[发明专利]一种具有双向透过性的膜元件及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有不同选择性孔通道的膜元件，特别涉及一种具有双向透过性，可针对不同物料同时承担多个不同分离选择性膜分离任务的膜元件，及其在非均相物系选择性双向渗透过程中的应用。

背景技术

膜分离作用是利用膜材料的选择性分离作用来实现的，常见的压力驱动膜分离过程包括微滤、超滤、纳滤等，用以分离含有非均相颗粒及大分子物质的流体，流体中的溶剂和小分子溶质透过膜，大分子或大尺寸颗粒被膜截留。与常规过滤相比，膜过滤具有过滤精度高，节能的特点。

为提高膜元件的渗透性能和单位体积装填的膜面积，膜元件被设计为中空纤维式、毛细管式、管式、平板式、百褶裙式、螺旋卷式以及专利US5873998、US5853582所给出的不规则多通道式。

当物系中存在液相时，由于表面张力的存在，流体在流过小孔径通道时，会因通道尺寸、制造材料的亲/疏水性因素而使过膜压力受到影响，这一影响也会因液相组成和操作条件的不同而产生差异。

在膜元件制备过程中，尽量避免膜分离介质上大孔和小孔的出现、维持足够窄的孔径分布和膜材料的均一性是膜元件选择透过性能的重要保证。因此，除了直接影响择形截留性能的膜孔径大小，膜孔径和膜材料的均一性也成为衡量目前膜元件质量的重要指标。

在目前应用的膜元件中，分离膜介质被设计为流体的选择性分离屏障，屏障的两侧分别为原料侧和透过液侧，在渗透驱动力作用下，目的物只能从原料侧转移至透过液侧，并从透过液侧被收集移出，从而被分离出原有料液以实现回收或脱除目的。在应用过程中，由于膜孔径和膜材料的均一，在单向渗透驱动力作用下，此类膜元件只能同时实现物料从固定不变的原料侧到透过液侧“单向”的渗透作用，膜元件此时只能承担针对一种物料的选择性分离任务。

发明内容

本发明为了有效利用膜元件的选择性渗透作用，提高膜元件的利用效率和使用性能，提出了一种新型具有不同渗透作用孔通道的膜元件，在不改变膜元件外形和总表面积情况下，通过调节不同孔通道的孔径尺寸分布、数量比例、孔通道的微结构和分离介质的材料构成，利用不同物料在不同通道中的透过压差的差异，可以实现分离介质对其两侧不同物料的选择性同时透过，单一的膜元件即可具备双向透过作用，能同时承担针对两种或多种物料的不同分离选择性的膜分离任务。

这里选择性渗透作用孔通道，指的是在操作条件下，对应用物系中特定组分或流体具有选择性渗透作用的孔通道。

针对具体的应用物系和操作条件，通过对不同选择性渗透作用孔通道的平均孔径尺寸、通道微结构和构成材料进行调整，可以控制不同选择性渗透作用孔通道中流体的透过泡压及渗透阻力，利用膜元件分离层两侧流体在不同选择性渗透作用孔通道中的透过泡压及渗透阻力的差异，可以实现膜元件的双向透过性；通过对不同选择性渗透作用孔通道间的数量比例、孔径分布进行调整，可以对膜元件分离层两侧流体的双向透过通量进行控制，进而实现膜元件分离层两侧流体双向渗透过程的平衡与稳定。

因此在不改变膜元件外形结构的情况下，针对不同物料设计不同渗透作用的孔通道并适当调整其比例，将会在一个膜元件基础上实现多任务的双向膜渗透过程。这与此前以提高各渗透孔通道间膜孔径和膜材料的均一性为目的的设计思路是不同的。

其中所述的膜元件包括两种或多种选择性渗透作用的孔通道，该孔通道可以是固定的管状通道；当膜元件包括由粒子堆积形成的动态层时，具有渗透作用的孔通道还可以是由动态膜层形成的“动态”通道。这里的“动态”，指的是由于构成粒子的可压缩性或可迁移性，使膜层内部孔通道微结构在膜元件应用过程中处于的一种有限地可变化状态，这种变化的程度可通过对膜层粒子的堆积密度、粒径分布、构成材料的刚性等影响条件的调整而控制。

其中所述的膜元件针对相同物系，导致不同膜孔通道出现渗透作用差异的原因可以是孔径大小、通道路径等微结构；可以是因构成材料差异导致的孔通道表面荷电性、界面张力等差异；也可以是温度、压力、场作用（电场、磁场、惯性力场等）、物系分布的不均匀性等应用条件的差异。在实际应用中，允许以上多个因素共同作用（如同时对某一类选择性渗透孔通道的构成材料和孔径分布进行调整），以更好地实现和强化流体在选择性渗透作用孔通道中的双向透过性。

本发明具体的技术方案为：一种具有双向透过性的膜元件，其特征在于膜元件的分离层具有不同选择性渗透作用的孔通道，单一膜元件通过不同选择性渗透作用孔通道即可实现膜两侧流体的双向选择性渗透作用。

其中所述膜元件具有支撑层、中间层和膜层中的一层或多层可细化的结构，其中具有主要分离作用的膜层可以位于膜元件的表面、构成中间层或独立构成膜元件的主体。