圓形的橫截面。而且所有這些變型的目的都在于增加過(guò)濾器相對(duì)于所使用的多孔支撐件的總體積的總過(guò)濾表面面積。

作為示例，出版物US5,454,947提出了多種結(jié)構(gòu)，其通道具有非圓形的橫截面，且較大的通道在周邊而較厚的徑向壁在過(guò)濾器的周邊的方向上，其目的在于增加內(nèi)部通道的貢獻(xiàn)并且因而促進(jìn)滲余物到過(guò)濾器外部的轉(zhuǎn)移。

申請(qǐng)EP 0 686 424揭示了尤其具有有恒定厚度的徑向壁的結(jié)構(gòu)，以便獲得薄膜的均勻分布。

申請(qǐng)EP 0 778 073公開了具有帶可變厚度的外壁的結(jié)構(gòu)，可變厚度在對(duì)于徑向壁的圓角的方向上增加，以便增強(qiáng)過(guò)濾器的機(jī)械強(qiáng)度。

出版物EP 0 778 074提出了一種多通道結(jié)構(gòu)，其包括若干通道形態(tài)，其水力直徑的比值在0.75到1.3之間，并且其表面面積的比值在0.75到1.3之間，以便避免不均勻的清淤。

申請(qǐng)EP 0 780 148推薦了具有通道的結(jié)構(gòu)，通道具有形狀的漸變，但是其具有相同的水力直徑。

WO00/29098和WO01/62370提出了具有特定通道布置的構(gòu)造，該通道布置具有呈三分之一圓圈和/或不同四邊形形狀的基部，以便增加暴露于沿通道的流體的表面面積與流面積(即，在垂直于過(guò)濾器的軸線的橫向剖面中的通道表面面積)之間的比值。

專利US 7 699 903 B2描述了薄膜分離層，并且還描述了其在切向過(guò)濾結(jié)構(gòu)中的沉積條件。關(guān)于與在本發(fā)明的意義內(nèi)獲得并沉積薄膜分離層相關(guān)的更多細(xì)節(jié)，尤其可參考此出版物。

所有上述變型都旨在獲得具有用于申請(qǐng)的最優(yōu)性能的過(guò)濾器，且尤其是：

- 低壓降以及不間斷地呈湍流狀態(tài)的內(nèi)部流，以便限制由于流體的壓力以及由于在流體在其中循環(huán)的通道的壁處產(chǎn)生的剪應(yīng)力造成的過(guò)濾器的堵塞以及通道的阻塞，

- 使得流出流(滲液)的速率曲線能夠在過(guò)濾器的剖面中從一個(gè)通道到另一個(gè)通道盡可能高并且盡可能均勻的通道的幾何形狀，

- 高機(jī)械強(qiáng)度以及尤其是高抗摩擦性，

- 可能最持久的過(guò)濾性能。

特別是，對(duì)于具有甚至更高過(guò)濾效率，尤其是在盡可能最長(zhǎng)過(guò)濾時(shí)間期間足夠的過(guò)濾流率而不阻塞過(guò)濾器的過(guò)濾結(jié)構(gòu)依然存在需求。由申請(qǐng)人公司實(shí)施的研究已經(jīng)尤其揭示了這樣的過(guò)濾效率、通道的構(gòu)造尤其是最周邊通道的構(gòu)造、以及沉積在通道的內(nèi)表面上的薄膜分離層的分布之間的引人注意的相互關(guān)系。

特別是，申請(qǐng)人公司的研究已經(jīng)證明了以下所述的結(jié)構(gòu)的過(guò)濾能力(由在過(guò)濾器內(nèi)指定的穿越薄膜的壓力下獲得的濾液的流率測(cè)量)與通道尤其是最周邊的通道的構(gòu)造(尺寸和形狀)相對(duì)于所述通道內(nèi)所述薄膜分離層的厚度的均勻性程度之間的密切關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明因而以其最通常的形式設(shè)計(jì)用于諸如液體的流體的過(guò)濾的切向過(guò)濾器，包括支撐元件或由支撐元件構(gòu)成，支撐元件由多孔的優(yōu)選非氧化物的無(wú)機(jī)材料形成。所述元件具有由外表面限定的管狀形狀，并且在其內(nèi)部部分包括一套通道，通道具有彼此平行并且被所述多孔無(wú)機(jī)材料的壁彼此分離的軸線。根據(jù)本發(fā)明的過(guò)濾器包括中心部分，其僅包括通過(guò)公共多孔壁的元件連接到彼此之上的內(nèi)部通道C_i，以及周邊通道C_p，即，與支撐元件的外表面具有公共壁的通道。根據(jù)本發(fā)明，所述內(nèi)部和周邊通道在它們的內(nèi)表面上覆蓋有薄膜分離層，薄膜分離層旨在與在其中循環(huán)的要過(guò)濾的所述流體形成接觸，并且內(nèi)部通道具有大致相等的水力直徑。沿著垂直于所述管狀支撐件的中心軸線的橫向平面P，根據(jù)本發(fā)明的切向過(guò)濾器對(duì)應(yīng)于以下標(biāo)準(zhǔn)：

a) 支撐件包括具有不同水力直徑的至少兩個(gè)相鄰的周邊通道A和B，所述兩個(gè)周邊通道A和B的每一個(gè)都與所述外表面共享公共的壁，

b) 比值D_h：

- 第一通道A的水力直徑D_hA對(duì)

- 第二通道B的水力直徑D_hB，其大于或等于1.1，

c) 周邊通道B的數(shù)量大于或等于周邊通道A的數(shù)量。

沿著垂直于所述管狀支撐件的中心軸線的橫向平面P，該切向過(guò)濾器非常特別地可具有以下特征：

a) 所述支撐件在其中心部分上僅包括內(nèi)部通道C_i，內(nèi)部通道不與支撐件的外表面共享公共的壁，所述內(nèi)部通道具有大致相等的水力直徑，

b) 所述支撐件另外包括限定所述支撐件的通道的外部環(huán)的周邊通道C_p，周邊通道包括至少兩個(gè)相鄰的周邊通道A和B，所述兩個(gè)通道A和B的每一個(gè)都與所述外表面(2)共享公共的壁(6,7)，

c) 比值D_h：

- 第一通道A的水力直徑D_hA對(duì)

- 第二通道B的水力直徑D_hB，

大于或等于1.1，

d) 周邊通道B的數(shù)量大于或等于周邊通道A的數(shù)量，

e) 通道B具有大致與內(nèi)部通道(C_i)的水力直徑相同的水力直徑D_hB。

根據(jù)本發(fā)明的切向過(guò)濾器也可具有以下優(yōu)選的特征，在下文描述的這些特征的每一個(gè)，當(dāng)然并且在適當(dāng)?shù)牡胤?，都可能或者與另一個(gè)或者與若干其他特征相組合：

- 通道B具有大致與內(nèi)部通道(C_i)的水力直徑相同的水力直徑D_hB。

- 通道B是具有最小水力直徑D_hB的周邊通道。

- 第一周邊通道A具有非圓形的形狀。其具有至少一個(gè)凹陷的或凸出的壁，或者甚至至少一個(gè)凹陷的或者凸出的壁。這些壁的形狀使得可以增加過(guò)濾表面面積。優(yōu)選地，第一通道具有張開的形狀，例如呈液滴或瓶子的形狀，使得其表面主要在過(guò)濾支撐件的中心軸線的方向上延伸，以便與非圓形通道的最近的環(huán)重疊。特別是，沿著橫向平面P，通道A的表面具有張開或者橢圓的形狀主要沿著從支撐元件的周邊到其中心走軸線的軸線延伸。有利地是，通道A和外表面之間的公共壁的表面是彎曲的。又更有利地是，所述外表面是彎曲的，以便獲得具有大致恒定的厚度的外壁。

- 沿著橫向平面P，內(nèi)部通道(C_i)以及優(yōu)選地通道B具有大致橢圓形的橫截面，橢圓的大軸線對(duì)小軸線的比值在2和1之間，優(yōu)選地在1.5和1之間且非常優(yōu)選地在1.2和1之間。

- 第二周邊通道B具有大致圓形的橫截面。其直徑有利地在1和7mm之間，優(yōu)選地在2和5mm之間。

- 具有較小水力直徑的通道B沿著所述橫向平面P具有大體上與所述內(nèi)部通道的形狀等同的形狀。

- 內(nèi)部通道(C_i)沿著橫向平面P具有大致圓形的橫截面。

- 通道A和外表面之間的公共的壁的表面是彎曲的。

- 第一通道A的水力直徑D_hA對(duì)第二通道B的水力直徑D_hB的比值小于2,優(yōu)選地小于1.5且更優(yōu)選地小于1.4。

- 周邊通道的外壁的中間厚度優(yōu)選地在0.2和1.5mm之間，優(yōu)選地在0.5和1.2mm之間。這樣的厚度使得尤其可以組合良好的機(jī)械強(qiáng)度和高滲透流率。

- 兩個(gè)相鄰周邊通道A和B的表面積S_A和S_B的比值R_s(R_s = R_SA/R_SB)優(yōu)選地在1.1和3.5之間，更優(yōu)選地在1.2和2.5之間且又更優(yōu)選地在1.4和2.3之間。

- 內(nèi)部通道的水力直徑小于7mm，且優(yōu)選地在1和5mm之間，更優(yōu)選地在1.5和4.5之間，或者甚至在2和4mm之間。

- 支撐元件的中心部分僅包括在它們之間共享多孔壁元件的通道C_i。

- 沿著過(guò)濾器的橫向剖面，中心部分僅包括沿著所述剖面占支撐件的表面面積的至少20%的內(nèi)部通道，且更優(yōu)選地至少30%，或者甚至至少50%或者甚至沿著所述剖面多于所述表面面積的60%。

- 沿著過(guò)濾器的橫向剖面，由內(nèi)部通道所占的綜合表面面積沿著所述剖面占支撐件的總表面面積的至少10%，且更優(yōu)選地至少20%，或者甚至30%或者甚至沿著所述剖面多于所述總表面面積的50%。

- 內(nèi)部通道C_i的數(shù)量大于通道B的數(shù)量。

- 支撐元件在其周邊環(huán)中僅包括通道A和通道B。

- 支撐元件在其周邊環(huán)中對(duì)于通道A僅包括單個(gè)構(gòu)造(單個(gè)類型)且對(duì)于通道B僅包括單個(gè)構(gòu)造(單個(gè)類型)。

- 支撐元件具有多邊形基部或者圓形基部。

- 至少一個(gè)內(nèi)部通道C_i不與周邊通道A分享公共的壁。

- 支撐元件沿著橫向剖面具有20到80mm之間的等價(jià)直徑。等價(jià)直徑理解為意味著沿著所述橫向剖面具有與所討論的支撐元件的橫截面相同面積的圓將會(huì)有的直徑。

- 構(gòu)成多孔支撐件的材料的孔隙率在20%和60%之間。

- 構(gòu)成多孔支撐件的材料的中間小孔直徑在5和50微米之間，優(yōu)選地大于5微米并且小于50微米，更優(yōu)選地在10到40微米之間。

- 多孔支撐件包括且優(yōu)選地由陶瓷材料構(gòu)成，優(yōu)選地是非氧化物陶瓷材料，優(yōu)選地選自碳化硅SiC，尤其是液相或固相燒結(jié)SiC，再結(jié)晶SiC，氮化硅，尤其是Si₃N₄，硅氮氧化物，尤其是Si₂ON₂，硅鋁氮氧化物，或者它們的組合。優(yōu)選地，支撐件由碳化硅，又更優(yōu)選地由再結(jié)晶SiC構(gòu)成。

- 過(guò)濾支撐件的通道的內(nèi)部表面區(qū)域由薄膜分離層覆蓋，薄膜分離層大體上由陶瓷材料構(gòu)成，優(yōu)選地基于非氧化物陶瓷，優(yōu)選地選自如下列表：碳化硅SiC，尤其是液相或固相燒結(jié)SiC或再結(jié)晶SiC，氮化硅，尤其是Si₃N₄，硅氮氧化物，尤其是Si₂ON₂，硅鋁氮氧化物，氮化硼B(yǎng)N，或者它們的組合。

- 通過(guò)影像分析測(cè)量的薄膜分離層的孔隙率為比支撐件的孔隙率小至少5%，優(yōu)選地至少10%。優(yōu)選地薄膜分離層的孔隙率小于70%且非常優(yōu)選地在10%和70%之間。

- 形成薄膜分離層的層的通過(guò)影像分析測(cè)量的等價(jià)中間小孔直徑在1納米和5微米之間。

- 開口前端面積(OFA)優(yōu)選地大于30%，更優(yōu)選地在30%和60%之間。

- 過(guò)濾表面面積大于0.35、優(yōu)選地大于0.4m2/m過(guò)濾器長(zhǎng)度。

在本發(fā)明的含義內(nèi)，指定以下定義：

內(nèi)部通道(C_i)出于本發(fā)明的目的理解為意味著不與支撐元件的外表面共享公共的壁的通道。如上文所指，該套內(nèi)部通道限定支撐件或過(guò)濾器的內(nèi)部部分，排除了包括通道A和B的周邊環(huán)。

以一種互補(bǔ)的方式，周邊通道(C_p)與支撐元件的外表面具有至少一個(gè)公共的壁，并且因此被稱作周邊。根據(jù)本發(fā)明，周邊通道A和B限定支撐件或過(guò)濾器的周邊(或外部)環(huán)。

通道的大致等同水力直徑出于本發(fā)明的目的理解成意味著所述通道之間的水力直徑的比值至多在0.95和1.05之間變化。

通道的內(nèi)表面面積(S_A或S_B)理解成意味著沿著橫向平面所述通道的流區(qū)域的面積(以mm²為單位)。

在管狀結(jié)構(gòu)的任何橫向剖面P中，通道的水力直徑D_h由所述通道的橫截面的表面面積S及其沿著所述剖面的周長(zhǎng)P計(jì)算，并且通過(guò)應(yīng)用以下常規(guī)公式：

D_h = 4 × S / P

表述“薄膜分離層的更均衡的分布”理解成意味著如下事實(shí)，即在管狀結(jié)構(gòu)的橫向平面P中，分別在第一類型的通道A和第二類型的通道B上測(cè)量的所述層的中間厚度的比值更接近于1。

通道環(huán)理解成意味著定位在大致與過(guò)濾支撐件的中心軸線相等距離處的一組通道。

按照此定義，在本發(fā)明的意義內(nèi)，周邊環(huán)是最外的通道環(huán)，其包括通道A和B。

相同構(gòu)造或相同類型的通道由在橫向剖面P中具有大致相同形狀和相同表面面積的通道限定，例如在正負(fù)百分之五之內(nèi)。它們可位于不同的通道環(huán)上或者在相同的通道環(huán)上。

OFA(開口前端面積)通過(guò)作為百分比計(jì)算由通道的橫向橫截面之和覆蓋的面積與多孔支撐件的對(duì)應(yīng)橫向剖面的總面積的比值而獲得。

本說(shuō)明書中描述的多孔支撐件的孔隙率以及中間直徑以已知的方式通過(guò)水銀孔率法確定。

通過(guò)水銀侵入在2000bar下使用Micromeritics AutoPore IV 9500系列水銀孔隙率計(jì)在取自產(chǎn)品塊的1cm³樣品上測(cè)量孔隙容積，該取樣區(qū)域排除了典型地從塊的表面延伸直至500微米的外皮。適用的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 15901-1.2005第1部分。直至高壓的壓力增加導(dǎo)致“推動(dòng)”水銀進(jìn)入具有愈加更小尺寸的小孔。水銀的侵入常規(guī)地以兩步實(shí)施。在第一步，水銀侵入在最多44 psia(大約3 bar)的低壓下實(shí)施，使用空氣壓力來(lái)將水銀引入最大的小孔(> 4 μm)。在第二步驟中，高壓侵入在直至最大壓力30 000 psia(大約2000 bar)下用油實(shí)施。

通過(guò)應(yīng)用ISO 15901-1.2005第1部分標(biāo)準(zhǔn)中提及的Washburn方程，水銀孔隙率計(jì)因而使得可以按容積形成小孔的尺寸分布。多孔壁的中間小孔直徑對(duì)應(yīng)于按容積算數(shù)量的50%的閾值。

對(duì)應(yīng)于薄膜中的小孔的總體積的薄膜的孔隙率以及薄膜的中間小孔直徑有利地根據(jù)本發(fā)明借助掃描電子顯微鏡確定。例如，在橫向橫截面中產(chǎn)生支撐件的壁的拋光橫截面，以便使得涂層的整個(gè)厚度在至少1.5cm的綜合長(zhǎng)度上可視化。從至少50個(gè)晶粒的樣品獲取影像。每個(gè)小孔的面積和等價(jià)直徑由影像通過(guò)常規(guī)影像分析技術(shù)獲取，可選地在影像的二值化之后，二值化旨在增加影像的對(duì)比度。因而推斷出了等價(jià)直徑的分布，由此提取出中間直徑。

類似地，可以通過(guò)此方法確定構(gòu)成薄膜層的顆粒的中間尺寸。

構(gòu)成薄膜層的顆粒的中間尺寸通常在20納米和10微米之間，優(yōu)選地在100納米和2微米之間。

在本說(shuō)明書的意義內(nèi)，且除非另外提出，否則顆?；蛐】椎闹虚g直徑分別代表這樣的顆?；蛐】椎闹睆?，在該直徑之下發(fā)現(xiàn)了按數(shù)量算50%的顆粒或小孔。如以上已經(jīng)指出的那樣，薄膜內(nèi)小孔的中間直徑通過(guò)影像分析獲得并從小孔按數(shù)字的分布而計(jì)算。支撐件的中間小孔直徑在按體積分布的基礎(chǔ)上確定，如通過(guò)常規(guī)水銀孔隙度測(cè)量技術(shù)所測(cè)量的那樣。

在本發(fā)明的意義內(nèi)，結(jié)構(gòu)的全部通道，尤其是A型通道和B型通道，與橫向剖面P無(wú)關(guān)，當(dāng)然具有在過(guò)濾器的整個(gè)長(zhǎng)度上大致恒定且相同的橫截面和分布。

液相燒結(jié)理解為意味著這樣的燒結(jié)，其中至少一種燒結(jié)添加物，若干添加物或者另外由這些添加物的一些的組合形成的相，或者甚至要燒結(jié)的產(chǎn)物的一些雜質(zhì)，能夠在燒結(jié)熱處理期間形成液相，數(shù)量為使得其足以使得能夠重新組織晶粒并且因而使它們彼此形成接觸。固相燒結(jié)是這樣的燒結(jié)，其中沒(méi)有一種燒結(jié)添加物，或者另外沒(méi)有由這些添加物的一些的組合形成的相，或者甚至沒(méi)有要燒結(jié)的產(chǎn)物的雜質(zhì)，能夠形成液相，使得其足以使得能夠重新組織晶粒，并且因而使它們彼此形成接觸。

燒結(jié)添加物理解為意味著一種復(fù)合物，其被常規(guī)已知用于使能和/或加速燒結(jié)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。

以下給出了一個(gè)用于根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)切向過(guò)濾器的示例，其當(dāng)然不限制用于獲得此類過(guò)濾器的工藝：

根據(jù)第一步，通過(guò)將膏狀物擠壓通過(guò)模具，該模具根據(jù)依照本發(fā)明要生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的幾何形狀而構(gòu)造。擠壓之后是干燥和燒制以便燒結(jié)構(gòu)成支撐件的無(wú)機(jī)材料并獲得對(duì)于本申請(qǐng)所需的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度特性。

例如，當(dāng)涉及SiC支撐件時(shí)，其尤其可根據(jù)以下制造步驟獲得：

- 混合包括碳化硅顆粒的混合物，碳化硅顆粒具有大于98%的純度，以及使得按顆粒的質(zhì)量算75%的顆粒具有大于30微米的直徑的顆粒尺寸，按質(zhì)量算此顆粒直徑部分的中間直徑(通過(guò)激光顆粒尺寸分析測(cè)量)小于300微米?；旌衔镆舶ㄓ衫w維素衍生類型的有機(jī)粘合劑。添加水并繼續(xù)混合，直至獲得均勻的膏狀物，其可塑性允許擠出，模具構(gòu)造成用于獲得根據(jù)本發(fā)明的整塊材料。

- 將粗制整塊材料微波干燥足夠時(shí)間以使得沒(méi)有被化學(xué)結(jié)合的水的含量按質(zhì)量算少于1%。

- 在過(guò)濾支撐件基于液相燒結(jié)SiC、硅氮化物、硅氮氧化物、硅鋁氮氧化物或者甚至BN的情況下點(diǎn)火到至少1300°C的溫度，并且在過(guò)濾支撐件基于再結(jié)晶或固相燒結(jié)SiC的情況下到至少1900°C并低于2400°C的溫度。在氮化物或氮氧化物過(guò)濾支撐件的情況下，點(diǎn)火氣氛優(yōu)選地為含氮?dú)夥?。在再結(jié)晶SiC過(guò)濾支撐件的情況下，點(diǎn)火氣氛優(yōu)選地是惰性的并且更特別地是氬氣。該溫度典型地維持至少1小時(shí)并且優(yōu)選地至少3小時(shí)。獲得的材料具有按體積20%到60%的開孔孔隙度以及大約5到50微米的中間小孔直徑。

該過(guò)濾支撐件然后根據(jù)本發(fā)明用薄膜(或薄膜分離層)覆蓋?？稍谛纬蛇^(guò)濾薄膜之前根據(jù)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種技術(shù)沉積稱作底漆層的一個(gè)或更多層：用于沉積的技術(shù)使用懸浮液或漿狀物、化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)或熱噴涂例如等離子噴涂技術(shù)。

優(yōu)選地，底漆層和薄膜通過(guò)使用漿狀物或懸浮液涂覆而沉積。第一層優(yōu)選地與襯底(底漆層)接觸而沉積，充當(dāng)粘附層。底漆的成分包括按質(zhì)量算50%的SiC晶粒(中間直徑在2到20微米之間)以及50%的去離子水。具有更細(xì)孔隙率的第二層沉積在底漆層上，并且構(gòu)成實(shí)際的薄膜。此后一層的孔隙率適于賦予過(guò)濾元件其最終特性。薄膜的成分優(yōu)選地包括按質(zhì)量算50%的SiC晶粒(特別是具有在0.1和2微米之間的中間直徑)以及50%的去離子水。

為了控制這些漿狀物的液流學(xué)并且符合合適的速率(典型地根據(jù)DINC33-53019標(biāo)準(zhǔn)在22°C下測(cè)量在1 s^-1的剪切梯度下在0.01和1.5，優(yōu)選地0.1和0.8 Pa.s之間)，可能添加增稠劑(比例典型地在水的質(zhì)量的0.02%到2%之間)、粘結(jié)劑(典型地在SiC粉末的質(zhì)量的0.5%和20%之間)，以及分散劑(在SiC粉末的質(zhì)量的0.01%和1%之間)。增稠劑優(yōu)選地是纖維素衍生物，粘結(jié)劑優(yōu)選地是PVAs或丙烯酸衍生物而分散劑優(yōu)選地為聚甲基丙烯酸銨類型。

按漿狀物的重量表示的有機(jī)添加物，尤其是作為反凝劑的Dolapix A88，例如比例為0.01%到0.5%，作為增稠劑的例如MH4000P型的Tylose比例為0.01到1%，按干燥提取物的質(zhì)量表示的作為粘結(jié)劑的PVA為0.1%到2%，作為增塑劑的單乙醇胺以及作為表面張力降低劑的95 vol%的乙醇，是更特別適合的。

這些涂覆操作典型地使得可以獲得具有在干燥后大約30到40微米厚度的底漆層。在第二涂覆步驟期間，在干燥后獲得具有大約30-40微米厚度的薄膜層。

如此涂覆的支撐件之后在環(huán)境溫度下典型地干燥至少30分鐘且然后在60°C下干燥至少24小時(shí)。如此干燥的支撐件然后在典型地在1700°C和2200°C之間的點(diǎn)火溫度下，在非氧化氣氛中優(yōu)選地在氬氣中燒結(jié)，以便獲得按體積算10%和40%之間的薄膜孔隙率(通過(guò)如上所述的影像分析測(cè)量)和優(yōu)選50納米以及10微米之間或者甚至10納米和5微米之間的等價(jià)中間小孔直徑(通過(guò)影像分析測(cè)量)。

根據(jù)本發(fā)明的過(guò)濾薄膜優(yōu)選地具有以下特征：

- 它們大體上由陶瓷材料構(gòu)成，優(yōu)選地基于非氧化物陶瓷，優(yōu)選地選自碳化硅SiC，尤其是液相或固相燒結(jié)SiC或再結(jié)晶SiC，硅氮化物尤其是Si₃N₄，硅氮氧化物尤其是Si₂ON₂，硅鋁氮氧化物，氮化硼B(yǎng)N，或者它們的組合。優(yōu)選地，該薄膜基于典型地是再結(jié)晶的碳化硅。

- 它們沉積在一個(gè)或更多底漆層上，底漆層具有在壁的(較大)孔隙度和薄膜的孔隙度之間的孔隙度，尤其是具有小孔直徑，以便促進(jìn)其沉積以及其均勻性。優(yōu)選地，構(gòu)成中間層的顆粒的中間尺寸與構(gòu)成薄膜層的顆粒的中間尺寸的比值在5和50之間。優(yōu)選地，構(gòu)成多孔壁的晶粒的中間尺寸與構(gòu)成薄膜中間層的顆粒的中間尺寸的比值在2和20之間。

- 通過(guò)影像分析測(cè)量的薄膜分離層的孔隙率比支撐件的孔隙率低至少5%，優(yōu)選地低至少10%。優(yōu)選地，薄膜分離層的孔隙率小于70%且非常優(yōu)選地在10%和70%之間。

通過(guò)影像分析，形成薄膜的層的等價(jià)中間小孔直徑在1納米和5微米之間。

附圖說(shuō)明

提供了與以下示例相關(guān)聯(lián)的附圖以便圖示本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然因而描述的實(shí)施例并不能認(rèn)為是本發(fā)明的限制。在附圖中，并且為了更清晰，在本發(fā)明的意義內(nèi)，組G被示出為由兩個(gè)相鄰的周邊通道A和B構(gòu)成。

在附圖中：

- 圖1圖示了沿著橫向剖面P根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的管狀過(guò)濾器的常規(guī)構(gòu)造。

- 圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一最有利的構(gòu)造。

- 圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的管狀過(guò)濾器的另一構(gòu)造。

- 圖4圖示了與由圖3示意性示出的實(shí)施例相比而不根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。

- 圖5圖示了在本發(fā)明意義之內(nèi)的過(guò)濾結(jié)構(gòu)的橫向剖面P及其中心軸線A。

- 圖6是根據(jù)本發(fā)明的過(guò)濾器的顯微影像，示出了薄膜分離層。

- 圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的管狀過(guò)濾器的另一構(gòu)造。

具體實(shí)施方式

圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的切向過(guò)濾器1，示出為用于過(guò)濾諸如液體的流體。圖1示出了圖5所示的橫向剖面P的示意性視圖。過(guò)濾器包括且最經(jīng)常地由支撐元件1構(gòu)成，支撐元件1由多孔的優(yōu)選地非氧化物無(wú)機(jī)材料制成。該元件通常具有由外表面2限定的管狀形狀。其在內(nèi)部部分3中包括一套相鄰的通道4，具有彼此平行并且由壁8彼此分開的軸線。壁由多孔無(wú)機(jī)材料制成，其使得濾液從內(nèi)部部分3穿過(guò)到外表面2。通道4在它們的內(nèi)表面上由薄膜分離層5覆蓋，如由圖6中所示的電子顯微圖像所示。此薄膜分離層5(或薄膜)與在所述通道中循環(huán)的要過(guò)濾的所述流體形成接觸。結(jié)構(gòu)1的通道4可分成不同的組：在本發(fā)明的意義內(nèi)，全部?jī)?nèi)部通道C_i通常具有大致相等的水力直徑并且具有圓形形狀(橫截面)且形成該結(jié)構(gòu)中心部分。過(guò)濾結(jié)構(gòu)圍繞所述中心部分還包括周邊通道C_p，周邊通道C_p占據(jù)過(guò)濾器的通道的最外面(或周邊)環(huán)，所述通道C_p與外表面2共享公共的壁。根據(jù)其中通道具有圓形形狀的常規(guī)構(gòu)造，周邊環(huán)的通道的小部分(由A表示)必須具有截頭的形狀，以便保持外壁的充分厚度。雖然外部周邊通道的大部分具有與通道C_i相同的圓形形狀(圖1中的通道B)，由申請(qǐng)人公司實(shí)施的研究已經(jīng)表明具有有限水力直徑的這些周邊通道A的存在，雖然數(shù)量較小，對(duì)于過(guò)濾器的過(guò)濾性能和效率具有負(fù)面且實(shí)質(zhì)性的影像，如以下將會(huì)描述的那樣。

圖2和3圖示了根據(jù)本發(fā)明的切向過(guò)濾器的根據(jù)本發(fā)明的不同的實(shí)施例，其中該結(jié)構(gòu)也包括與外表面3共享公共的壁(分別是圖2中的6和7)的一組兩個(gè)相鄰的周邊通道C_p A和B，這使得能夠解決這樣的問(wèn)題。在本發(fā)明的意義內(nèi)，根據(jù)圖2的過(guò)濾器另外包括具有大致相等的水力直徑和圓形形狀(在橫截面中)的內(nèi)部通道C_i，它們一起構(gòu)成了該結(jié)構(gòu)的中心部分。

和圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)不同，根據(jù)圖2通道A這次以這樣的方式構(gòu)造，即它們的水力直徑大于具有圓形橫截面的通道B的水力直徑，但通道B在所述周邊環(huán)上以更大的數(shù)量存在。

根據(jù)本發(fā)明的主題，根據(jù)圖3的過(guò)濾器示出了包括具有不同水力直徑D_h的三種類型的周邊通道的構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明，其D_h與內(nèi)部通道相同的圓形周邊通道B的數(shù)量大于具有較大D_h(通道A)的相鄰?fù)ǖ赖臄?shù)量。

相反，根據(jù)圖4中所述的不作為依據(jù)的比較性構(gòu)造，具有較小D_h的周邊通道B的數(shù)量小于具有較大尺寸的相鄰?fù)ǖ繟的數(shù)量。

圖4因而圖示了一個(gè)比較性實(shí)施例，其中具有較大水力直徑的通道A這次超過(guò)通道B的數(shù)量，與本發(fā)明的要求相反。

分別對(duì)應(yīng)于根據(jù)圖1到4的圖示的四個(gè)過(guò)濾支撐件根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)通過(guò)成型和燒制結(jié)構(gòu)制造，這些成型和燒制結(jié)構(gòu)由多孔的再結(jié)晶碳化硅構(gòu)成，其分別對(duì)應(yīng)于以下的示例1到4。

根據(jù)全部示例的過(guò)濾器根據(jù)以下的相同實(shí)驗(yàn)協(xié)議獲得：

在混合器中混合的是：

- 3000g兩種碳化硅顆粒粉末的混合物，在以下部分中具有大于98%的純度：按質(zhì)量算75%的具有大約65微米的中間直徑的第一顆粒粉末，和按質(zhì)量算25%的具有大約2微米的中間直徑的第二顆粒粉末。(在本發(fā)明的意義內(nèi)，中間直徑d₅₀代表這樣的顆粒的直徑，在該直徑之下可找到按質(zhì)量算50%的所述顆粒的數(shù)量)。

- 300g源自纖維素類型的有機(jī)粘結(jié)劑。

以相對(duì)于SiC和有機(jī)添加物的總質(zhì)量按質(zhì)量算大約20%的量添加水，并且繼續(xù)混合直至獲得均勻的膏狀物，膏狀物的可塑性允許擠出管狀的結(jié)構(gòu)，模具構(gòu)造成用于獲得整塊材料的塊，塊的通道和外壁具有根據(jù)期望構(gòu)造的結(jié)構(gòu)，并且在附圖1到4中示出。因此，對(duì)于每種構(gòu)造，合成了5到10個(gè)具有25mm的直徑和30cm的長(zhǎng)度的粗制支撐件。

這樣獲得的粗制整塊材料使用微波系統(tǒng)干燥足夠時(shí)間，以使得沒(méi)有被化學(xué)結(jié)合的水的含量按質(zhì)量算少于1%。

然后將整塊材料點(diǎn)火到至少2100°C的溫度，該溫度被維持5個(gè)小時(shí)。所獲得的材料具有43%的開口孔隙度和大約25微米的中間小孔分布直徑，如通過(guò)顯微孔隙率計(jì)測(cè)量的那樣。

然后根據(jù)如下所述的工藝將薄膜分離層沉積在支撐結(jié)構(gòu)的通道的內(nèi)壁上：

在第一步驟中，由漿狀物形成用于粘附分離層的底漆，漿狀物的成分包括按質(zhì)量算50%的SiC晶粒(大約10微米的d₅₀)和50%的去離子水。

還制備構(gòu)成薄膜分離層的材料的漿狀物，該漿狀物的成分包括按質(zhì)量算50%的SiC晶粒(大約0.6微米的d50)和50%的去離子水。

漿狀物的液流學(xué)在1 ^s-1控制在0.5-0.7 Pa.s。以便控制這些漿狀物的液流學(xué)并遵循典型地根據(jù)DINC33-53019標(biāo)準(zhǔn)在22°C下大約在1 ^s-1的剪切梯度下測(cè)量的Pa.s之間的速率。

這兩個(gè)層根據(jù)以下描述的相同的工藝連續(xù)地沉積：漿狀物被引入到攪拌罐(20 rpm)中。在輕微真空(典型地25毫巴)同時(shí)維持?jǐn)嚢璧拿摎怆A段之后，罐被放置在大約0.7 bar的正壓力下，以便能夠從其底部部分直到其上端涂覆支撐件的內(nèi)側(cè)。此操作對(duì)于30cm長(zhǎng)的支撐件僅發(fā)生數(shù)秒鐘。在將漿狀物涂覆到支撐件的通道的內(nèi)壁上之后，立即通過(guò)重力將多余的漿狀物排出。

然后將支撐件在環(huán)境溫度下干燥30分鐘之后在60°C下干燥30小時(shí)。這樣干燥的支撐件隨后在大于1600°C的溫度下被燒制。燒制溫度取決于對(duì)于薄膜的最終孔隙度所需的特性，即大約1微米的中間小孔直徑和按體積算40%的開口孔隙率。

因而獲得了穿過(guò)過(guò)濾器做出的橫向切割。用掃描顯微鏡觀察薄膜的結(jié)構(gòu)。圖6中示出了獲得的其中一張電子顯微影像。在此圖中觀察到的是高孔隙率的多孔支撐件100，底漆層102使得具有較細(xì)孔隙率的薄膜分離層103能夠粘附。

在電子顯微影像的基礎(chǔ)上，在根據(jù)示例1到4的不同結(jié)構(gòu)上通道A和通道B上的薄膜103的中間厚度通過(guò)影像分析測(cè)量。測(cè)量的結(jié)果在以下的表格1中報(bào)告。

更特別地，表格1中報(bào)告的是在全部通道A上如此測(cè)得的薄膜(103)的中間厚度對(duì)在全部通道B上如此測(cè)得的中間厚度的比值。接近1的比值因而指示過(guò)濾無(wú)機(jī)材料在過(guò)濾器的全部通道上的理想分布。相反，該比值離1越遠(yuǎn)，則薄膜分離層的沉積越不均勻。在表格1中，過(guò)濾表面面積由該結(jié)構(gòu)的全部通道的周長(zhǎng)的綜合的和計(jì)算。

根據(jù)以下方法在過(guò)濾器上實(shí)施流量測(cè)量。

在25°C的溫度下，由加載了300 ppm的合成油的去礦物質(zhì)水構(gòu)成的流體在0.5 bar的穿越薄膜的壓力下并以2m/s的通道中循環(huán)率來(lái)供給要評(píng)價(jià)的過(guò)濾器。滲透物(水)在過(guò)濾器的周邊回收。在該測(cè)試期間，過(guò)濾器由于油在通道中在分離薄膜的表面上的沉積而逐漸堵塞，導(dǎo)致在過(guò)濾器的周邊回收的滲透物的數(shù)量降低。在20小時(shí)的過(guò)濾后測(cè)量流率。過(guò)濾器的特征流率測(cè)量以20小時(shí)的過(guò)濾后過(guò)濾器長(zhǎng)度每米的L/min表示。在該表格中，參考對(duì)于比較性示例1記錄的數(shù)據(jù)表示流率結(jié)果。更具體地，大于100%的值表示相對(duì)于基準(zhǔn)增大的流率，并且因而表示過(guò)濾能力的改善。

表征根據(jù)示例1的結(jié)構(gòu)(根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)獲得)和根據(jù)示例2的結(jié)構(gòu)(根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)修改)的均勻性值的比較顯示了可以通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明的原理極大地改善過(guò)濾器的性能。

具體地，根據(jù)示例2的過(guò)濾器顯示了與示例1相比高得多的薄膜的中間厚度的比值，并且在20小時(shí)的活動(dòng)之后也顯示了高得多的過(guò)濾流率。

由圖3所示的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的過(guò)濾器(對(duì)應(yīng)于示例3)也是的可以改善薄膜的沉積的均勻性，同時(shí)在20小時(shí)候保持相對(duì)于基準(zhǔn)示例1極大改善的滲透物流率。

根據(jù)示例4的過(guò)濾器與示例3的過(guò)濾器(根據(jù)本發(fā)明)相當(dāng)，通道尺寸和幾何形狀類似。但是，與本發(fā)明的要求相反，根據(jù)示例/圖4的周邊通道B(具有較小的水力直徑)的數(shù)量小于具有較大水力直徑的周邊通道(通道A)的數(shù)量。在表格1中報(bào)告的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)示例3和4的過(guò)濾器的過(guò)濾性能的比較顯示對(duì)于具有較小尺寸的周邊通道B的數(shù)量必須大于或等于具有較大尺寸的周邊通道A的數(shù)量，以便獲得沉積的均勻分布，同時(shí)保持改善的過(guò)濾能力。相對(duì)于切向過(guò)濾器領(lǐng)域中的現(xiàn)有常識(shí)，這樣的結(jié)果似乎是完全不可預(yù)期的。

圖7中呈現(xiàn)的是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)過(guò)濾器支撐件的橫向橫截面視圖，包括中心部分和周邊通道A和B，中心部分僅包括沿所述剖面具有圓形形狀的通道C_i，通道B具有與通道C_i相同的橫截面，而通道A具有較大的水力直徑，其具有張開的(卵形)形狀，呈水滴的形狀并且其較大尺寸的末端朝向過(guò)濾器的中心定向。這樣的構(gòu)造已經(jīng)被證明，對(duì)于最大化過(guò)濾表面面積同時(shí)在通道A和B之間保持充分的壁厚度以最大化滲透物流率，并且獲得如分別在通道A和通道B上測(cè)量的薄膜的中間厚度的可接受比值，是尤其有利的。

表格1。