[发明专利]用于质量交换、分离和过滤的膜设备和方法

说明书

公开了一种膜设备以及用于制造和使用膜设备的方法。该膜设备可包括提供高的膜表面面积/单位体积的若干个多孔金属膜。该膜设备提供提高吞吐量和选择性的多种运行模式以用于供给流动流和渗透流动流之间的质量交换应用、质量转移应用、分离应用和/或过滤应用。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2013年2月22日提交的标题为“Membrane Device and Processfor Mass Exchange,separation,and Filtration”的第61/768，124号美国临时申请以及2014年2月20日提交的标题为“Membrane Device and Process for Mass Exchange,separation,and Filtration”的第14/185，706号美国申请的优先权。

关于对在联邦政府资助的研究和开发下做出的发明的权利的申明

本发明是在美国能源部授予的合同DE-AC05-76RL01830下由政府支持完成的。美国政府对本发明享有一定权利。

背景技术

低成本、大表面面积的无机膜模块因为同时具有金属材料的独特性能属性和陶瓷材料的独特性能属性而受到长期工业研究。为了容易地展开膜模块，膜模块需要具有一个压缩形式。填充有聚合物膜的常规反渗透(RO)膜可提供每单位体积大的膜表面面积。然而，由于反渗透(RO)膜没有处理扫掠(即，气体)流动流(flow stream)的能力，因此其对于质量转移应用无效。具有圆柱形设计的RO型膜还受通道尺度限制，以至当该膜被放置在真空下时可导致大的压力下降。此外，采用金属管或陶瓷管的常规过滤器具有的膜填充密度通常比聚合物膜低将近一个数量级。此外，螺旋缠绕式RO膜过滤器和板式RO膜过滤器通常分别用于海水淡化和用于在生物反应器中处理废水，提供仅在单流动方向上对单个流动流的过滤。没有过滤器能够同时处理双流动流，这消除了两个流动流之间的质量转移和热量转移(transfer)。并且，设计用于液相过滤的膜过滤器不适合在低压力下或在真空下的汽相分离，其中在低压力下或在真空下压力下降变成一个重要问题。因此，需要为液相分离和汽相分离以及过滤应用提供在最小压力降的情况下具有高质量转移率的新的膜设计。本发明解决了这些需求。

发明内容

本发明包括一种在质量交换、质量转移、热量转移、分离、过滤中获得应用的膜设备(membrane device)。该膜设备可包括堆叠在一起以形成一个膜模块的一个或多个膜盒。每个膜盒可包括一个由选定的材料(例如，金属或塑料)构造的支撑框架。多个多孔金属片膜(porous metal sheet membrane)可被安装到该支撑框架的相应侧。膜盒堆中的膜盒在具有流动通道的所述膜设备的相应侧上提供若干个供给流动槽(feed flowslot)和若干个渗透(或扫掠)流动槽(permeate(or sweep)flow slot)，在运行期间流动通道运输供给流动流(feed flow stream)中的选定的流体或分子横穿膜盒中的所述多孔膜的表面。供给槽可以交叉流流动型态或逆流流动型态运输选定的流体或分子通过该膜设备。在运行期间多孔金属膜为引入到该膜设备的供给流动流中的成分和从该膜设备去除的渗透流动流中的成分提供选定的质量交换。多孔金属膜可包括多种金属和金属合金或由多种金属和金属合金构造。金属和金属合金包括但不限于，例如，镍(Ni)金属、镍铁(Ni-Fe)合金、镍铜(Ni-Cu)合金、不锈钢合金、钛(Ti)金属、钛合金，包括这些多种金属和金属合金的组合。

该膜模块分离或过滤引入到膜设备内的供给流动流中的选定尺寸的粒子或分子。该支撑框架可包括安置在该支撑框架的相应面上的凹陷(depression)，所述凹陷形成该膜设备中的每个膜盒中的供给流动槽和渗透(或扫掠)流动槽。该膜设备的选定侧上的供给槽被定向在与该膜设备的另一侧上的渗透(或扫掠气体)槽成90度的方向上。

多个多孔金属膜可在膜盒的支撑框架上间隔开一个选定距离。这些膜过滤或分离通过该膜设备中的金属膜盒的供给槽引入的供给流中的粒子。