運些應(yīng)用包括例如，質(zhì)量轉(zhuǎn)移、質(zhì)量交換、熱量交換、粒子過 濾W及分子分離。本發(fā)明的膜模塊的膜表面面積/單位體積的值（即，排除了入口體積和 出口體積的總填充體積）在從約300m2/m3到約3500m2/m3的范圍內(nèi)。開放流動通道使得過 程流能夠W低壓力降穿過膜模塊。具有受控的通道幾何結(jié)構(gòu)（例如，間隔、高度和形狀）的 開放流動通道進一步最小化總體流動流到膜上的運輸阻力。
[0103] 在一些實施方案中，沸石膜可被附接到膜設(shè)備的膜盒中的金屬膜用于分子分離應(yīng) 用?？赏ㄟ^在多孔金屬片膜上生長沸石晶體W形成選定厚度的沸石層來形成沸石膜。在一 些實施方案中，該沸石層可包括厚度小于10ym的交互生長的（inter-grown)沸石晶體?？?采用其他厚度。因此，無意限制厚度。
[0104] 具有高結(jié)晶度和晶體密度W產(chǎn)出不存在空隙和/或縮孔（pinhole)的沸石膜層的 沸石層是優(yōu)選的。沸石晶體具有良好限定的網(wǎng)格狀孔隙結(jié)構(gòu)，所述網(wǎng)格狀孔隙結(jié)構(gòu)基于尺 寸、形狀和/或重量的微小差別分離個體分子。通過擴散穿過為分子分離提供高通量和高 選擇率的沸石晶體，沸石膜遞送分子橫穿沸石膜。
[0105] 在一些實施方案中，膜模塊可包括管形式的沸石膜，所述管包括從約6mm到約 30mm的直徑。較大的管直徑增大了從總體流動流到膜表面上的質(zhì)量運輸距離。對于填充有 尺度為10mmI.DX12mm0.化的膜管且膜管/模塊體積分數(shù)為0. 4的沸石膜模塊，膜面積 填充密度是133m7m3,并且從管中屯、到沸石膜表面的質(zhì)量運輸距離是5mm。通過比較，本發(fā) 明的扁平片膜模塊配置有高度尺度為1mm的供給通道、0. 05mm的膜片厚度和2. 0mm的滲透 通道高度，膜面積填充密度為約660m2/m3。從供給通道的中屯、到膜表面的質(zhì)量運輸距離是 約0. 5mm。大大增大了膜面積填充密度并且大大減小了質(zhì)量運輸距離。
[0106] 在一些實施方案中，該膜設(shè)備可被配備用于：對建筑物中和車輛中炎熱潮濕環(huán)境 中的空氣進行除濕；去除氣體流中的水分；去除氣體流中的水分從而從空氣和燃燒廢氣氣 體流中產(chǎn)生可飲用的水；W及干燥水溶性溶液（諸如，乙醇/水或酒精/水）。在運樣的應(yīng) 用中，水選擇性薄片沸石膜可被用在可被組裝在膜設(shè)備中的膜盒的構(gòu)造中。本發(fā)明減少了 能量消耗，并且提供增強的生產(chǎn)率。例如，可W在大氣壓下或在約1己和約10己之間的低 壓下將含水的供給流引入到膜設(shè)備，同時膜設(shè)備的滲透側(cè)被維持在減小的壓力下或在約1 毫己到約300毫己之間的真空下。當供給流流動通過膜設(shè)備時，水分子可被選擇性地吸附 到沸石膜表面上，被吸附的水分子然后可擴散橫穿該膜，并且可在每個膜盒的滲透側(cè)上收 集滲透的水蒸汽，并且可通過滲透槽從膜設(shè)備排出所收集的滲透流。因此，除濕或脫水可繼 續(xù)，而無需改變供給流溫度和/或壓力。與常規(guī)蒸饋相比，本發(fā)明的用于分離乙醇和水的膜 脫水可將能量消耗減少大于50%，運是因為由于沿著蒸饋柱的整個高度的溫度梯度使得蒸 饋需要恒定的蒸發(fā)和冷凝。
[0107] 類似地，與常規(guī)空氣除濕相比，本發(fā)明的用于吸附/吸收的膜除濕可將能量消耗 減少大于50%，運是因為常規(guī)吸附/吸收需要飽和干燥材料的周期性再生，運需要大量的 熱能來加熱干燥材料。在兩個實施例中，該膜設(shè)備的尺寸比用于蒸饋或吸附的常規(guī)設(shè)備小 至少一個數(shù)量級。
[0108] 在多種實施方案中，膜設(shè)備可配置有水選擇性分子篩膜（即，安置在金屬片膜的 頂上），該水選擇性分子篩膜通過高&0選擇率和可滲透的膜連續(xù)去除水蒸汽。不需要再生； 沒有環(huán)境排放物。
[0109] 在一些實施方案中，本發(fā)明的膜設(shè)備可被配置用于運行作為分離設(shè)備或過濾設(shè) 備，例如，通過將供給流動流連接到膜模塊的供給側(cè)W及將滲透流動流連接到膜模塊的滲 透側(cè)。
[0110] 在一些實施方案中，多孔金屬膜允許從多種過程流中過濾粒子，包括，例如，過濾 藻類培養(yǎng)液中的微藻W收獲微藻。在多個實施方案中，當膜設(shè)備被配置有由本文中所描述 的薄的多孔金屬片組成的過濾膜時膜設(shè)備可具有尺寸在約0. 1ym和約2. 0ym之間的孔 隙。對于過濾應(yīng)用，多孔金屬片可被修改W包括具有范圍從約1皿到約100皿的孔隙尺寸 的選定涂層。
[0111] 在一些實施方案中，該膜設(shè)備可被配置用于過濾空氣中的氣溶膠粒子。
[0112] 在一些實施方案中，該膜設(shè)備可被配置W與位于膜設(shè)備的供給側(cè)和滲透側(cè)之間的 壓力梯度合作提供分子分離或過濾。
[0113] 對于對壓力降不敏感的應(yīng)用（諸如，加壓氣體的脫水或加壓液體的過濾），可采用 尺寸在約0. 3mm到約1. 0mm之間的供給流動通道和/或滲透流動通道，W最大化膜的面積 和填充密度，從而增強膜的強度使得它們在大壓力梯度下維持整個膜的完整性。在一些實 施方案中，流動通道可具有約1.0mm或更小的液壓直徑。液壓直徑（d)由在下文中的等式 似給出：
[0114] d= 4 ?化巧]
[0115] 在此，（巧是通過的流的橫截面面積，（L)是通道的暴露至流動流的周長。對于寬 度為（W)的正方形通道，S=W2,L= 4w，并且液壓直徑d=W。
[0116] 對于對壓力降敏感的應(yīng)用（諸如，在大氣壓下對空氣進行除濕），可選擇流動通道 的尺寸w最小化壓力降。在一些實施方案中，膜設(shè)備中的供給通道和滲透通道優(yōu)選地是直 的流動通道，W最小化死體積和壓力降。
[0117] 實施例
[0118] 下面的實施例提供了對本發(fā)明的多個方面的進一步理解。
[011引[實施例^
[0120] [過濾應(yīng)用]
[0121] 使用圖7A的膜模塊。交叉流動膜模塊被構(gòu)造并且被配置用于過濾和收獲藻類。在 表1中列出了用于膜模塊的設(shè)計參數(shù)。
[0122] 表1列出了用于過濾應(yīng)用的典型的交叉流動膜模塊的尺度和部件。
[0123]
[0124]

[0125] 如參照圖4B所描述的，膜盒被堆疊在一起。波紋（波浪）儀（Ni)網(wǎng)片被放置在 該堆中的個體膜盒之間，并且在鄰近頂部蓋板和底部蓋板安置的膜盒之間。該膜模塊包括9 個膜盒，具有10個供給槽和9個滲透槽。該波浪Ni網(wǎng)被用作間隔材料并且用于在反沖期 間支撐膜盒中的膜。在正常過濾操作期間，該膜設(shè)備的供給側(cè)上的壓力大于滲透側(cè)上的壓 力。濾液從供給側(cè)流動到滲透側(cè)。通過將清潔流體從該設(shè)備的滲透側(cè)推動到該設(shè)備的供給 側(cè)內(nèi)（即，反沖）可清潔膜表面。在反沖期間，該設(shè)備的供給側(cè)上的壓力小于滲透側(cè)上的壓 力。圖8標繪了在用于收獲藻類的一個示例性過濾應(yīng)用中在膜設(shè)備的運行期間運行參數(shù)的 變化作為時間的函數(shù)。無意限制應(yīng)用。未處理的藻類培養(yǎng)物被存儲在存儲罐中。藻類培養(yǎng) 物被累送經(jīng)過膜設(shè)備作為來自所述存儲罐的代表性供給。從膜設(shè)備輸出的供給流被返回到 所述存儲罐。在真空下從膜設(shè)備的滲透側(cè)取出清潔溶液。從膜設(shè)備收集的滲透流具有與供 給流通過膜設(shè)備的流動垂直的流動方向。對于典型的交叉流動過濾操作，供給通道內(nèi)部的 供給液體的速度W約0. 27m/s的低供給速度行進。通過向膜模塊的供給（入口）通道內(nèi)引 入空氣脈沖來對膜模塊的供給通道充氣，從而防止在過濾期間膜表面上積累結(jié)塊的層。如 此，進入到膜模塊內(nèi)的供給流動流的入口壓力在一個寬范圍內(nèi)波動，如由圖8中的頂部（第 一）繪圖所示出的。膜模塊外面的供給壓力幾乎恒定在一個稍微在大氣壓W上的壓力下， 如由第二繪圖所示出的。在過濾期間滲透側(cè)上的壓力被維持在約0.9己處，如在第=繪圖 中所例示的。作為膜模塊的入口處供給流動流的壓力波動的結(jié)果，由于整個膜壓上的力梯 度的波動造成滲透流動流的壓力相應(yīng)地波動，如底部繪圖中示出的。通過如該圖中示出的 每0. 5小時將膜模塊的滲透側(cè)上的壓力提升到大氣壓W上的壓力，滲透存儲罐被周期性地 排出到環(huán)境。該膜設(shè)備具有的通量是針對設(shè)計用于廢水處理的商業(yè)聚乙締醇（PVA)膜板所 測量的通量的2到3倍。為了此測試，通過向供給流動流內(nèi)引入空氣脈沖來將供給入口壓 力波動故意引入到執(zhí)行的膜設(shè)備內(nèi)。正常的入口供給壓力是穩(wěn)定的而不需要充氣。膜盒和 膜片在運轉(zhuǎn)一周W后的后檢查顯示在膜表面上有少量或沒有藻類的沉積或累積。膜盒也是 完整的。膜孔隙內(nèi)部的可溶培養(yǎng)物聚合物的吸附可隨時間逐漸使得通量減小。因此，為了 重復的收獲運轉(zhuǎn)建議周期性的清潔膜模塊膜?？赏ㄟ^反沖物理地清潔膜模塊，回沖被示出 為與使用化學清潔劑一樣有效。
[0126] [實施例2]
[0127] [用于除濕的膜模塊]
[012引使用圖7A的膜模塊。交叉流動膜模塊被構(gòu)造并且被配置用于分子分離和除濕。在 表2中列出了用于膜模塊的設(shè)計參數(shù)。
[0129] 表2列出了用于空氣除濕應(yīng)用的典型的交叉流動膜模塊的尺度和部件。
[0130]

[0131] 通過在50 ym厚的多孔Ni片膜（用于用作沸石支撐物）上生長沸石膜來制備水 選擇性沸石膜片。沸石膜包括選定的沸石（例如，NaA/Ni)的交互生長的沸石晶體，該沸石 晶體形成具有的厚度在約2ym到約6ym之間的沸石層。該沸石膜層足夠薄W使得聯(lián)接到 多孔金屬（即，Ni)膜的沸石膜類似于裸露的金屬膜。
[0132] S個膜盒如圖4A中所例示的沒有使用內(nèi)部間隔材料而被組裝好，W形成交叉流 動膜模塊。對于除濕應(yīng)用，在供給通道中在膜盒之間未安置間隔件。每個膜盒均包括一個 由聚碳酸醋制成的支撐框架?？蚣艹叽鐝?3. IcmX 13. 1cm到5. 25cmX 11. 25cm變化。
[0133] 該膜模塊包括240cm2的有效膜分離面積。供給空氣在膜表面之上具有約10cm的 典型行進長度。滲透蒸汽在膜表面之下具有約4cm的典型行進長度。使用參數(shù)計算流體動 力學的質(zhì)量轉(zhuǎn)移值和熱量轉(zhuǎn)移值。
[0134] 該模塊被配置成在供給流動流和滲透流動流之間有正壓力梯度。對于除濕和膜分 離應(yīng)用，膜模塊的供給側(cè)上的壓力通常大于滲透側(cè)上的壓力。如此，供給通道不需要間隔材 料。在沒有間隔材料的情況下，供給空氣可在較低壓力降的情況下流動通過供給通道。對膜 模塊進行壓力降測試。通過從總壓力降減去經(jīng)過歧管的壓力降來確定經(jīng)過膜堆的壓力降。 圖9標繪了測量到的經(jīng)過膜模塊的壓力降的變化作為供給空氣線速度的函數(shù)。在該圖中， 壓力降隨著流動速度增大。在水的流動速度為200cm/s的情況下，壓力降是約0. 65厘米。
[0135] 使用對有色的水的真空過濾來測試膜設(shè)備的機械完整性和無泄漏操作。該膜設(shè)備 沒有缺陷。沒有顏料分子（尺寸~1皿到2nm)滲透通過該膜。在過濾測量之后水的滲透 是低的。
[0136] 該膜模塊然后被放置在烤爐中并且用于對空氣除濕進行測試。潮濕的室內(nèi)空氣通 過入口歧管被引入到膜設(shè)備內(nèi)并且通過出口歧管被排出到周圍環(huán)境空氣。用真空累從膜設(shè) 備的滲透側(cè)抽水分。水蒸汽滲透在離開膜設(shè)備之后被收集在液氮冷阱中。用數(shù)字流量計測 量通過真空累排出的剩余空氣流動的速率。表3列出了針對在近似大氣壓下在膜設(shè)備的供 給側(cè)上引入的空氣所收集的機械完整性測試數(shù)據(jù)。圖10A-圖10D示出對于在兩個不同溫 度下進來的供給空氣的除濕結(jié)果。
[0137] 表3列出了從模塊機械完整性測