Спирально намотанная мембрана для опреснения и фильтрации воды и способ её изготовления

011060 Область применения изобретения Настоящее изобретение имеет отношение к изготовлению мембран для опреснения и фильтрации воды. Предпосылки к созданию изобретения Во многих регионах мира опресненная морская вода и опресненная жесткая вода являются единственными источниками питьевой воды. Другим источником воды, который в настоящее время практически не используется, является загрязненная вода из заводов, которая поступает на установки для обработки сточных вод. Эти два вида воды, в лучшем случае, обрабатывают до так называемого состояния воды "речного качества", после чего эту воду спускают в реки и, следовательно, не используют повторно. Известны различные способы опреснения, причем обычно используют полупроницаемый материал,который позволяет воде проходить через него, но задерживает любые оставшиеся твердые частицы и твердую фазу раствора. Опреснению обычно предшествует операция фильтрации, проводимая для того,чтобы удалить основную массу твердых частиц. В таких опреснительных установках используют так называемые "мембраны". Каждая мембрана содержит перфорированный трубчатый сердечник и множество прямоугольных листов, которые прикреплены к нему и затем намотаны вокруг трубчатого сердечника. Каждый лист закрыт вокруг трех кромок и открыт вдоль четвертой кромки. Именно вдоль четвертой кромки лист прикреплен к трубчатому сердечнику. Внутри каждого листа предусмотрена распорка, чтобы исключить его сплющивание. Распорки предусмотрены также и между листами. Подлежащая обработке вода втекает в каналы задержки твердых частиц и твердой фазы раствора между листами, просачивается через материал листов в каналы очищенной воды внутри листов и вытекает из каналов очищенной воды внутрь трубки. Соляной раствор протекает вдоль мембраны от одного конца к другому, задерживаясь в каналах задержки, и вытекает через выпуск солевого раствора. Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной мембраны, предназначенной как для опреснения, так и для фильтрации воды, и создание способа изготовления такой мембраны. Сущность изобретения В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается спирально намотанная мембрана, которая содержит удлиненное полотно материала, которое позволяет воде проходить через него, но препятствует прохождению твердых частиц и/или твердой фазы раствора и которое сложено зигзагообразно, чтобы получить пакет слоев, соединенных друг с другом при помощи противоположных изгибов, а также содержит перфорированную трубку, причем концы образующего пакет полотна прикреплены к трубке, при этом указанный пакет намотан вокруг трубки, причем между слоями имеются распорки, при этом распорки удерживают слои с промежутками друг от друга, чтобы образовать каналы для протекания воды, причем чередующиеся каналы для протекания воды имеют концы, перпендикулярные к указанным изгибам, которые герметично закрыты, при этом указанные чередующиеся каналы закрыты обратными изгибами на своих радиально внешних концах и сообщаются с перфорациями трубки на своих радиально внутренних концах. Спирально намотанная мембрана может дополнительно содержать упрочняющие ленты, которые идут поперек полотна и совпадают с указанными изгибами, причем каждая лента идет на обеих сторонах соответствующего изгиба. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ изготовления спирально намотанной мембраны, который предусматривает зигзагообразное сгибание удлиненного полотна, чтобы получить пакет слоев, с обратными изгибами в полотне между слоями, причем полотно изготовлено из материала, который позволяет воде проходить через него, но препятствует прохождению твердых частиц и/или твердой фазы раствора, введение распорки в зазор между каждым верхним слоем образованного пакета и слоем, который будет сверху размещен на нем, причем указанные распорки вводят поочередно с противоположных сторон пакета, прикрепляют свободные концы верхнего и нижнего слоев пакета к перфорированной трубке и наматывают пакет вокруг трубки. Способ может дополнительно предусматривать осуществление операции нанесения клея вдоль кромок полотна, так чтобы чередующиеся зазоры были закрыты вдоль тех кромок пакета, которые является перпендикулярными к изгибам. Для упрочнения полотна к нему могут быть приклеены ленты, причем ленты идут в направлении ширины полотна и расположены друг от друга с такими промежутками, что когда создают обратные изгибы в полотне в ходе сгибания и образования пакета, части полотна, к которым приклеены ленты, образуют указанные изгибы. Способ может дополнительно предусматривать возвратно-поступательное движение головки вперед и назад в направлении длины полотна и подачу полотна с головки для раскладки последовательных слоев. Для облегчения раскладки слоев способ может предусматривать осуществление операции выдвижения вперед стержней от противоположных кромок полотна, чтобы покрывать тот слой, который в этот момент времени является самым верхним слоем, и операции смещения головки в обратном направлении,-1 011060 для натяжения полотна на стержнях, которые были выдвинуты вперед. Указанные стержни преимущественно имеют вид вращаемых валиков. Краткое описание чертежей На фиг. 1 показано перспективное изображение узла для опреснения воды c использованием обратного осмоса, который содержит цилиндрическую оболочку; на фиг. 2 - продольное диаметральное сечение узла, показанного на фиг. 1, где можно видеть некоторые компоненты, разделенные для упрощения понимания; на фиг. 3 - перспективное изображение с пространственным разделением деталей узла, показанного на фиг. 1, в увеличенном масштабе и в разрезе; на фиг. 4 - перспективное изображение с пространственным разделением компонентов, которые образуют концевую пробку; на фиг. 5 - разрез собранной концевой пробки; на фиг. 6 - конструкция мембраны узла для опреснения воды с использованием обратного осмоса,показанного на фиг. 1; на фиг. 7 схематично показан способ изготовления спирально намотанной мембраны; на фиг. 8 дополнительно показано изготовление спирально намотанной мембраны. Подробное описание изобретения Обратимся сначала к рассмотрению фиг. 1, на которой показан опреснительный узел 10 обратного осмоса, который содержит цилиндрическую оболочку 12 и торцевые крышки 14, только одна из которых видна на фиг. 1. Внутри оболочки 12 (см. фиг. 2 и 3) имеются три расположенные конец к концу спирально намотанные мембраны 16.1, 162 и 16.3 обратного осмоса. Конструкция мембран обсуждается далее более подробно. На фиг. 2 и 3 показано, что каждая из мембран 16.1, 16.2 и 16.3 содержит трубчатый сердечник 18, с листами 20 полупроницаемого материала, намотанными вокруг него. Выше по течению от каждой мембраны 16 имеется пластина 22 распределителя потока. Пластины 22 описаны более подробно в публикации WO 97/21630. Две короткие трубки 24 соединяют три трубчатых сердечника 18 конец к концу, так что вода, которая просочилась через полупроницаемый материал листов 20, может протекать на выходной конец трубчатого сердечника мембраны 16.1. Пробка 26 закрывает тот конец трубчатого сердечника 18 мембраны 16.3, который удален от трубки 24, которая соединяет трубчатый сердечник мембраны 16.3 с трубчатым сердечником мембраны 16.2. Оболочку 12 изготавливают с использованием удлиненной оправки (не показана), которая имеет конусность от одного конца к другому концу, которая облегчает съем оболочки 12 с оправки. Для дополнительного облегчения съема оболочки, оправка может быть изготовлена из стали, которая хромирована для получения гладкой поверхности. Для изготовления оболочки 12 образуют смесь двух компонентов отверждаемой смолы. Эта смесь смолы при нанесении или напылении на поверхность оправки образует слой. Смола после отверждения имеет некоторую упругость, так что она может быть растянута в направлении длины оболочки, а также обладает памятью, так что после растяжения она возвращается к своей исходной длине. Ровинги стекловолокна сматывают с одного или нескольких барабанов, пропускают через ванну смолы и затем через ракели для удаления избытка смолы. Ванна и ракели образуют наматывающую головку (не показана). Свободные концы ровингов прижимают к липкому слою смолы на оправке, так что они прилипают к нему. Оправку затем вращают для сматывания ровингов с барабанов, причем одновременно наматывающая головка совершает возвратно-поступательное движение вперед и назад вдоль оправки, так что ровинги распределяются по всей длине оправки. После намотки части толщины оболочки с использованием покрытых смолой ровингов наматывают витки электрического провода (не показан) на часть образованной оболочки. Затем продолжают процесс намотки с использованием покрытых смолой ровингов. Таким образом, витки электрического провода будут заделаны в материал оболочки. Функция этих витков описана в публикации WO 98/30501. После того, как оболочка получает требующуюся толщину стенки, ее покрывают снаружи с использованием гелиевого покрытия, чтобы получить необходимую чистоту поверхности. Подходящими материалами для оболочки являются следующие: Внутренний слой (вкладыш) URCO/6414 А+В Ровинги DR 2400tex Смола SP4578 Отвердитель SP4578-1 Два кольца 28, каждое из которых имеет ряд идущих по окружности внешних фланцев 30 (см. фиг. 4 и 5), надевают со скольжением на каждый конец оправки перед началом процесса намотки. Упругий слой идет от одного кольца до другого. Кольца 28 будет заделаны в концы оболочки 12 в процессе намотки. За счет фланцев (выступов) 30, кольца 28 фиксируются стекловолоконным упрочняющим материалом оболочки и становятся неподвижными относительно нее. На фиг. 3 и 4 кольца 28 показаны отдельно от оболочки 12. "Отпечаток" каждого кольца 28 показан внутри оболочки 12. Каждое кольцо 28 также имеет внутреннюю идущую по окружности канавку 32 (см. фиг. 4). Состоящее из нескольких частей (деталей) кольцо 34 (также лучше всего показанное на фиг. 4)-2 011060 плотно вводят в каждое кольцо 28. Каждое кольцо 34 содержит три или четыре дуговидных детали, которые собирают в единое кольцо 34 в соответствующем кольце 28. Каждая деталь каждого кольца 34 имеет внешнее ребро, идущее от одного его конца к другому. Ребра деталей соединяются друг с другом при сборке кольца 34 и образуют идущее по окружности ребро 36, которое входит в канавку 32 кольца 28. Еще одно кольцо 38 плотно вставляют внутрь каждого кольца 34. Кольцо 38 имеет идущие по оси расточки 40, расположенные с (равными) промежутками вокруг его периметра. Куполовидные концевые пробки 42.1, 42.2 закрепляют при помощи винтов 44 на кольцах 38, причем винты 44 проходят через расточки 40 и ввинчиваются в имеющие резьбу глухие отверстия 46 (фиг. 4 и 5) концевых пробок 42.1, 42.2. Концевая пробка 42.1 имеет две проходящие через нее трубки 48 и 50, а другая концевая пробка 42.2 имеет единственную проходящую через нее трубку 52. Применяют следующий порядок сборки компонентов концевой крышки, показанной на фиг. 4 и 5. Концевую пробку 42.2 вводят в конец оболочки 12 и пропускают через заделанное кольцо 28. Затем кольцо 34 собирают внутри заделанного кольца 28, так что ребро 36 входит в канавку 32 и производит захват концевой пробки 42.2. После этого вводят кольцо 38 в собранное кольцо 34 и винты 44 пропускают через кольцо 38 и ввинчивают в имеющие резьбу глухие отверстия 46 концевой пробки 42.2. Кольцо 38 расширяет кольцо 34 и вдавливает ребро 36 в канавку 32. Подлежащую опреснению воду подают при помощи трубы 48 в пространство выше по течению от левой пластины 22, показанной на фиг. 2. Вода, которая вытекает из задерживающих соли каналов мембраны 16.1, протекает через центр одной из пластин 22 и далее втекает в мембрану 16.2, а после этого в мембрану 16.3. Солевой раствор вытекает через трубу 52, а просочившаяся вода вытекает черев трубу 50. Трубка 18 показана с увеличением на фиг. 6, где показаны также два листа 20 мембраны. Показаны две из множества перфораций 54 в трубке 18. Следует иметь в виду, что перфорации 54 идут рядами вдоль трубки 18. Листы 20 изготовлены из полупроницаемого материала, который позволяет воде проходить через него, но препятствует прохождению твердой фазы раствора. Распорка в канале 56 задержки твердых частиц обозначена позицией 58, а распорки в канале 60 опресненной воды (permeate) обозначены позицией 62. Мембрану, показанную на фиг. 6, изготавливают так, как это показано на фиг. 7. Полотно 64 полупроницаемого материала сматывают с барабана 66 и перемещают вперед и назад (слева направо, как это показано на фиг. 7) при помощи совершающий возвратно-поступательное движение головки (не показана), так что полотно образует зигзагообразный пакет из множества слоев 68, 68.1, 68.2, 68.3 и т.д. Ленты 70 наносят на полотно 64 ранее образования пакета. Ранее попадания каждого слоя 68 в пакет, вводят соответствующую распорку 58 или 62. Распорки 58, вводимые с одной стороны, представляют собой распорки для каналов 56 задержки твердых частиц, а распорки 62, которые вводят с другой стороны, представляют собой распорки для каналов 60 очищенной воды. Каждый слой 68 соединяют со смежным слоем 68 при помощи обратного изгиба или изгиба типа"шпильки". Изгибы обозначены позициями 72, 74. Поперечные упрочняющие ленты 70 прикрепляют с заданными интервалами к полотну 64. Ленты 70 идут поперек полотна в направлении его ширины, которое является направлением длины трубки 18. Ленты 70 лучше всего видны на фиг. 6 и их наносят при помощи головки, которая перемещается в направлении длины трубки 18. Клеевые линии наносят на обе зоны кромок полотна 64, на тех поверхностях слоев, которые ограничивают каналы 60. Таким образом, каждый канал 60 закрыт вдоль одной кромки при помощи одного из левых изгибов (обозначенного позицией 74), откуда полотно 64 совершает поворот на кромке пакета,а вдоль двух других кромок при помощи клеевых линий. Каждый канал 60 открыт вдоль его оставшейся кромки, а именно, вдоль кромки, которая обращена к трубке 18. Каналы 56, которые принимают подлежащую обработке воду, открыты с трех сторон и закрыты вдоль одной стороны при помощи чередующихся обратных изгибов (обозначенных позицией 72) в полотне 64. Внутренняя кромка сложенного в пакет полотна 64 открыта наружу, причем передние и задние концы полотна приклеены к трубке 18 вдоль двух смежных линий. Таким образом, высокий процент перфораций в трубке 18 сообщается с каналами 60 пакета. Пакет при этом охватывает трубку 18, а листы 20 выступают радиально наружу. После закрепления переднего и заднего концов указанным образом сложенное в пакет полотно наматывают на трубу 18, как это показано стрелкой А, чтобы образовать мембрану, которую затем вводят со скольжением в оболочку 12. Легко можно понять, что упрочняющие ленты 70 расположены там, где будут образованы обратные изгибы 72, 74 в полотне 64, и предотвращают разрыв намотанной мембраны в местах изгибов, когда воду под давлением подают в оболочку 12. Для облегчения сгибания предусмотрены два набора валиков 76.11 и т.п. и 76.21 и т.п. и два набора-3 011060 валиков 78.11 и т.п. и 78.21 и т.п. (см. фиг. 7 и 8). Валики 76.11 и т.п. и 76.21 и т.п. расположены на противоположных сторонах полотна 64 напротив друг друга, как это показано на фиг. 8. Валики 76.11 и т.п. вертикально смещены друг от друга, также как и валики 76.21 и т.п. Каждый валик в наборе 76.11 и т.п. горизонтально совмещен с соответствующим валиком в наборе 76.21 и т.п. Аналогично, валики 78.11 и т.п. и 78.21 и т.п. расположены на противоположных сторонах полотна 64. Валики наборов 78.11 и т.п. и 78.21 и т.п. также вертикально смещены друг от друга. В вертикальной проекции, показанной на фиг. 8, каждый валик каждого набора 78.11 и т.п. и 78.21 и т.п. находится на уровне, расположенном посредине между смежными валиками наборов 76.11 и т.п. и 76.21 и т.п. После установки самого нижнего слоя 68.1 полотна на место самые нижние валики 76.11 и 76.12 смещают внутрь для перекрытия участков кромки полотна 64. Головка, которая движется для раскладки слоев 68.1 и т.п., затем движется направо (как это показано на фиг. 7). За счет этого полотно 64 натягивается вокруг выдвинутых вперед валиков 76.11, 72.21. После того как головка доходит до конца своего перемещения направо на фиг. 7, но ранее смены направления движения, выдвигаются вперед самые нижние валики 78.11 и 78.21. После смены направления движения головки полотно 64 натягивают на валики 78.11 и 78.21. Следует иметь в виду, что всякий раз, когда головка доходит до конца своего перемещения в том или другом направлении, выдвигаются вперед следующие валики наборов 76.11 и т.п. и 76.21 и т.п., или следующие валики наборов 78.11 и т.п. и 78.21 и т.п. Это обеспечивает правильную (точную) раскладку слоев. Следует иметь в виду, что клеевые линии, которые закрывают кромочные зоны полотна 64, могут быть нанесены внутри валиков соответствующих наборов валиков, как это показано линиями 80 на фиг. 8. Головки (не показаны) для нанесения клея могут быть предусмотрены между барабаном 66 и валиком 82. Альтернативно, клеевые линии могут быть нанесены ближе к кромкам полотна, когда отводят валики соответствующих наборов валиков. Несмотря на то, что вращаемые валики являются предпочтительными, можно также использовать стержни, а преимущественно стержни круглого поперечного сечения, вокруг которых полотно натягивается при помощи головки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Спирально намотанная мембрана, которая содержит удлиненное полотно материала, которое позволяет воде проходить через него, но препятствует прохождению твердых частиц и/или твердой фазы раствора и которое сложено зигзагообразно, чтобы получить пакет слоев, соединенных друг с другом при помощи обратных изгибов, перфорированную трубку, причем концы образующего пакет полотна прикреплены к этой трубке, при этом указанный пакет намотан вокруг трубки, причем между слоями имеются распорки, которые удерживают слои с промежутками друг от друга, с образованием каналов для протекания воды, причем чередующиеся каналы для протекания воды имеют герметично закрытые концы, перпендикулярные к указанным изгибам, при этом чередующиеся каналы закрыты обратными изгибами на своих радиально внешних концах и сообщаются с перфорациями трубки на своих радиально внутренних концах. 2. Спирально намотанная мембрана по п.1, которая дополнительно содержит упрочняющие ленты,которые идут поперек полотна и совпадают с указанными обратными изгибами, причем каждая лента прикреплена на обеих сторонах соответствующего изгиба. 3. Способ изготовления спирально намотанной мембраны, который предусматривает зигзагообразное сгибание удлиненного полотна, чтобы получить пакет слоев, с обратными изгибами в полотне между слоями, причем полотно изготовлено из материала, который позволяет воде проходить через него, но препятствует прохождению твердых частиц и/или твердой фазы раствора, введение распорки в зазор между каждым верхним слоем пакета и слоем, который будет сверху размещен на нем, причем указанные распорки вводят поочередно с противоположных сторон пакета, прикрепляют свободные концы верхнего и нижнего слоев пакета к перфорированной трубке и наматывают пакет вокруг трубки. 4. Способ по п.3, который дополнительно включает в себя операцию нанесения клея вдоль кромок полотна, так чтобы чередующиеся зазоры были закрыты вдоль тех кромок пакета, которые являются перпендикулярными к изгибам. 5. Способ по п.3 или 4, в котором для упрочнения полотна к нему приклеивают ленты, причем ленты идут в направлении ширины полотна и расположены друг от друга с промежутками так, что, когда создают обратные изгибы в полотне в ходе его сгибания и образования пакета, части полотна, к которым приклеены ленты, образуют указанные изгибы. 6. Способ по п.3, 4 или 5, который предусматривает возвратно-поступательное движение головки вперед и назад в направлении длины полотна и подачу полотна с головки для раскладки последователь-4 011060 ных слоев. 7. Способ по п.6, который включает в себя операцию выдвижения вперед стержней от противоположных кромок полотна, чтобы покрывать тот слой, который в этот момент времени является самым верхним слоем, и операцию смещения головки в обратном направлении для натяжения полотна на стержнях, которые были выдвинуты вперед. 8. Способ по п.7, в котором указанные стержни имеют вид вращаемых валиков