[发明专利]结合有湍流促进部的多通道管状元件用于切向流分离的形状及制造方法

说明书

本发明涉及一种元件，其用于通过切向流将待处理的流体介质分离为滤液和滞流物。所述分离元件包括具有直线形结构的、刚性且多孔的单体式支撑体(2)，其中设有多个通道(3)以允许待处理的流体介质在入口(6)与用以排出滞留物的出口(7)之间流动，以便在支撑体的外表面(5)上回收滤液。根据本发明，该刚性且多孔的单体式支撑体(2)限定从所述通道的内壁(30)突出的多个障碍部(9)，用以影响待处理流体的流动，这些障碍部在材料和多孔构造方面与该支撑体相同，并且与支撑体具有材料和多孔构造上的连续性。这些障碍部(9)造成通道的通流横截面的变化。

技术领域

本发明涉及用于对所要处理的流体介质进行切向流分离以便产生滤液和滞流物(retentate，渗余物)的元件的技术领域，这些元件通常被称为滤膜。更准确而言，本发明涉及用于减小乃至消除堵塞问题的多通道的多孔支撑体 (support，载体)的新颖形状，且还涉及一种附加的制造该支撑体的制造方法，以及包括该支撑体的切向流分离元件。

背景技术

使用膜的分离方法用于多种行业，特别是用于生产饮用水(potable water，饮料水)和处理工业污水的情况，以及用于化学、石油化学、制药、农产品工业以及生物科技领域。

膜构成选择性屏障，且在传送力的作用下，其用于透过或挡止所要处理的介质的特定成分。这些组分的尺寸相对于膜中的孔的尺寸(的大小)导致其被透过或挡止，因而膜的作用类似于过滤器。根据孔尺寸的不同，这类技术被称为“微滤”、“超滤”、或“纳米过滤(纳滤)”。

现有的膜具有不同的构造和质地(texture，结构)。一般而言，该膜由多孔支撑体(载体)构成，该支撑体为膜提供机械强度且赋予其形状，进而决定了膜的过滤面积。在该支撑体上沉积有一个或多个分离执行层，每个分离执行层的厚度均为几微米且被称为“分离层”、“过滤层”或“作用层”。在进行分离的期间，被过滤的流体被传送经过分离层，且该流体随后通过支撑体的多孔结构而散布开以便朝向多孔支撑体的外表面行进。所处理的流体的已穿过分离层和多孔支撑体的部分被称为“渗透液”或“滤液”，其被围绕膜的收集室回收。其余的部分被称为“滞流物”，且按照一般规则，其经由再循环回路被再次注入到膜的上游的待处理的流体中。

在传统方式中，支撑体初始通过挤塑(挤出成型)而被制造成所需形状，然后在一定温度下烧结足以确保所需强度的一段时间，同时在所得到的陶瓷中存留所需的开放且互连的多个孔的结构。该方法必然导致获得一个或多个直线形通道，此后依次地沉积和烧结多个上述分离层。支撑体通常呈管状，并具有与支撑体的中心轴线平行设置的一个或多个直线形通道。大体上，这些通道的内侧表面平滑且不存在任何不规则之处。

然而，已发现由此种形状的支撑体制造的滤膜面临着堵塞的问题，其结果是它们在流速上性能受限。具体而言，小颗粒和大分子可能被吸收在分离层的表面上，或者可能以溶胶或沉淀的形式沉积在其上，甚至可能穿入到孔中并阻塞其中一些孔。

所有使用过滤元件进行的切向分离都依赖于选择性转移的原理，其效率取决于膜(作用层)的选择性以及被视为一个整体(支撑体+作用层)的过滤元件的渗透性(流动)。选择性和渗透性是由(但并非仅由)作用层和过滤元件的特性决定，因为选择性和渗透性会由于浓差极化、沉淀和/或孔的阻塞而下降或受限。

在过滤操作期间当待处理的液体中存在的大分子在膜/溶液界面上变得浓密时，发生浓差极化现象，此时大分子施加与分离力相反的渗透背压，或者在菲克定律的作用下扩散回到待处理液体的中心。这种浓差极化现象的起因是由于溶剂的渗透而使残留的成分聚集在膜的附近。

当过滤操作期间膜的表面处的粒子浓度增加到足以导致出现呈溶胶或粘性沉淀形式的凝聚相(凝相)时，则出现沉淀，造成膜阻力之外的流体阻力上升。

当尺寸小于或等于孔的尺寸的粒子侵入时会发生孔的阻塞，由此造成过滤面积降低。

堵塞及其可逆性或不可逆性，是复杂的、取决于过滤元件的现象，特别是取决于其分离层、待处理液体以及操作参数。