ОПОРНАЯ РАМА ДЛЯ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ МЕМБРАНЫ Российский патент 2014 года по МПК B01D65/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к фильтрующему элементу, содержащему мембрану с встроенным проницаемым каналом и рамное устройство, служащее опорой мембране и уплотняющее указанный встроенный проницаемый канал у края мембраны. Изобретение также относится к способу изготовления такого фильтрующего элемента и к фильтрующему мембранному модулю, содержащему ряд указанных фильтрующих элементов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последнее время имеется большой интерес к использованию мембранных биореакторов (МБР) в водной среде. МБР представляет собой объединение двух основных процессов - биологического разложения и мембранного разделения - в одном процессе, в котором взвешенные твердые вещества и микроорганизмы, обеспечивающие биоразложение, отделяют от обрабатываемой воды мембранным фильтрующим блоком. Проводимые в настоящее время исследовательские работы направлены на возможность использования МБР для бытовых, промышленных и промышленно-бытовых обрабатывающих установок, для сгущенных потоков, поступающих от промышленных производственных процессов, для обработки просачивающейся из участков для размещения отходов воды и обезвоживания шлама. Успехи в использовании мембранных биореакторов для обработки сточных вод положили начало изучению концепции МБР в приложении к технологическим процессам получения питьевой воды.

В биореакторах, используемых для сточных вод, биологическая обработка в реакторе объединена с физической обработкой посредством мембранной фильтрации. Использование мембранной фильтрации вместо процесса осаждения обеспечивает обслуживание больших шламовых нагрузок в реакторе, что теоретически приводит к высоким скоростям биологического разложения с низким шламообразованием. В печатных материалах по МБР упомянуты концентрации шлама 15-20 г/л. Высокая эффективность данного процесса создает возможность для обработки потоков высокой концентрации и создания систем с небольшой занимаемой площадью. В практике использования занимаемая площадь уменьшена за счет меньшей площади, необходимой для мембранной фильтрации, благодаря максимальной концентрации обслуживаемого шлама в 8-12 г/л и освобождения от отстойных баков. Кроме того, обеспечены более высокие скорости образования шлама по сравнению с обычными отстойными системами.

В патентном документе JP 2001212436 приведено описание мембранного картриджа погружного типа и способа его производства. В этой заявке предложено изготовление мембранного картриджа погружного типа, в котором мембраны прикреплены сваркой к внутреннему краю фильтрующего картриджа.

В патентных документах JP 2003135939 и JP 2003144869 приведено описание разделительной мембраны, изготовленной посредством формирования пористого смоляного слоя на поверхности материала из органического волокна на пористой основе. Частью смолы выполняют пропитку по меньшей мере части поверхностного слоя материала на пористой основе с образованием композитного слоя с материалом на пористой основе по меньшей мере в части поверхностного слоя. Цель этих патентов заключается в разработке мембраны с высокой водопроницаемостью, в которой почти не возникает засорения и предотвращено отслаивание пористого смоляного слоя от материала на пористой основе.

В патентном документе JP 06-218239 приведено описание крепежной конструкции для пленки, препятствующей вытеканию адгезива к центральной стороне пленочного устройства во время приклеивания пленки на опорный корпус, и легкоотделяемой пленки, причем канавка выполнена у периферийной части опорного корпуса, а пленка прикреплена адгезивом к опорному корпусу снаружи канавки и размещена так, что канавка закрыта.

В патентном документе US 2006/0213368 приведено описание проницаемой для водорода мембраны, обладающей превосходной высокотемпературной устойчивостью к кристаллизации и длительным сроком службы при работе в условиях высокотемпературного нагрева, при этом предусмотрена возможность уменьшения ее в размерах для использования в водородных очистных устройствах с высокими эксплуатационными характеристиками. Мембрана выполнена из специального сплава никеля с цирконием с некристаллической структурой и расположена между двумя армированными никелем рамами, каждая из которых имеет наружный боковой размер 25 мм, вертикальный наружный размер 0,85 мм, ширину 5 мм и толщину 0,2 мм, при этом мембрана прикреплена ультразвуковой сваркой к армированным рамам.

В патентном документе US 5011556 приведено описание двухэтапного процесса для ультразвуковой сварки первого и второго термопластичных компонентов с прикреплением между ними мембраны сваркой.

В патентном документе US 5681438 приведено описание мембранного модуля, используемого для непрерывного процесса электродеионизации, в котором непористые мембраны приклеены к распоркам, которые в свою очередь приклеены друг к другу с созданием опорной зоны для мембраны в результате вхождения в соприкосновение с поверхностью мембраны, расположенной напротив поверхности, к которой приклеена мембрана.

В патентном документе US 388765 приведено описание структуры прецизионного микрофильтра, которая состоит из тонкой гибкой металлической решетчатой поверхности, расположенной между двумя кольцевыми корпусами, выровненными в осевом направлении и соединенными между собой.

В патентном документе DE 3417248 приведено описание фильтра для отделения твердых веществ из жидкостей, пригодного для удаления зубной амальгамы из ополаскивающих жидкостей. Фильтр состоит из ситовых сеток с круговыми кольцами, уложенными в вертикальную стопу в пластиковом корпусе.

В патентном документе FR 2647512 приведено описание процесса для обжатия эластичной деформируемой натянутой поверхности, в частности, пленки или ткани, например, для фильтрации, в котором эластичную деформируемую поверхность зажимают между крепежными опорами и съемной рамой. Съемная рама входит в соприкосновение с секцией крепежной опоры и зажимает данную поверхность при перемещении рамы в фиксированное положение с крепежной опорой. В процессе перемещения выступающая часть рамы обеспечивает установку на место данной поверхности в натянутом состоянии.

В патентном документе WO 2003/037489 приведено описание пластинчатого фильтрационного модуля, содержащего ряд «карманов с фильтрующими мембранами», имеющих по меньшей мере одно отверстие для дренажа внутренней области этого ряда карманов. Указанные карманы расположены вертикально в жесткой опоре и параллельно, предпочтительно на одинаковом расстоянии друг от друга так, что через смежные карманы предусмотрено интенсивное перекрестное прохождение жидкости. Данный фильтрационный модуль отличается тем, что карманы с фильтрующими мембранами являются по существу плоскими и гибкими и прикреплены к опоре с противоположных сторон, причем опора содержит по меньшей мере одну эвакуационную линию для эвакуации жидкости посредством высасывания через карманы с фильтрующими мембранными карманами, имеющими гибкую, проницаемую для жидкости основную часть и ряд проницаемых для жидкости основных элементов.

В патентном документе WO 2006/056159 приведено описание безрамного мембранного картриджа, в котором мембранные слои покрыты на наружных поверхностях упрочняющей структурой по меньшей мере из двух разнесенных дренажных слоев, которые сжаты вместе по краям. Однако такое прикрепление мембранных слоев к упрочняющей структуре является слабым, что ведет к низким давлениям обратной промывки.

Мембраны с встроенным проницаемым каналом, также названные в описании как ИПК мембраны, в которых мембрана жестко привязана к упрочняющей структуре, известны из патентного документа WO 2006/0154161. Данные ИПК мембраны содержат проницаемый канал, образованный между двумя поверхностями мембраны, которые образуют встроенную целостную конструкцию. Это обеспечено за счет использования трехмерной тканевой прокладки, имеющей две тканевые поверхности, разнесенные монофиламентной нитью на заданное расстояние. Мембранные слои нанесены непосредственно на тканевые поверхности и частично пронизывают указанную поверхность, при этом проходящие через тканевую поверхность петли монофиламентной нити встроены в мембранный слой. Таким образом, образована структура, имеющая две разнесенные мембранные поверхности. За счет непосредственного нанесения на трехмерную тканевую прокладку ИПК мембрана проще в изготовлении, что снижает производственные затраты, а также имеет повышенную прочность сцепления, обеспечивая обратную промывку при относительно больших давлениях, что повышает эффективность фильтрации.

Использование таких ИПК мембран предусмотрено в так называемых мембранных карманах или картриджах для мембранных биореакторов (МБР), предназначенных для использования в технологических процессах очистки или в потоках сточных вод. Мембранные картриджи предшествующего уровня техники, предложенные в патентном документе WO 2006/0154161, содержат проницаемый канал, образованный между двумя мембранными поверхностями, причем проницаемый канал уплотнен по всему краю картриджа, а для извлечения фильтрата из проницаемого канала выполнена дренажная трубка. Производство такого мембранного канала или картриджа является трудоемким и включает ряд ручных вмешательств.

В патентном документе WO 2008/141935 приведено описание бесшовного мембранного мешка, в котором тканевая прокладка пропитана веществом мембраны с образованием двух мембран с внутренним проницаемым каналом, расположенным между внутренними поверхностями мембран, и в котором края двух мембран соединены перемычками из вещества мембраны, перекрывающими расстояние между мембранами. Для извлечения фильтрата из внутреннего проницаемого канала выполнена трубка. При этом способе получают ИПК мембраны с внутренним проницаемым каналом, для которых не требуется наносить по периметру мембраны уплотняющий материал, препятствующий прямому прохождению текучей среды от проницаемого канала или к нему, минуя мембрану.

Существующие системы фильтров для очистки сточной воды содержат ряд таких мембранных картриджей, обычно смонтированных в модуле, установленном в коробчатом корпусе, с возможностью открывания вверх и вниз. Каждый из мембранных картриджей имеет отверстие для выпуска фильтрата, причем мембранные картриджи расположены вертикально, параллельно друг другу с отнесением от смежных картриджей. Промежутки между отдельными мембранными картриджами образуют проходы, проходимые для текучей среды. Ниже коробки с мембранными картриджами расположен корпус с устройством, обеспечивающим подачу воздуха, образующего поток в верхнем направлении, за счет которого текучая среда проходит вдоль мембранных картриджей. Этот поток воздуха, проходящий вверх параллельно поверхностям мембраны, создает очищающий поток, предотвращающий засорение фильтрующей мембраны, то есть, отложение отходов на поверхности фильтрующей мембраны. В процессе фильтрации и под воздействием потока воздуха в верхнем направлении промежуточное расстояние между мембранами фильтра, образованного гибкой тканевой прокладкой, покрытой веществом мембраны, изменяется с уменьшением расстояния между мембранами в некоторых местах с одновременным увеличением расстояния в других местах. При слишком маленьком промежуточном расстоянии интенсивность очищающей струи по всей поверхности фильтра становится недостаточной, что приводит к засорению. Предусмотрено упрочнение фильтрующего картриджа за счет размещения распорок поперек поверхности фильтрующей мембраны, однако это ухудшает очистку фильтрующей мембраны от препятствующих фильтрации отложений.

Другая проблема, связанная с направленным вверх потоком воздуха заключается в том, что указанные изменения промежуточного расстояния приводят к царапинам и разрывам мембранных слоев, укорачивающим срок службы фильтрующих мембран.

Таким образом, цель изобретения заключается в разработке фильтрующего элемента без вышеуказанных недостатков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является обеспечение фильтрующего элемента, который содержит мембрану с встроенным проницаемым каналом, также названную в описании «ИПК мембрана» или «мембрана», и рамное устройство, также названное в описании «рама», содержащее первый и второй рамные профили.

Преимущество предложенного фильтрующего элемента заключается в том, что ИПК мембрана, имеющая опорой рамное устройство, менее восприимчива к засорению и повреждениям в процессе фильтрации, а также под воздействием направленного вверх потока воздуха, что увеличивает срок службы фильтрующего элемента.

Преимущество предложенного фильтрующего элемента также заключается в обеспечении возможности в процессе обратной промывки и/или в процессе фильтрации использовать высокие давления в результате улучшенного уплотнения встроенного проницаемого канала, также названного в описании «ИПК» или «проницаемый канал», у края ИПК мембраны, за счет прикрепления к ИПК мембране рамного устройства, обеспечивающего охват ИПК мембраны. Улучшенное уплотнение обеспечивает возможность использования более высокого давления в процессе фильтрации, что приводит к увеличению потока фильтрата и ускорению процесса фильтрации. Улучшенное уплотнение обеспечивает возможность использования более высокого давления также и в процессе обратной промывки, что повышает эффективность процесса очистки ИПК мембраны и срок службы фильтрующего элемента.

Кроме того, целью изобретения является обеспечение фильтрующего элемента, который содержит дополнительный внутренний контурный канал, также названный в описании «дополнительный проницаемый канал», сообщающийся с внутренним проницаемым каналом. Дополнительный внутренний контурный канал выполнен в продольном канале рамного устройства по границе мембраны для обеспечения сбора и перемещения извлеченного фильтрата из встроенного проницаемого канала к выпускному отверстию мембраны. Преимущество дополнительного проницаемого канала заключается в улучшенном потоке фильтрата в процессе фильтрации, обеспечивающем уменьшение потерь давления у проницаемой стороны мембраны, что приводит к уменьшению засорения. Преимущество указанного дополнительного проницаемого канала также заключается в увеличении скорости обратного потока фильтрата во встроенном проницаемом канале, что ускоряет процесс обратной промывки.

Кроме того, целью изобретения является обеспечение способа изготовления фильтрующего элемента. Преимущество способа заключается в легкости изготовления, при более низкой себестоимости, фильтрующих элементов, в которых предложенная согласно изобретению рама служит опорой мембране и обеспечивает уплотнение ИПК по краям мембраны.

Кроме того, целью изобретения является обеспечение фильтрующего модуля, содержащего ряд фильтрующих элементов согласно изобретению. Преимущество данного фильтрующего модуля заключается в том, что в случае протечки или засорения модульных фильтрующих элементов легко выполнима их замена на другие фильтрующие элементы.

Другие частные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематическое изображение первого рамного профиля рамного устройства первого типа;

Фиг.2 - схематическое изображение поперечного сечения по оси а-а первого рамного профиля рамного устройства первого типа;

Фиг.3 - схематическое изображение второго рамного профиля рамного устройства первого типа;

Фиг.4 - схематическое изображение второго рамного профиля рамного устройства первого типа в поперечном разрезе, взятом по оси b-b;

Фиг.5 - схематическое изображение поперечного сечения рамного устройства первого типа, в котором первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль;

Фиг.6 и 7 - схематическое изображение рамного устройства первого типа, в котором первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль с вставленной между ними мембраной, вид в поперечном разрезе;

Фиг.8 - схематическое изображение первого рамного профиля рамного устройства второго типа;

Фиг.9 - схематическое изображение первого рамного профиля рамного устройства второго типа в поперечном разрезе, взятом по оси а-а;

Фиг.10 - схематическое изображение второго рамного профиля рамного устройства второго типа;

Фиг.11 - схематическое изображение второго рамного профиля рамного устройства второго типа в поперечном разрезе, взятом по оси b-b;

Фиг.12-14 - схематические изображения рамного устройства второго типа, в котором первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль, вид в поперечном разрезе;

Фиг.15 и 16 - схематические изображения рамного устройства второго типа, в котором первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль с вставленной между ними мембраной, вид в поперечном разрезе;

Фиг.17-20 схематические изображения рамных устройств первого и второго типа, в которых первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль с вставленной между ними мембраной и в которых внутренние части рамных профилей выполнены с криволинейной кромкой, вид в поперечном разрезе;

Фиг.21 и 22 схематическое изображение внутренней части с криволинейной кромкой, местный вид в поперечном разрезе;

Фиг.23-26 схематические изображения рамных устройств первого и второго типа, в которых первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль с вставленной между ними мембраной, и в которых внутренние части рамных профилей выполнены с криволинейной кромкой, и в которых внутренние и наружные части рамных профилей выполнены с принимающими адгезив канавками и канавкой под адгезив, вид в поперечном разрезе;

Фиг.27-30 схематическое изображение рамных устройств первого и второго типа, в которых первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль с вставленной между ними мембраной, и в которых внутренние части рамных профилей выполнены с распоркой, вид в поперечном разрезе;

Фиг.31 и 32 схематическое изображение рамных устройств первого и второго типа, в которых первый рамный профиль наложен на второй рамный профиль с вставленной между ними мембраной, и в которых внутренние части рамных профилей согласно изобретению прикреплены к мембранной поверхности, и в которых угол, образованный внутренней частью, прикрепленной к мембранной поверхности, ближайшей к той области мембраны, которая служит для фильтрации жидкости, уплотнен, вид в поперечном разрезе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению предложен фильтрующий элемент, содержащий (i) мембрану (4) с встроенным проницаемым каналом, которая имеет гибкую структуру и содержит верхний и нижний мембранные слои и материал основы для опирания указанных мембранных слоев, при этом указанный материал основы представляет собой трехмерную прокладочную ткань, имеющую верхнюю и нижнюю тканевые поверхности, соединенные друг с другом и разнесенные монофиламентными нитями на заданное расстояние, причем каждая из указанных верхней и нижней тканевых поверхностей выполнена по меньшей мере с одним мембранным слоем, образующим указанные верхний и нижний мембранные слои, при этом между указанными верхним и нижним мембранными слоями предусмотрен проницаемый канал, соединенный с выпускным отверстием, обеспечивающим выпуск фильтрата из встроенного проницаемого канала, и (ii) рамное устройство, служащее опорой для указанной мембраны и уплотняющее указанный встроенный проницаемый канал у края мембраны, причем указанное рамное устройство содержит первый рамный профиль (1 или 5) и второй рамный профиль (2 или 6), каждый из которых имеет форму и размеры, обеспечивающие охват мембраны, при этом каждый из указанных первого и второго рамных профилей имеет внутренние части (12, 22 или 52, 62) и наружные части (11, 21 или 54, 64), причем указанная мембрана (4) вставлена между указанным первым рамным профилем (1 или 5) и указанным вторым рамным профилем (2 или 6) так, что внутренние части находятся в соприкосновении с поверхностью верхнего и нижнего мембранных слоев по периферии мембраны, при этом наружные части обоих рамных профилей находятся в соприкосновении друг с другом, а внутренними частями образован продольный канал (3 или 7), обеспечивающий установку мембраны, причем кромки внутренних частей, входящие в соприкосновение с поверхностями мембранных слоев, ближайшие к области мембраны, имеют криволинейную форму, при этом для прикрепления внутренних частей к мембранным слоям и наружных частей друг к другу использован адгезив. Рамное устройство фильтрующего элемента, в частности, пригодно для выполнения опирания мембраны с встроенным проницаемым каналом и уплотнения мембраны за один этап.

Согласно изобретению также предложен способ для изготовления такого фильтрующего элемента.

Согласно изобретению дополнительно предложен фильтрующий модуль, причем указанный модуль содержит ряд указанных фильтрующих элементов.

Мембрана с встроенным проницаемым каналом

Мембрана с встроенным проницаемым каналом содержит материал основы для опирания мембранных слоев, причем указанная основа является трехмерной прокладочной тканью, также названной в описании «трехмерной прокладочной тканью». Трехмерная прокладочная ткань имеет верхнюю и нижнюю тканевые поверхности, соединенные вместе и разнесенные монофиламентными нитями на заданное расстояние, как определено в патентных документах WO 2006/0154161 A1, ЕР 1992400 A1 и WO 2008/141935 A1.

В предпочтительном варианте выполнения, тканевые поверхности и монофиламентные нити трехмерной прокладочной ткани связаны петлями монофиламентных нитей, как определено в патентных документах WO 2006/0154161 A1, ЕР 1992400 A1 и WO 2008/141935 A1. Предпочтительно тканевые поверхности являются поверхностями трикотажного, тканого или нетканого типа. Расстояние между верхней и нижней тканевой поверхностью предпочтительно составляет 0,5-10 мм. Трехмерная прокладочная ткань предпочтительно содержит материал, выбранный из группы, включающей полиэстер, нейлон, полиамид, сульфид полифенилена, полиэтилен и полипропилен.

ИПК мембрана дополнительно содержит мембранный слой, наложенный на указанную верхнюю и нижнюю тканевые поверхности, и проницаемый канал, расположенный между указанными двумя мембранными слоями, при этом мембранные слои связаны в целом ряде точек указанными верхней и нижней тканевыми поверхностями, как определено в патентных документах WO 2006/0154161 A1, ЕР 1992400 A1 и WO 2008/141935 A1.

Мембранные слои наложены с обеих сторон указанной верхней и нижней тканевой поверхности предпочтительно посредством покрытия мембранной пастой в аппарате для нанесения покрытий. Затем пасту подвергают коагуляции посредством удаления растворителя. Как вариант, коагуляцию выполняют способом фазовой инверсии, при котором растворитель мембранной пасты извлекают из пасты нерастворимым полимером мембраны. Предусмотрено выполнение фазовой инверсии в жидкости, например в воде, или в окружающей среде, содержащей пары указанного нерастворимого полимера. Формирование мембраны, как вариант, выполняют испарением растворителя или сухой фазовой инверсии. Процесс фазовой инверсии инициируют извне.

ИПК мембрана имеет гибкую структуру, обеспечивающую возможность складывания мембраны и намотки ее на цилиндр, то есть указанной мембране не присуща жесткость листовых материалов.

ИПК мембраны обычно имеют асимметричное распределение размеров пор, в котором наименьшие поры находятся на стороне подачи. Крупные частицы не проникают в слой мембраны, что облегчает чистку мембраны, например, обратной промывкой. В противном случае в мембрану могли бы проникать частицы и блокировать поры внутри мембранного слоя. Распределение размера пор происходит на этапе коагуляции, и наружные поверхности с обеих сторон ИПК мембраны не следует подвергать воздействию коагулянта в одинаковой степени. Асимметричное распределение размера пор возможно обеспечить посредством коагуляции на фазе испарения. Указанное распределение также возможно обеспечить, если уплотнить края покрытой мембранной пастой трехмерной прокладочной ткани до выполнения этапа коагуляции для предотвращения проникновения коагулянта в проницаемый канал. В данной области техники этот процесс предусмотрено выполнять отдельным этапом до покрытия мембраны или совместно с этапом покрытия, как описано в патентных документах ЕР 1992400 A1 и WO 2008/141935 A1.

Мембранный слой предпочтительно содержит полимер, выбранный из группы, включающей полисульфон (ПСУ), поливинилхлорид (ПВХ), полиакрилонитрил (ПАН), полиэфир, полиэфирсульфон (ПЭС), полиэфиркетон (ПЭК), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), поливинилиденефторид (ПВДФ), поливинилацетат (ПВАц), поливинилалкоголь (ПВА), полиамид (ПА), поливинлпирролидон (ПВП), ПВП с перекрестной связью, целлюлозу, например ацетат целлюлозы (АЦ) и триацетат целлюлозы (ТАЦ), блочные полимеры поликарбоната, резину, выбранную из группы, включающей силиконовую резину, полиметилпентен, хлоропрен, бутадиен-стирольный каучук, бутадиен-нитрильный каучук, уретан, Hypalone®, неопрен, нитрил, буна, уретан, эпихлорохидрин, Viton®, ЭПДМ или каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, бутил, натуральную резину или латекс, акрилкаучук, фторкаучук и перфорированные эластомеры, а также их композиции/смеси. К другим пригодным для мембраны полимерам относятся хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ), сополимеры акрилнитрила, например, с акрилатом винилхлорида или этилацетата, полиэтиленсукцинат (ПЭСУ), полиуретаны (ПУ), полиимиды (ПИ), полиэфиримиды (ПЭИ) и целлюлозы, например гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), трикарбанилатцеллюлоза (ТКЦ) и композиции/смеси из них, а также их привитые производные, в частности сульфонированные, акрилированные, аминированные и аналогичные перечисленным. Предусмотрена возможность того, что мембранный слой также содержит гидрофильные полимеры, такие как поливинлпирролидон (ПВП), ПВП с перекрестной связью, поливинилалкоголь (ПВА), поливинилацетат, метилцеллюлоза и оксид полиэтилена. Также предусмотрена возможность наличия в составе мембранного слоя гидрофильных неорганических материалов, например ТiO₂, HfO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Zr₃(PO₄)fY₂O₃, SiO₂, материалов из оксидов перовскита и SiC.

Мембранная паста является жидким раствором полимера, содержащим мембранный полимер предпочтительно с вязкостью 1000-100000 при сдвиге 10 c^-1, с вязкостью в диапазоне 10000-50000 с^-1. Мембранная паста содержит мембранный полимер, гидрофильный наполнитель, апротонный растворитель, такой как N-метилпирролидон (МП), N-этилпирролидон (ЭП), N,N-деметилформамид (ДМФ), формамид, диметилсульфоксид (ДМСО), N,N-деметилацетамид (ДМАЦ), тетрагидрофуран (ТГФ), ацетон, триэтилфосфат, а также композиции и стабилизирующий агент, например глицерин. Предусмотрена также возможность включения повышающих гидрофильность и стабилизирующих агентов, таких как глицерин, после завершения процесса фазовой инверсии, но перед этапом осушения. Гидрофильный наполнитель влияет на гидрофильность мембраны и характеристики мембраны при ее засорении. Часто изменение композиции растворителя приводит к смене структуры пленки и, соответственно, рабочих характеристик мембраны. Пленки, сформированные погружением раствора полисульфона-N-метилпирролидона в воду, являются пористыми. Однако предусмотрена возможность получения разных мембранных структур при погружении в воду раствора полисульфона-N-метилпирролидона-тетрагидрофурана.

ИПК мембраны дополнительно содержат дренажную трубку, которая выполнена для извлечения фильтрата из проницаемого канала, как определено в патентных документах WO 2006/0154161 A1, ЕР 1992400 A1 и WO 2008/141935 A1.

Рамное устройство

Предложенный фильтрующий элемент дополнительно содержит рамное устройство, также названное в описании изобретения «рама», обеспечивающее поддержание ИПК мембраны и уплотняющее встроенный проницаемый канал у края мембраны. Рамное устройство содержит первый рамный профиль, указанный ссылочной позицией 1 на Фиг.1-7 или ссылочной позицией 5 на Фиг.8-16, и второй рамный профиль, указанный ссылочной позицией 2 на Фиг.1-7 или ссылочной позицией 6 на Фиг.8-16, каждый из которых имеет форму и размеры, обеспечивающие охват мембраны. В изобретении определены два типа рамных устройств, а именно первый тип рамного устройства, изображенный на Фиг.1-7, и второй тип рамного устройства, изображенный на Фиг.8-16.

Каждый из первого и второго рамных профилей имеет внутренние части, указанные ссылочными позициями 12 и 22 на Фиг.1-7 или ссылочными позициями 52 и 64 на Фиг.8-16, и наружные части, указанные ссылочными позициями 11 и 21 на Фиг.1-7 или ссылочными позициями 54 и 56 на Фиг.8-16. ИПК мембрана (4) вставлена между первым рамным профилем (1 или 5) и вторым рамным профилем (2 или 6) так, что внутренние части находятся в соприкосновении с поверхностью верхнего и нижнего мембранных слоев по периферии мембраны, при этом наружные части обоих рамных профилей находятся в соприкосновении друг с другом, а внутренние части образуют продольный канал (3 или 7), обеспечивающий установку мембраны. Указанный продольный канал (3 или 7) имеет первый и второй выступы (13, 23 или 53, 63), образованные внутренними частями первого и второго рамных профилей, как показано на Фиг.5, 13 или 1.

Ширина (32 или 71, 72) указанного продольного канала (3 или 7) является расстоянием между внутренними частями (12 и 22, или 52 и 62), образующимся при наложении профилей друг на друга описанным выше способом установки мембраны между первым и вторым рамными профилями.

Для первого типа рамного устройства ширина (32) имеет фиксированное значение, равное сумме обеих толщин (30 и 31) первого и второго рамных профилей и совпадающее с толщиной мембраны.

Ширина (71 или 72) для второго типа рамного устройства не имеет фиксированного значения, но предусмотрено ее изменение в большом диапазоне значений. Минимальная ширина не предусмотрена, только максимальная ширина зависит от толщины (70) наружной части первого рамного профиля мембраны, уменьшающейся на расстояние перекрытия поверхностей наружной части (64) второго рамного профиля и наружной части (54) первого рамного профиля, как показано на Фиг.13-16. Минимальное перекрытие поверхностей, как показано на Фиг.13, является необходимым для обеспечения возможности скрепления наружной части (64) второго рамного профиля и наружной части (54) первого рамного профиля способом, при котором обе части прикреплены достаточно прочно друг к другу так, что мембрана остается плотно закрепленной в продольном канале. Указанный широкий диапазон значений для продольного канала (71 или 72) рамного устройства второго типа предпочтителен, так как обеспечивает опору разным типам мембран с разными толщинами за счет использования лишь одного типа рамного устройства. Такое решение, в частности, значительно снижает себестоимость, поскольку необходимо производство только одного типа рамного устройства, пригодного для обеспечения опоры разным типам мембран с разными толщинами в большом диапазоне.

Мембрана (4) закреплена в продольном канале посредством прикрепления внутренних частей (12, 22 или 52, 62) к поверхности каждой стороны мембранных слоев и наружных частей (11, 21 или 54, 64) друг к другу посредством адгезива. Предусмотрен выбор адгезива из любого типа синтетической или природной смолы, термоплавкой смолы, такой как чувствительная к давлению термоплавкая смола, а кроме того, возможно использовать эпоксидную или полиуретановую смолы. Адгезив предпочтительно является композиционным адгезивом, содержащим по меньшей мере два разных компаунда, которые вступают в реакцию друг с другом, обеспечивая тем самым склеивание. Двухкомпонентная полиуретановая смола или двухкомпонентная эпоксидная смола являются наиболее предпочтительными, при этом компаунд, содержащий по меньшей мере две группы изоцианатов, или компаунд, содержащий по меньшей мере две эпоксидные группы, использован как один реактивный компаунд в композиции, которую добавляют для возникновения реакции с компаундом полиола или компаундом полиамина, то есть компаундом, имеющим по меньшей мере две гидроксильные или аминные группы. В варианте изобретения для прикрепления «влажных» мембран, то есть мембран, которые не подвергнуты осушению перед нанесением адгезива, предпочтительно добавление к адгезиву водопоглощающих агентов любого типа из природных или синтетических пористых материалов. Пористый материал предпочтительно является неорганическим силикатом, цеолитом или молекулярным ситом, предпочтительнее молекулярным ситом. Пористый материал предпочтительно имеет размер пор в диапазоне 0,2-0,8 нм, предпочтительнее 0,3-0,5 нм. Пористый материал предпочтительно имеет диаметр частиц менее 0,5 мм, предпочтительнее менее 100 µτη, еще предпочтительнее 0,5-30 µι. Для мембран во влажных состояниях предпочтительно к адгезиву добавлен водопоглощающий агент, например молекулярное сито в количестве 1%-50% по весу, предпочтительнее 5%-40% по весу. Добавление водопоглощающего агента к адгезиву предусмотрено не только для прикрепления внутренних частей рамы к мембранным поверхностям, но также для скрепления наружных частей.

Кромки внутренних частей первого и второго рамных профилей, входящие в контакт с поверхностями мембранных слоев, ближайшие к области мембраны, имеют криволинейную форму, как указано ссылочными позициями 82 и 92 на Фиг.17-18 или ссылочными позициями 102 и 112 на Фиг.19 и 20. Это означает, что кромки выступов (13, 23, 53, 63) канала первого и второго рамных профилей в местах, где поверхность мембраны оказывается в соприкосновении с обеими внутренними частями рамных профилей и ближе всего к фильтрующей части мембраны, имеют криволинейную форму. Следует учесть, что криволинейная форма указанных кромок показана на Фиг.17-20, но не на Фиг.1-16.

Степень скругления указанной криволинейной формы должна быть достаточной, чтобы избежать риска повреждений мембраны при ее опирании в рамном устройстве и/или при ее использовании в процессе фильтрации, в частности при введении очищающего газа снизу в погруженный фильтрующий модуль, а также при обеспечении высокой скорости потока газа крыльчатками или насосами с целью очистки мембран от отложений в зоне мембранной поверхности. Описание данного способа очистки приведено в патентном документе US 2008/827 A1. Этими повреждениями могут быть растрескивание или разрыв в мембранном слое, вызывающие протечку в мембране. Закругление кромки представимо в виде сектора окружности с радиусом R и углом. Указанное закругление при большом радиусе достаточно большое и не наносит повреждений мембранной поверхности. При небольшом радиусе значение данного угла не должно превышать значение угла при большем радиусе, как показано на Фиг.21 и 22. В предпочтительном варианте выполнения значение угла α лежит в диапазоне 3°-120°, предпочтительнее 5°-90°, а значение радиуса предпочтительно лежит в диапазоне 0,5-50 мм, предпочтительнее 1-30 мм, еще предпочтительнее 1,5-20 мм.

Форма и размеры первого и второго рамных профилей при наложении их друг на друга вышеописанным способом совпадают с формой и размерами мембраны так, что первый и второй рамные профили обеспечивают охват мембраны.

Предусмотрено, что рамные профили, обеспечивающие охват мембраны, имеют прямоугольную, квадратную, ромбовидную, треугольную, круговую или полукруговую форму, предпочтительно прямоугольную форму.

В предпочтительном варианте выполнения оба рамных профиля рамного устройства первого типа имеют одинаковую конфигурацию. Такое решение предпочтительно, поскольку требует изготовления лишь одного типа рамного профиля, и этот рамный профиль предусмотрен для использования в качестве как первого, так и второго рамных профилей, что значительно снижает затраты на изготовление рамных профилей. В указанном способе обеспечения опоры мембране и уплотнения ИПК по краям мембраны первый и второй рамные профили являются отражением друг друга и наложены друг на друга с обеспечением закрепления мембраны выступами в продольном канале.

В другом варианте осуществления изобретения предусмотрена возможность того, что первый и второй рамные профили рамного устройства первого типа, каждый из которых имеет вышеуказанную внутреннюю и наружную части, имеют одинаковую или разную конфигурации. Формулировка «одинаковая конфигурация» говорит о том, что существенные свойства одинаковые, тогда как несущественные свойства могут отличаться. Формулировка «разная конфигурация» предусматривает различие указанных двух рамных профилей по существенным свойствам. В частности, к таким существенным свойствам относятся толщина (30) первого рамного профиля, превышающая толщину (31) второго рамного профиля, или поверхность внутренних частей (12) первого рамного профиля, большая, чем поверхность внутренних частей второго рамного профиля, или поверхность наружных частей (11) первого рамного профиля, большая, чем поверхность наружных частей второго рамного профиля (21), или наличие выступов во внутренней части первого рамного профиля, выполненных под отверстия, имеющиеся в наружной части второго рамного профиля.

В варианте осуществления изобретения предложен способ изготовления фильтрующего элемента, содержащий этапы:

обеспечивают наличие ИПК мембраны (4), как изложено выше;

обеспечивают наличие первого рамного профиля (1 или 5) и второго рамного профиля (2 или 6), как изложено выше;

устанавливают мембрану (4) на первый рамный профиль так, что мембрана входит в соприкосновение с внутренней частью (12 или 52) первого рамного профиля;

выполняют наложение второго рамного профиля на первый рамный профиль, в котором установлена мембрана, так что мембрана входит в соприкосновение с внутренней частью (22 или 62) второго рамного профиля, а наружные части (11, 21 или 54, 64) первого и второго рамных профилей входят в соприкосновение друг с другом;

наносят адгезив между внутренней частью (12 или 52) первого рамного профиля и одной поверхностью мембраны, между внутренней частью (22 или 62) второго рамного профиля и другой поверхностью мембраны и между наружными частями (11, 21 или 54, 64) первого и второго рамных профилей;

и прикрепляют внутренние части первого и второго рамных профилей к обеим мембранным поверхностям и наружные части первого и второго рамных профилей друг к другу.

Рамное устройство фильтрующего элемента, в частности, пригодно для выполнения опирания ИПК мембраны и уплотнения по краям мембраны за один этап. Уплотнение по краям мембраны образует между двумя мембранными поверхностями встроенный проницаемый канал, обеспечивающий сбор фильтрата в процессе фильтрации. Таким образом, края мембраны необходимо уплотнять по периметру мембраны очень тщательно для предотвращения прохождения текучей среды непосредственно от проницаемого канала или к нему, минуя слой мембраны. Предложенное рамное устройство обладает преимуществом, которое заключается в чрезвычайном удобстве его наложения на мембрану, в результате чего происходит уплотнение краев по периметру мембраны за счет ее прикрепления в указанном продольном канале, то есть за счет прикрепления внутренних частей к мембранной поверхности и скрепления наружных частей. Наличие рамного устройства придает надежность уплотнению краев и предотвращает риск возникновения протечек, в частности, если крепление всех рамных профилей друг к другу и к мембране выполнено посредством адгезива, предпочтительнее посредством двухкомпонентной полиуретановой или эпоксидной смолы, как изложено выше.

Высококачественное уплотнение предпочтительно, так как в процессе фильтрации и обратной промывки возможно использование высокого давления.

Высококачественное уплотнение краев за счет наличия рамного устройства предпочтительно, так как обеспечивает возможность формирования внутреннего контурного канала (24 или 55) во внутренней боковой части рамного устройства при образовании промежутка между прикрепленной к внутренним частям ИПК мембраной и наружными частями рамных профилей. Этот дополнительный внутренний проницаемый канал соединен с внутренним проницаемым каналом и с дренажным отверстием или трубкой. Указанное дренажное отверстие или трубка на чертежах не показаны. Этот дополнительный внутренний проницаемый канал обеспечивает увеличение потока жидкости с фильтратом, обусловливая снижение потерь давления у проницаемой стороны мембраны, и, соответственно, дополнительно уменьшает засорение. Наличие дополнительного внутреннего проницаемого канала предпочтительно, так как при обратной промывке увеличена скорость обратного потока фильтрата во встроенный проницаемый канал, что ускоряет процесс обратной промывки и делает его более эффективным.

Предложенное рамное устройство обладает преимуществом, которое заключается в повышении прочности и жесткости гибкого фильтрующего элемента, в котором трехмерная прокладочная ткань использована в качестве опоры. Благодаря повышенной прочности межмембранное расстояние мембран меньше подвержено воздействию направленного вверх потока воздуха, например, в фильтрующем модуле. Это означает, что в процессе фильтрации снижена вероятность возникновения малых межмембранных расстояний и, таким образом, снижена тенденция к засорению или повреждению мембранных слоев.

Дополнительное преимущество предложенного фильтрующего элемента заключается в возможности его использования в виде модульного фильтрующего устройства, в котором обеспечена легкость установки фильтрующих элементов в модуль, а также легкость и быстрота замены одного фильтрующего элемента на другой фильтрующий элемент при его неэффективной работе, обусловленной протечкой или большим засорением.

Рамный профиль с принимающей адгезив канавкой на внутренней и/или наружной части

В другом варианте осуществления изобретения, когда внутренние части рамного профиля рамных устройств первого и второго типа прикреплены к поверхностям мембраны посредством адгезива, эти внутренние части выполнены по меньшей мере с одной принимающей адгезив канавкой, то есть канавкой для сбора излишка адгезива, нанесенного на внутреннюю часть или мембранную поверхность. В предпочтительном варианте осуществления изобретения принимающая адгезив канавка (121, 141, 161, 171) находится на стороне, подлежащей креплению к мембранной поверхности, рядом с ближайшим к фильтрующей области мембраны местом нанесения адгезива. Отметим, что на Фиг.23-26 на каждой части показаны две принимающие адгезив канавки, а также одна канавка под адгезив.

Преимущество наличия принимающей адгезив канавки заключается в возможности предотвращения загрязнения фильтрующей области мембраны распределяющимися в процессе прикрепления излишками адгезива и снижения в результате этого загрязнения фильтрующей способности мембранного фильтра, а также в возможности предотвращения загрязнения криволинейной кромки на внутренней части, повышающего риск повреждения мембранного слоя у этой кромки. Для того чтобы вместить излишек адгезива, объем канавки предпочтительно превышает объем излишка адгезива. В предпочтительном варианте выполнения глубина канавки предпочтительно составляет по меньшей мере 0,3 мм, предпочтительнее по меньшей мере 0,5 мм и еще предпочтительнее по меньшей мере 0,8 мм, а ширина составляет по меньшей мере 0,5 мм, предпочтительнее по меньшей мере 1 мм, еще предпочтительнее по меньшей мере 2 мм.

В дополнение к принимающей адгезив канавке, как изложено выше, на внутренних частях рамного профиля возможно выполнение другой принимающей адгезив канавки (122, 142, 162 и 172) на той же стороне, на которой выполнена первая канавка. Эта вторая канавка предпочтительно выполнена рядом, с другой стороны от места нанесения адгезива, как показано на Фиг.23-26. Указанная вторая канавка выполнена по периметру внутренней части рамного профиля, и ее глубина предпочтительно равна по меньшей мере 0,3 мм, предпочтительнее по меньшей мере 0,5 мм и еще предпочтительнее по меньшей мере 0,8 мм, а ширина предпочтительно равна по меньшей мере 0,5 мм, предпочтительнее по меньшей мере 1 мм и еще предпочтительнее по меньшей мере 2 мм. Преимущество указанной второй канавки заключается в предотвращении загрязнения внутренней части рамного устройства излишком адгезива при его распределении во время прикрепления. При перетекании излишка адгезива, имеющегося во внутренней части рамного устройства, на мембрану в направлении ее фильтрующей области он может повреждать или даже блокировать внутренний контурный канал, выполненный у внутренней части рамного устройства, как изложено выше в отношении ИПК мембраны, опирающейся на рамное устройство согласно изобретению.

В другом варианте осуществления изобретения, когда наружные части рамных профилей скреплены адгезивом, по меньшей мере одна из этих наружных частей, но предпочтительно обе, выполнена или выполнены по меньшей мере с одной принимающей адгезив канавкой, то есть канавкой, предназначенной под сбор излишка нанесенного на наружную часть адгезива.

Для первого типа рамного устройства принимающая адгезив канавка (131, 151) выполнена на наружной части у стороны, подлежащей креплению к другой наружной части, рядом с ближайшим к внутренней стороне рамного устройства местом нанесения адгезива (Фиг.23 и 24). Принимающая адгезив канавка выполнена по периметру рамного профиля и как вариант имеет указанные выше глубину и ширину. Преимущество данной канавки заключается в предотвращении загрязнения внутренней части рамного устройства излишком адгезива при его распределении во время прикрепления. При перетекании излишка адгезива из внутренней части рамного устройства на мембрану в направлении фильтрующей области он также может ухудшать пропускную способность мембранного фильтра. В дополнение к этой принимающей адгезив канавке, описанной выше, по меньшей мере на одной из этих наружных частей, но предпочтительно на обеих наружных частях двух рамных профилей, предусмотрено выполнение второй принимающей адгезив канавки (132, 152) рядом, с другой стороны от места нанесения адгезива (Фиг.23 и 24). Предусмотрено выполнение указанной второй канавки по периметру рамного профиля и с указанными выше шириной и глубиной. Наличие второй канавки предпочтительно, поскольку предотвращает загрязнение наружной части рамного устройства излишком адгезива при его распределении во время прикрепления.

Для второго типа рамного устройства, когда наружная часть (54) первого рамного профиля прикреплена к наружной части (64) второго рамного профиля адгезивом, одна или обе наружные части (54, 64) выполнены, по меньшей мере с одной принимающей адгезив канавкой, то есть канавкой для сбора излишков нанесенного на внутреннюю часть адгезива, и предпочтительно принимающая адгезив канавка выполнена на наружной части (64) второго рамного профиля, как показано на Фиг.25 и 26. В предпочтительном варианте выполнения принимающая адгезив канавка (181) выполнена на наружной части второго рамного профиля, рядом с ближайшим к внутренней стороне рамного устройства местом нанесения адгезива (Фиг.25 и 26). Указанная канавка выполнена по периметру второго рамного профиля и, в частности, имеет указанные выше глубину и ширину. Наличие данной канавки предпочтительно, поскольку предотвращает загрязнение внутренней части рамного устройства излишком адгезива при его распределении во время прикрепления. При перетекании излишка адгезива, находящегося во внутренней части рамного устройства, на мембрану в направлении фильтрующей области мембраны он может ухудшить и даже заблокировать внутренний контурный канал, выполненный у внутренней части рамного устройства, как изложено выше в отношении ИПК мембраны, опирающейся на предложенное рамное устройство. Как вариант, в дополнение к этой принимающей адгезив канавке, как изложено выше, предусмотрено выполнение второй принимающей адгезив канавки (182) на той же наружной части, или на другой наружной части, или на обеих наружных частях. В предпочтительном варианте исполнения вторая канавка выполнена рядом, с другой стороны от места нанесения адгезива на наружную часть второго рамного профиля, как показано ссылочной позицией 182 на Фиг.25 и 26. Указанная вторая канавка выполнена по периметру рамного профиля и, в частности, имеет указанные выше ширину и глубину. Наличие второй канавки предпочтительно, поскольку предотвращает загрязнение наружной части рамного устройства излишком адгезива при его распределении во время прикрепления.

Рамный профиль с канавкой под адгезив на внутренней и/или наружной части

В еще одном варианте осуществления изобретения, когда внутренние части профиля прикреплены к мембранной поверхности адгезивом или наружные части скреплены адгезивом, эти части снабжены по меньшей мере одной канавкой (123, 143, 133, 153, 163, 183) под адгезив у стороны, подлежащей креплению к мембранной поверхности, или на другой наружной части (Фиг.23 и 24). При скреплении наружных частей адгезивом по меньшей мере одна из этих наружных частей снабжена канавкой под адгезив. Для рамного устройства первого типа канавка (133, 153) под адгезив предпочтительно выполнена на обеих наружных частях, подлежащих скреплению. Для рамного устройства второго типа канавка (183) под адгезив предпочтительно выполнена на наружной части второго рамного профиля.

Канавки под адгезив на каждой из внутренней или наружных частей предпочтительно выполнены в середине поверхности скрепляющихся частей или около нее, по периметру рамных профилей. Предусмотрен ввод адгезива в указанную канавку, которая, в частности, имеет глубину, равную предпочтительно 0,3-2 мм, предпочтительнее 0,5-1,5 мм и еще предпочтительнее 0,8-1,3 мм, а ширину, предпочтительно равную 1-5 мм, предпочтительнее 2-4 мм и еще предпочтительнее 3-3,5 мм.

Наличие канавки под адгезив предпочтительно, поскольку обеспечено более точное дозирование во избежание нанесения адгезива между двумя поверхностями в недостаточном объеме и для получения равномерного и полного прикрепления или в слишком большом объеме со слишком большим излишком адгезива так, что во время прикрепления распределяется избыточное количество адгезива.

В более предпочтительном варианте выполнения канавка под адгезив объединена с имеющейся по меньшей мере одной принимающей адгезив канавкой, расположенной рядом с указанной канавкой под адгезив, как определено выше для каждой ситуации, предпочтительнее наличие двух принимающих адгезив канавок по обеим сторонам от указанной канавки под адгезив, как определено выше для каждой ситуации. Преимущество указанного объединения заключается в возможности дозирования достаточного количества адгезива для прикрепления, а также в возможности предотвращения загрязнения фильтрующей области мембраны, и/или загрязнения внутренней стороны рамного устройства, и/или загрязнения наружной стороны рамного устройства. В результате обеспечено расширение диапазона дозирования адгезива и ускорение производственного процесса, обеспечивающего мембрану опорным рамным устройством.

Рамный профиль с распоркой на внутренней части

В еще одном варианте осуществления изобретения внутренние части рамного профиля рамных устройств первого и второго типа снабжены по меньшей мере одной распоркой. Распорка (191, 201, 211, 221, 231, 241, 251, 261) (Фиг.27-30) выполнена у стороны, подлежащей прикреплению к мембранной поверхности. Распорка (191, 201, 211, 221), как вариант, выполнена в середине внутренней части или около ее середины, предпочтительно выполнены две, три распорки или ряд распорок. Распорка или распорки выполнены по периметру рамного профиля. Распорка или распорки выполнены за одно целое с внутренней частью рамного профиля, либо предусмотрено их выполнение из другого материала, например, в виде соединительного кольца, или прокладочного кольца, или уплотнительного кольца, предпочтительно из резины или аналогичного резине материала, пригодного для установки на внутреннюю часть рамного профиля.

Наличие распорки предпочтительно, так как обеспечивает возможность закрепления мембраны в рамном устройстве прижатием внутренних частей первого и второго рамных профилей к каждой из сторон мембранной поверхности, при этом происходит зажатие мембраны между распорками первой и второй внутренних частей и обеспечена заделка по периметру мембраны. Предусмотрена фиксация в указанном положении за счет скрепления наружных частей. Дополнительное преимущество использования распорки заключается в улучшении уплотнения мембраны по периметру.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения сторона распорки, которая входит в соприкосновение с мембранной поверхностью при наложении первого и второго рамных профилей друг на друга для обеспечения опоры для мембраны, имеет криволинейную конфигурацию, закругление которой представимо в виде сектора окружности с радиусом R' и углом α'. В предпочтительном варианте выполнения значение угла α' лежит в диапазоне 15°-180°, а значение радиуса R' лежит в диапазоне 1-30 мм, предпочтительнее 2-20 мм, еще предпочтительнее 3-10 мм. Дополнительное преимущество в использовании распорки с указанным закруглением заключается в снижении риска повреждения слоя мембраны в процессе фильтрации и/или процессе обратной промывки.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения распорка (231, 241, 251, 261), как показано на Фиг.29-30, выполнена у кромки внутренней части, ближайшей к фильтрующей области мембраны. Дополнительное преимущество этой конфигурации заключается в том, что описанный выше закругленный край внутренней части рамного профиля заменен распоркой с криволинейной конфигурацией, что снижает риск повреждения фильтрующей мембраны, зажатой между указанными распорками за счет опирания в предложенном рамном устройстве. Закругление указанной изогнутой конфигурации представимо в виде сектора окружности с радиусом R' и углом α', как указано выше.

Фильтрующий элемент с уплотненной внутренней частью на мембране

В предложенном способе изготовления фильтрующего элемента внутренние части рамных профилей согласно изобретению прикреплены к мембранной поверхности адгезивом, как изложено выше. Внутренние части профилей, как вариант, снабжены описанной выше криволинейной кромкой, и/или распоркой, такой как изложено выше, и/или принимающей адгезив канавкой, такой как изложено выше, и/или канавкой под адгезив, такой как изложено выше. В предложенном способе изготовления фильтрующего элемента за счет предложенных рамных устройств обеспечено уплотнение мембраны по краям по всему контуру мембраны, что предпочтительно для ИПК мембран, как изложено выше. Имеется возможность повышения надежности указанного уплотнения за счет дополнительного этапа уплотнения, на котором клейкий компаунд наносят на угол, образованный внутренней частью, прикрепленной к мембранной поверхности, ближайшей к той области мембраны, которая служит для фильтрации жидкости, и фильтрующей областью мембраны. Эти углы (271, 281, 291, 301), как показано на Фиг.31 и 32 для внутренней части с криволинейной кромкой или без нее, но не показано на чертежах для внутренней части с распоркой, возможно уплотнить, заполнив клейким компаундом так, что по меньшей мере участок боковой стенки внутренней части, ближайший к той области мембраны, которая служит для фильтрации жидкости, и небольшая область мембранной поверхности, ближайшая к внутренней части, защищены клейким компаундом. Границы этой небольшой области мембранной поверхности предпочтительно имеют ширину 20 мм, предпочтительнее 10 мм, еще предпочтительнее 5 мм, и длину, соответствующую полному периметру мембраны.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанный компаунд обладает упругими свойствами, так что защищенная указанным компаундом область мембранной поверхности все еще не теряет способность к перемещению в процессе фильтрации. Этот компаунд, в частности, состоит из полимерных компаундов или смол, например из любого типа натурального или синтетического каучука, полиолефинов на основе полиэтилена, полипропилена, полибутена, полидиенов на основе бутадиена, изопрена или силиконов, эластомерных или термопластичных полимеров и аналогичных материалов. Наличие дополнительного уплотнения предпочтительно, поскольку снижает риск повреждений мембраны, например протечек мембраны или даже трещинообразования или разрыва слоя мембраны, в частности, при введении очищающего газа снизу в погруженный фильтрующий модуль, а также при более высокой скорости потока газа, обеспеченной крыльчатками или насосами в поверхностной зоне мембраны с целью очистки фильтрующих мембран от отложений.

Материалы и композиции для рамных профилей

Предусмотрено выполнение рамных профилей устройства согласно изобретению из разных типов синтетических материалов, таких как сополимер акрилонитрила, бутадиен и стирол (АБС), сополимер стирола, полиамид, такой как нейлон, фторсодержащий полимер или такой сополимер, как тефлон, полиэстер, поликарбонат, полиуретан, фенольная смола, поливинилхлорид, сополимер винилхлорида, полимер или сополимер акрилата или метакрилата, в частности, предпочтительным является АБС сополимер. Другие варианты предусматривают выбор материалов из группы металлов, таких, как железо, алюминий или медь, или смесь металлов, содержащая железо, алюминий, медь, никель, хром или цинк, или сплав из нержавеющей стали или латуни. Другие варианты предусматривают выбор из композиционных материалов, состоящих из синтетического материала, армированного металлом или углеродным волокном.

Преимущество рамного устройства согласно изобретению заключается в том, что рамные профили и крепления являются прочными и выдерживающими воздействие обычных очищающих жидкостей, служащих для очистки или восстановления фильтрующей мембраны, таких как KClO, NaClO, например Javel, лимонная кислота, а также тех жидкостей, которые используют при высоком давлении.

Преимущество рамного устройства согласно изобретению заключается в том, что предусмотрено его наложение до или после этапа коагуляции, а также перед осушением мембраны, то есть на влажную мембрану, или после ее осушения, то есть на сухую мембрану.

Преимущество рамного устройства согласно изобретению заключается в обеспечении возможности приложения высокого давления для обратной промывки фильтрующей мембраны, опирающейся на указанное рамное устройство.

Преимущество рамного устройства согласно изобретению заключается в возможности использования собственно рамы повторно для опирания другой фильтрующей мембраны.

В варианте выполнения согласно изобретению предложен фильтрующий модуль, который содержит группу фильтрующих элементов согласно изобретению.

Рамное устройство согласно изобретению предпочтительно, поскольку обеспечивает легкость установки фильтрующих элементов в модуль и легкость их извлечения и/или замены любого фильтрующего элемента другим фильтрующим элементом.

Предусмотрено использование предложенного фильтрующего элемента для микрофильтрации, нанофильтрации, обратного осмоса, мембранной дистилляции, первапорации, разделения газов, иммобилизации биологически активных видов, например, в ферментных мембранных реакторах или биопленочных реакторах, мембранных контракторах, опорных жидкостных мембранах, перстракции, для дегазации воды, аэрации, увлажнения или проникновения пара, управляемого выброса, кондиционирования воздуха, очищения газа/воздуха и аналогичных процессов.

Изобретение относится к фильтрующему элементу. Фильтрующий элемент содержит мембрану с встроенным проницаемым каналом, которая имеет гибкую структуру и содержит верхний и нижний мембранные слои и материал основы для опирания указанных мембранных слоев, при этом указанная основа представляет собой трехмерную прокладочную ткань, имеющую верхнюю и нижнюю тканевые поверхности, соединенные друг с другом и разнесенные монофиламентными нитями на заданное расстояние, и рамное устройство. Рамное устройство служит опорой мембране. Изобретение обеспечивает более длительный срок службы фильтрующих мембран. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 32 ил.

1. Фильтрующий элемент, содержащий
(i) мембрану (4) с встроенным проницаемым каналом, которая имеет гибкую структуру и содержит верхний и нижний мембранные слои и материал основы для опирания указанных мембранных слоев, при этом указанный материал основы представляет собой трехмерную прокладочную ткань, имеющую верхнюю и нижнюю тканевые поверхности, соединенные друг с другом и разнесенные монофиламентными нитями на заданное расстояние, причем каждая из указанных верхней и нижней тканевых поверхностей выполнена по меньшей мере с одним мембранным слоем, образующим указанные верхний и нижний мембранные слои, при этом между указанными верхним и нижним мембранными слоями предусмотрен проницаемый канал, соединенный с выпускным отверстием, обеспечивающим выпуск фильтрата из указанного встроенного проницаемого канала,
и (ii) рамное устройство, служащее опорой указанной мембране и уплотняющее указанный встроенный проницаемый канал у края мембраны, причем указанное рамное устройство содержит первый рамный профиль (1 или 5) и второй рамный профиль (2 или 6), каждый из которых имеет форму и размеры, обеспечивающие охват мембраны,
при этом каждый из указанных первого и второго рамных профилей имеет внутренние части (12, 22 или 52, 62) и наружные части (11, 21 или 54, 64),
причем указанная мембрана (4) вставлена между указанным первым рамным профилем (1 или 5) и указанным вторым рамным профилем (2 или 6) так, что внутренние части находятся в соприкосновении с поверхностью верхнего и нижнего мембранных слоев по периферии мембраны, наружные части обоих рамных профилей находятся в соприкосновении друг с другом, а внутренние части образуют продольный канал (3 или 7), обеспечивающий установку мембраны,
причем кромки внутренних частей, входящие в соприкосновение с поверхностями мембранных слоев, ближайшие к области мембраны, имеют криволинейную форму,
при этом для прикрепления внутренних частей к мембранным слоям и наружных частей друг к другу использован адгезив.

2. Фильтрующий элемент по п.1, в котором указанные внутренние части (12, 22 или 52, 62) указанных первого и второго рамных профилей снабжены принимающей адгезив канавкой, выполненной с возможностью приема излишка адгезива, используемого для прикрепления внутренних частей к мембранным слоям.

3. Фильтрующий элемент по п.2, в котором указанная принимающая адгезив канавка находится рядом с ближайшим к области мембраны местом нанесения адгезива, скрепляющего внутренние части с мембранными слоями.

4. Фильтрующий элемент по п.1, в котором указанные внутренние части (12, 22 или 52, 62) указанных первого и второго рамных профилей, по обеим сторонам от места нанесения адгезива, скрепляющего внутренние части с мембранными слоями, снабжены по меньшей мере двумя принимающими адгезив канавками, выполненными с возможностью приема излишка адгезива.

5. Фильтрующий элемент по любому из пп.1-4, в котором указанные внутренние части (12, 22 или 52, 62) указанных первого и второго рамных профилей снабжены по меньшей мере одной канавкой под адгезив для нанесения адгезива, скрепляющего внутренние части с мембранными слоями.

6. Фильтрующий элемент по п.1, в котором по меньшей мере одна из указанных наружных частей (11, 21 или 54, 64) указанных первого и второго рамных профилей снабжена принимающей адгезив канавкой, выполненной с возможностью приема излишка указанного адгезива, используемого для скрепления наружных частей.

7. Фильтрующий элемент по п.1, в котором каждая из указанных наружных частей (11, 21 или 54, 64) указанных первого и второго рамных профилей снабжена принимающей адгезив канавкой, выполненной с возможностью приема излишка указанного адгезива, используемого для скрепления наружных частей.

8. Фильтрующий элемент по п.6 или 7, в котором указанная принимающая адгезив канавка выполнена рядом с ближайшим к области мембраны местом нанесения адгезива, скрепляющего наружные части.

9. Фильтрующий элемент по п.1, в котором по меньшей мере одна из указанных наружных частей (11, 21 или 54, 64) указанных первого и второго рамных профилей, по обеим сторонам от места нанесения адгезива для скрепления наружных частей, снабжена по меньшей мере двумя принимающими адгезив канавками, выполненными с возможностью приема излишка адгезива.

10. Фильтрующий элемент по п.1, в котором каждая из указанных наружных частей (11, 21 или 54, 64) указанных первого и второго рамных профилей, по обеим сторонам от места нанесения адгезива для скрепления наружных частей, снабжена по меньшей мере двумя принимающими адгезив канавками, выполненными с возможностью приема излишка адгезива.

11. Фильтрующий элемент по любому из пп.1-4, 6, 7, 9, 10, в котором указанные наружные части (11, 21 или 54, 64) указанных первого и второго рамных профилей снабжены по меньшей мере одной канавкой под адгезив для нанесения адгезива, скрепляющего наружные части.

12. Фильтрующий элемент по любому из пп.1-4, 6, 7, 9, 10, в котором в указанном продольном канале вдоль границы мембраны выполнен дополнительный проницаемый контурный канал, обеспечивающий сбор и перемещение извлеченного фильтрата из встроенного проницаемого канала к указанному выпускному отверстию мембраны.

13. Способ изготовления фильтрующего элемента, включающий этапы:
обеспечивают наличие мембраны (4) с встроенным проницаемым каналом по п.1;
обеспечивают наличие первого рамного профиля (1 или 5) и второго рамного профиля (2 или 6) по любому из пп.1-11;
устанавливают мембрану (4) на первый рамный профиль так, что мембрана входит в соприкосновение с внутренней частью (12 или 52) первого рамного профиля;
выполняют наложение второго рамного профиля на первый рамный профиль, в котором установлена мембрана, так что мембрана входит в соприкосновение с внутренней частью (22 или 62) второго рамного профиля, а наружные части (11, 21 или 54, 64) первого и второго рамных профилей входят в соприкосновение друг с другом;
наносят адгезив между внутренней частью (12 или 52) первого рамного профиля и одной поверхностью мембраны, между внутренней частью (22 или 62) второго рамного профиля и другой поверхностью мембраны и между наружными частями (11, 21 или 54, 64) первого и второго рамных профилей;
и прикрепляют внутренние части первого и второго рамных профилей к обеим мембранным поверхностям и наружные части первого и второго рамных профилей друг к другу.

14. Фильтрующий модуль, содержащий группу фильтрующих элементов по любому из пп.1-4, 6, 7, 9, 10.

15. Способ, обеспечивающий повышение давления, приложенного в процессе фильтрации и/или обратной промывки, и уменьшающий риски возникновения протечек в мембране и/или повреждения мембранных поверхностей благодаря опоре мембраны с встроенным проницаемым каналом по п.1 и уплотнению встроенного проницаемого канала у края указанной мембраны посредством рамного устройства по п.1.