[发明专利]用于过滤和选择性分离和回收装置的可调谐分层石墨烯膜配置

说明书

本申请要求于2012年3月29日提交的第61/617,264号美国临时申请的优先权，该美国临时申请通过引用并入本文。

技术领域

一般地，本发明涉及用于过滤和选择性流体分离和回收装置的膜配置设计。具体地，本发明涉及用于过滤或选择性流体分离和回收装置的分层膜配置。更具体地，本发明涉及包括至少一个高通量、高选择性膜的材料的分层配置。这些层可布置为平面、螺旋缠绕、或闭端流或交叉流中的其他替代的多路通道配置中。

背景技术

目前，淡化水的将近一半的线上能力通过反渗透过滤处理来实现。反渗透的市场份额不断增长，但是目前反渗透技术仍然是资本和能源密集型的，并且产品的设计和性能受到目前的聚合物过滤膜的限制。目前对于聚合物过滤的行业标准是八英寸直径乘以四十英寸长度的螺旋缠绕膜，其具有400至440平方英尺的有效膜面积。这些装置在渗透率上收到限制，这转而限制了每单位面积的输出水或通量，并且需要增加的膜面积和操作压力。这些高的膜面积要求和操作压力是膜阻力(即渗透性)以及浓差极化、结垢、污染等的结果。因此，需要频繁地清洁并且最终更换这些过滤装置。与通量和相关膜面积要求有关的限制导致显著的资本成本。对高操作压力装置的需求增加了操作过滤装置所需的能量，并且进一步导致由污染和压缩引起的膜的劣化，这也增加了操作成本。

目前用于反渗透的过滤装置利用八英寸直径乘四十英寸长度的螺旋缠绕设计。过滤介质中有二十至三十四个膜叶，膜叶提供活性膜面积以最大程度地过滤输出。尽管已经对过滤介质进行了改善，但是这些仅是渐进性改善并且没有解决关于有限的通量吞吐率提出的问题或满足对高操作压力的要求。

过滤和/或脱盐的反渗透方法采用利用聚酰亚胺组分的活性过滤层。该技术利用溶液扩散来将进给材料分离成浓缩物和渗透物。在反渗透技术中，易受污染、结垢和压缩的影响。这些材料也具有有限的化学和生物抗性以及有限的清洁方法，这转而涉及对频繁更换过滤装置的需要。

为了保护膜材料，在脱盐之前需要具有鲁棒性的化学调节和预处理作为前端阶段。预处理是资本密集型的并且需要工厂空间、设备、能量和化学品。当前的预处理方法包括传统的过滤和膜过滤。传统的过滤类型包括筒式过滤和介质过滤，例如絮凝、沉积、溶气浮选、硅藻土、颗粒介质、压力过滤器和重力滤器。膜过滤包括浸没式微过滤/超过滤和增压式微过滤/超过滤。

此外，在一些装置中目前状态的反渗透膜需要多个后处理阶段以实现期望的产物水。这些附加阶段需要附加的工厂空间和能量消耗。

因此，在本领域对于过滤装置有必要提供改善的流动特性、减小的尺寸和重量以及增加的使用寿命同时降低或整合对大量预处理和后处理的需要。

发明内容

根据以上所述，本发明的第一方面提供一种用于过滤和选择性分离和回收装置的可调谐的分层膜配置。

本发明的另一方面提供用于过滤或选择性流体分离和回收装置的可调谐的膜配置，其包括外壳，其中该外壳具有位于一端的入口和位于相对端的出口，并具有从入口向出口延伸的开口；保持在开口中的内部支撑结构以及由内部支撑结构承载的分层过滤介质，介质将在入口处接纳的给水分离成至少三个分离的输出流。

本发明的又一方面提供一种根据以上所述的装置，其中过滤介质包括至少三个流通道，并且至少两个不同的平面膜与至少三个通道中的两个相邻设置，膜具有不同的可调谐的选择性，产生有效的孔隙率，以将给水过滤成至少两种排出物/渗透物。

上述实施方式的另一方面提供该装置，其中过滤介质还包括与每个膜相关并由内部支撑结构承载的膜支撑结构。

上述实施方式的另一方面提供该装置，其中至少三个通道中的一个是第一通道，该第一通道在其每侧上具有至少一个第一平面膜。

上述实施方式的又一方面提供该装置，其中至少三个通道中的一个是第二通道，第二通道在一侧上具有膜支撑结构并且在相对侧上具有第二平面膜。

上述实施方式的另一方面提供该装置，其中至少三个通道中的一个是第三通道，该第三通道在其两侧上具有膜支撑结构。

上述实施方式的另一方面提供该装置，其中平面膜由有孔石墨烯材料构成。

上述实施方式的又一方面提供该装置，其中平面膜可通过电荷或功能化调谐以获得增加的选择性通孔尺寸或电荷特性，或者提供能够承载电荷的平面膜，该平面膜以这种方式被控制以破坏膜表面处的浓差极化效应，或者提供平面膜中的一个，用于通过孔隙控制和电荷的结合使用选择性分离或回收给水中的特定目标。