NL1005430C2 - Membraanfiltratiemodule en dergelijke modules omvattend membraanfiltratiesysteem. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Membraanfiltratiemodule en dergelijke modules omvattend membraanfiltratiesys-teem

De uitvinding heeft betrekking op een membraanfiltratiemodule, omvattende een huis, een in het huis opgenomen semi-permeabel membraan met een vloeistofzijde voor het toevoeren van te filtreren vloeistof en een concentraat-5 zijde tegenover de vloeistofzijde, alsmede een het membraan omgevende permeaatruimte, die in verbinding staat met een permeaatafvoerleiding voor het afvoeren van permeaat.

Een dergelijke membraanfiltratiemodule is in het vak bekend. Bij bekende membraanfiltratiesysternen zijn vaak 10 meerdere modules in serie in één behuizing van het systeem of parallel aan elkaar opgesteld. Bij een bekend systeem met in serie geschakelde modules heeft de behuizing aan weerszijden (radiale) toevoeropeningen voor het toevoeren van de te filtreren vloeistof. De modules zijn in de behui-15 zing nauw passend opgesteld, waarbij tussen de modules tussenruimten aanwezig zijn, waarin het concentraat uitstroomt. Deze tussenruimten fungeren eveneens als vloei-stoftoevoerruimten voor een in de stromingsrichting gezien daaropvolgende module. De geperforeerde permeaatafvoerlei-20 ding strekt zich centraal door elke module en door de tussenruimten uit, waarbij de in de tussenruimten gelegen delen van de permeaatafvoerleiding geen perforaties bevatten of de perforaties in die delen zijn afgedicht. Aan beide zijden van de behuizing van het systeem treedt deze 25 afvoerleiding axiaal naar buiten toe. In het huis van de module bevindt zich een semi-permeabel membraan, zoals een bundel holle vezels, een aantal holle vezelvliesbuizen of een tot een spiraal gewikkeld membraanpatroon. De permeaatruimte is de ruimte rondom het membraan, die door het huis 30 wordt begrensd. Deze bekende systemen worden toegepast met voor microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie of voor omgekeerde osmose geschikte membranen.

Gebleken is dat indien het membraan uit holle vezels of vezelvliesbuisjes met een glad buitenoppervlak bestaat, de 1005430 2 vloeistofstroming tussen de holle vezels en/of vezelvlies-buizen door en/of door de perforaties van de permeaataf-voerleiding wordt geremd ten gevolge van het naar binnen toe steeds sterker wordende radiale transport van permeaat 5 naar de centrale permeaatafvoer, en aldus de filterwerking van het systeem afneemt. Bij bekende modules zijn daartoe voorzieningen getroffen, die het radiaal transport van permeaat bevorderen. Deze voorzieningen hebben echter het nadeel, dat ze moeilijk te vervaardigen zijn en ruimte 10 innemen, die anders voor het aanbrengen van membraan gebruikt zou kunnen worden.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een membraan-filtratiemodule te verschaffen, waarmee een goede permeaatafvoer op eenvoudige wijze kan worden verzekerd en bovenge-15 noemde nadelen worden ondervangen.

De membraanfiltratiemodule van het hierboven beschreven type volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de wand van het huis één of meer naar de vloeistofzijde en concen-traatzijde gesloten longitudinale kanalen omvat, welke 20 kanalen in open verbinding staan met de permeaatruimte.

Bij de filtermodule volgens de uitvinding kan het permeaat behalve naar de centrale permeaatafvoer tevens naar de buitenmantel worden afgevoerd. Hierdoor is het (van buiten naar binnen gerichte) radiale transport van vloei-25 stof door de bundel vezels of vezelvliesbuizen aanzienlijk kleiner, waardoor direkt op elkaar persen van de bundel en remming van de vloeistofstroming wordt voorkomen. Bovendien blijft het gehele inwendige volume van het huis beschikbaar voor het opnemen van het membraan, zodat het effectieve 30 membraanoppervlak niet door de aanwezigheid van de aanvullende permeaatkanalen wordt verminderd. Het huis is op gebruikelijke wijze uit kunststof of metaal vervaardigd. Een belangrijk voordeel van een huis met inwendige wandkanalen uit kunststof is dat een dergelijk huis gemakkelijk kan 35 worden geproduceerd met behulp van geschikte extrusietech-nieken (zie bijvoorbeeld NL-A-7500368) en met eenvoudige technieken verder kan worden bewerkt teneinde de verbinding tussen de kanalen en het inwendige te vormen. Daarnaast is een dergelijke produkt met naar het inwendige toe gesloten 1005430 3 kanalen reeds als standaardbuis in de handel verkrijgbaar in voor toepassing als modulehuis geschikte standaardmaten. Hierbij fungeren de holten in de wand echter niet als stro-mingskanalen voor het doorleiden van een vloeistof, maar 5 zijn deze aangebracht teneinde een gewichtsbesparing te geven. Een voorbeeld daarvan zijn (PVC-)buizen, die onder de merknaam "WAVIHOL” door Wavin op de markt worden gebracht. De afmetingen van deze holten zijn voldoende groot om als permeaatkanalen te dienen. De vorm, het aantal en de 10 positie van de kanalen in de wand van het huis zijn niet kritisch. Ronde, vierkante, rechthoekige, zeshoekige en ovale vormen behoren tot de mogelijkheden. Gebruikelijk zijn meerdere kanalen aanwezig, die regelmatig over de wand zijn verdeeld. De verbinding tussen de kanalen en het in-15 wendige kan eenvoudig in de bekende buis tot stand worden gebracht door bijvoorbeeld de binnenwand daarvan gedeeltelijk open te frezen of deze wand in te boren tot aan de kanalen. Bij gebruik van de kanalen als permeaatkanalen staan deze op doelmatige wijze niet in verbinding met de 20 vloeistofzijde en concentraatzijde van de module, maar zijn deze naar de vloeistofzijde en concentraatzijde afgesloten. Teneinde het permeaat verder af te voeren, dat zich in de kanalen bevindt, staan deze kanalen aan één of beide uiteinden daarvan, met voordeel het aan de concentraatzijde 25 gelegen uiteinde, in verbinding met een permeaatafvoerleiding. Wanneer de totale capaciteit van deze permeaatkanalen groot genoeg is, kan een centrale permeaatafvoerleiding voor de filterwerking zelfs overbodig zijn. In dat geval staan de kanalen bij voorkeur in verbinding met een buiten 30 het huis aanwezige permeaatverzamelleiding via afvoerope-ningen in de buitenwand van het huis. Voor het spoelen van de module is de aanwezigheid van de centrale permeaataf-voerleiding echter gunstig.

Bij een verdere uitvoeringsvorm van de membraanfiltra-35 tiemodule volgens de uitvinding omvat de wand van het huis eveneens één of meer spoelkanalen met openingen aan beide uiteinden daarvan. Deze uitvoeringsvorm is in het bijzonder geschikt voor toepassing in een membraanfiltratiesysteem met in serie geschakelde filtratiemodules binnenin één 1005430 4 behuizing.

Tijdens het filtreren (scheiding, zuivering of concen-trering) zetten zich verontreiningingen uit de vloeistof op het membraan en in de tussenruimten af, waardoor de werking 5 van het systeem verslechtert. Teneinde de filtreerdoelma-tigheid van een dergelijk systeem op een aanvaardbaar niveau te houden, worden de modules periodiek gespoeld. Bij deze spoelbewerking wordt gebruikelijk spoelvloeistof via de permeaatafvoerleiding in de modules door het membraan 10 heen terugspoelend en in de tussenruimten ingebracht teneinde afgezette verontreinigingen te verwijderen. Daarbij bestaat echter het gevaar, dat in de tussenruimten aanwezige verontreinigingen, waarvan de afmetingen door bijvoorbeeld agglomeratie zijn gegroeid tot deeltjes, waarvan 15 tenminste één dimensie groter is dan de opening van de vezels of buisjes van het membraan, de toegang tot het membraan voor verontreinigingen met kleinere afmetingen blokkeren en aldus geen goede spoelbewerking kan worden uitgevoerd. Bovendien kunnen deze grote agglomeraten dan 2 0 zelf niet via het membraan uit het systeem worden verwijderd.

Bij de hierboven beschreven uitvoeringsvorm zijn met het oog op de spoelbewerking één of meer spoelkanalen in de wand van het modulehuis zelf aangebracht, waardoor het 25 inwendige van het huis in zijn geheel beschikbaar is voor het semi-permeabele membraan en zodoende de filterwerking niet wezenlijk door de aanwezigheid van dit spoelkanaal of deze -kanalen wordt beïnvloedt. Deze spoelkanalen vormen een open verbinding tussen de vloeistofzijde en de concen-30 traatzijde van de module.

Wanneer de bekende buis als modulehuis wordt toegepast, zijn deze spoelkanalen reeds aanwezig en dient voor het vormen van de permeaatkanalen slechts een aantal van deze kanalen aan beide uiteinden te worden afgedicht en hiermee 35 verbindingen tussen de holten en het inwendige te worden gemaakt.

De aanwezigheid van deze spoelkanalen is echter ook tijdens filtratie zelf gunstig, daar deze de druk aan weerszijden van een module nivelleren. In het membraan 1005430 5 treedt zowel tijdens filtratie als tijdens spoeling een drukval ten gevolge van axiaal vloeistoftransport in het membraan op. Deze drukval is een de afmetingen van de module beperkende factor, die niet zo groot mag worden dat in 5 stroomafwaarts gelegen gedeelten van het membraan de druk zo laag is geworden, dat daar geen of nauwelijks filtratie of terugspoeling optreedt. De spoelkanalen, die een open verbinding (bypass) tussen de beide zijden van een module vormen, zorgen er voor dat de hydrostatische druk aan beide 10 zijden wordt vereffend zonder verlies aan effectief mem-braanoppervlak en de werkdruk in het membraan hoger wordt. Hierdoor is het eveneens mogelijk de lengte van de module te vergroten, hetgeen een economisch voordeel geeft.

Als aanvulling op de permeaatkanalen met de functie het 15 hierboven besproken probleem van remming van de radiale vloeistofstroming te voorkomen kan met voordeel een membraan worden toegepast, dat een eerste membraancomponent met eerste diameter omvat, alsmede een tweede membraancomponent met een tweede diameter, waarbij de tweede diameter 20 groter is dan de eerste diameter. De membraancomponent met relatief grote diameter verhindert het dicht opeen pakken van de andere membraancomponent en zodoende is radiaal permeaattransport gewaarborgd. De membraancomponenten met verschillende diameters kunnen van hetzelfde type zijn, 25 bijvoorbeeld fijne en grove holle vezels of vezelvliesbui-zen met verschillende diameters. Combinaties van verschillende typen zijn eveneens mogelijk, bijvoorbeeld holle vezels als membraancomponent met kleine diameter en vezel-vliesbuizen en/of met textiel gewapende capillairen als 30 tweede membraancomponent met relatief grote diameter, met voordeel bedraagt de diameter verhouding van de eerste membraancomponent ten opzichte van de tweede membraancomponent ten minste 1:2. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de filtratiemodule volgens de uitvinding omvat het membraan 35 bundels holle vezels en holle vezelvliesbuizen. Een voorkeurspositie van de tweede membraancomponent is rondom de omtrek van een centrale permeaatafvoerleiding. Volgens een andere uitvoeringsvorm is de membraancomponent met relatief grote diameter (ook) bij de binnenwand van het huis van de 1005430 6 module opgesteld. Deze laatste uitvoeringsvorm wordt met voordeel toegepast, wanneer de wand van het huis de hierboven besproken permeaatkanalen omvat. Dergelijke rangschikkingen zijn technisch op relatief eenvoudige wijze te rea-5 liseren.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een membraan-filtratiesysteem met een vloeistoftoevoer en permeaataf-voer, dat één of meer membraanfiltratiemodules volgens de uitvinding omvat.

10 De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de volgende tekening, waarin:

Fig. 1 een schematische langsdoorsnede van een mem-braanfiltratiesysteem met meerdere membraanfiltratiemodules volgens de uitvinding is; 15 Fig. 2 een dwarsdoorsnede van de in fig. 1 weergegeven membraanfiltratiemodule is;

Fig. 3 een dwarsdoorsnede van een andere uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is; 20 Fig. 4 een dwarsdoorsnede van een verder gemodificeerde uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is;

Fig. 5 een langsdoorsnede van de in fig. 4 weergegeven uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de 25 uitvinding is; en

Fig. 6 een dwarsdoorsnede van een andere uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is.

In fig. 1 is een schematische doorsnede van een mem-30 braanfiltratiesysteem 1 weergegeven. Dit systeem 1 omvat een behuizing 2 met nabij beide uiteinden daarvan radiale vloeistoftoevoeropeningen 3, respectievelijk 4, die tevens als al dan niet intermitterende spoelvloeistofafvoeropenin-gen kunnen dienen. Nauwkeurig passend in de behuizing 2 35 zijn in het weergegeven systeem 1 een drietal membraanfiltratiemodules opgesteld, waarvan de twee buitenste modules met verwijzingcijfer 5 en de middelste met verwijzingscij-fer 5' is aangeduid. Elke module 5 omvat een huis 6, waarvan de opbouw hierna onder verwijzing naar de overige figu- 1005430 7 ren nader zal worden uitgelegd. In het huis 6 bevindt zich een semi-permeabel membraan 7, bijvoorbeeld een bundel holle vezels of een aantal holle vezelvliesbuizen (weergegeven met dunne horizontale lijnen). De vloeistofzijde van 5 het membraan is met verwijzingscijfer 8 aangeduid, de con-centraatzijde met verwijzingscijfer 9. Tijdens filtratie wordt in de module 5 een te filtreren vloeistof, die via de vloeistoftoevoeropeningen 3 en 4 wordt toegevoerd, gescheiden in een permeaat, dat door het membraan 7 heen in een 10 permeaatruimte 10 dringt, en een concentraat, dat niet door het membraan 7 gaat. Het permeaat stroomt vanuit de permeaatruimte 10 in een gedeeltelijk van perforaties voorziene permeaatafvoerleiding 11. In deze leiding 11 wordt het permeaat uit alle modules 5 verzameld en vervolgens aan één of 15 beide uiteinden van het systeem 1 afgevoerd. Het concentraat stroomt uit de filtermodules 5 in tussenruimten 12 en 13 en vervolgens in de middelste membraanfiltratiemodule 5' voor verdere scheiding en wordt vervolgens door terugspoelen via de concentraatafvoer uit het systeem 1 verwijderd. 20 De uiteinden van het membraan 7 zijn op zich bekende wijze vast bevestigd in het huis 6.

Zoals hierboven is beschreven, bestaat de kans dat tijdens filtratie de holle vezels of vezelvliesbuisjes van het membraan zo op elkaar en tegen een permeaatafvoerlei-25 ding worden geperst, dat de vloeistofstroming van het permeaat in de module wordt geremd.

Volgens de uitvinding omvat het huis 6 van de modules 5 en 5' één of meer permeaatkanalen 21, die in de wand 22 van het huis 6 aanwezig zijn. Deze kanalen 21 staan in open 30 verbinding met de permeaatruimte 10 en zijn aan de vloei-stofzijde en concentraatzijde van de * module afgesloten, zodat de te reinigen vloeistof niet direkt in de permeaatkanalen 21 kan stromen. Zie fig. 2. Bij de in deze fig. weergegeven uitvoeringsvorm wordt deze open verbinding 35 gevormd door een groef 23, die over de gehele omtrek van de binnenwand 24 van het huis is aangebracht. Wanneer de per-meaatstroming door de permeaatafvoerleiding geblokkeerd of geremd is, kan het permeaat door de permeaatkanalen 21 wegstromen. De permeaatkanalen 21 monden aan de concen- 1005430 8 traatzijde uit in een niet-weergegeven verbindingsstuk, dat aan de centrale permeaatafvoerleiding is gekoppeld.

Na verloop van tijd zal het membraan 7 zo vervuild zijn, dat spoeling daarvan noodzakelijk is. Daartoe wordt 5 spoelvloeistof aan de permeaatafvoerleiding 11 toegevoerd, dat door de perforaties in deze leiding in de permeaatruim-te 10 en via het membraan 7, zowel naar de tussenruimten 12 en 13 als de vloeistoftoevoeropeningen 3 en 4 stroomt. In de tussenruimten 12 en 13 opgehoopte verontreinigingen met 10 groter afmetingen dan de openingen van het membraan kunnen echter niet via het membraan 7 worden verwijderd, daar dit vuil te groot is en de toegang tot het membraan 7 ook voor kleinere vuildeeltjes zal blokkeren.

Bij de filtratiemodule volgens de uitvinding kan de 15 verwijdering daarvan op voordelige wijze plaatsvinden met behulp van spoelkanalen 31 (zie fig. 3), die evenals de permeaatkanalen 32 in de wand 33 van het huis 6 van de modules 5 aanwezig zijn. Deze kanalen 31 met voldoend grote afmetingen verbinden de tussenruimten 12 en 13 met de toe-20 voerruimten aan de andere kant (vloeistof zijde) van de membraanfiltratiemodules 5. De ingebrachte spoelvloeistof sleurt de grote verontreinigingen door deze kanalen 31 mee, waardoor een doelmatige reiniging van het membraanfiltra-tiesysteem wordt bereikt. Bij de in fig. 3 weergegeven 25 configuratie wisselen de spoelkanalen 31 en permeaatkanalen 32 elkaar af. Andere configuraties, zoals groepsgewijs (fig. 4), zijn echter ook mogelijk.

De benodigde leidingnetwerken met bijbehorende kleppen en pompen voor de te filtreren vloeistof en spoelvloeistof 3 0 zijn om redenen van eenvoud niet in de tekening weergegeven. Verder wordt opgemerkt dat de tekening niet op schaal is weergegeven.

Een verdere modificatie van de wand van het huis is in fig. 4 en 5 weergegeven. Het huis 6 omvat spoelkanalen 41 35 in de wand 42, die de vloeistofzijde met de concentraatzij-de verbinden, alsmede permeaatkanalen 43, die aan beide uiteinden gesloten zijn, bijvoorbeeld met een stop 44. De kanalen van elk type zijn in de wand 42 gegroepeerd. Voor het afvoeren van permeaat uit de permeaatruimte is een 1005430 9 groef 45 in de binnenwand 46 van het huis 6 voorzien. Deze groef 45 strekt in de weergegeven situatie zich over de helft van de binnenomtrek uit en heeft een diepte tot aan de permeaatkanalen 43. Verder staan de permeaatkanalen 43 5 via afvoeropeningen 47 in de buitenwand 48 van het huis 6 in verbinding met een niet-weergegeven permeaatverzamelleiding, die rondom het huis 6 is gelegen. In fig. 5 is slechts één groef 45 getekend. De vakman zal echter begrijpen, dat gebruikelijk meerdere groeven verdeeld over de 10 lengte van het huis 6 aanwezig zullen zijn.

In fig. 6 is een dwarsdoorsnede van een verdere uitvoeringsvorm van een module volgens de uitvinding weergegeven. Rondom de centrale permeaatafvoerleiding 11 zijn een aantal holle vezelvliesbuizen 61 opgesteld teneinde radiaal vloei-15 stoftransport vanaf bundels holle vezels 62 naar de perme-aatafvoerleiding 11 zeker te stellen. Wanneer de wand van het modulehuis 6 eveneens permeaatkanalen (niet weergegeven) omvat, zijn met voordeel ook holle vezelvliesbuizen 63 bij de binnenwand van het huis 6 opgesteld teneinde vloei-20 stoftransport naar deze permeaatkanalen te verzekeren. De diameter van de holle vezelvliesbuizen is relatief groot (ongeveer 5 mm) ten opzichte van die van de bundel holle vezels, zodat een dichtste stapeling daarvan - de oorzaak van een radiale vloeistof remming - wordt verhinderd. Ver-25 der dragen deze holle vezelvliesbuizen met grotere diameter bij aan het nivelleren van de druk aan weerszijden van de module en aan het verwijderen van opgehoopte verontreinigingen uit de tussenruimte door middel van spoelen.

1005430

Claims (10)

1. Membraanfiltratiemodule (5), omvattende een huis (6), een in het huis (6) opgenomen semi-permeabel membraan (7) met een vloeistof zijde (8) voor het invoeren van te filtreren vloeistof en een concentraatzijde (9) tegenover de 5 vloeistofzijde (8) , alsmede een het membraan (7) omgevende permeaatruimte (10), die in verbinding staat met een perme-aatafvoerleiding (11) voor het afvoeren van permeaat, met het kenmerk dat de wand (22; 33; 42) van het huis (6) één of meer naar de vloeistofzijde (8) en concentraatzijde (9) 10 toe gesloten kanalen (21; 32; 43) omvat, welke kanalen (21; 32; 43) in verbinding staan met de permeaatruimte (10).

2. Module volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de binnenwand (24: 46) van het huis (6) gedeeltelijk is voor- 15 zien van een groef (23; 45), waarvan de diepte tot aan de kanalen (21; 32; 43) reikt.

3. Module volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat tenminste één van de aan de kopse kanten gelegen uiteinden 20 van de kanalen (21; 32) in verbinding staat met de perme-aatafvoerleiding (11) .

4. Module volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de kanalen (4 3) in verbinding staan met een buiten het huis 25 (6) aanwezige permeaatverzamelleiding via afvoeropeningen (47) in de buitenwand (48) van het huis (6).

5. Module volgens één van de voorgaande conclusies 1-4, met het kenmerk dat de wand (22; 33; 42) van het huis (6) 30 eveneens één of meer spoelkanalen (21; 31; 41) met openin-gen aan beide kopse kanten omvat.

6. Module volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het membraan (7) een eerste membraancompo- 35 nent met eerste diameter omvat, alsmede een tweede mem-braancomponent met tweede diameter, waarbij de tweede diameter groter is dan de eerste diameter. 1005430

7. Module volgens conclusie 6, met het Kenmerk dat in de permeaatruimte (10) holle vezelvliesbuizen (61; 63) met grote diameter en bundels holle vezels (62) zijn opgesteld.

8. Module volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk dat de tweede membraancomponent rond de omtrek van de permeaataf-voerleiding (11) is opgesteld.

9. Module volgens één van de conclusies 6 of 8, met het 10 kenmerk dat de tweede membraancomponent bij de binnenwand van het huis (6) is opgesteld.

10. Membraanfiltratiesysteem (1) met een vloeistoftoevoer (3, 4) en een permeaatafvoer (11), alsmede ten minste 15 één membraanfiltratiemodule (5, 5·), met het kenmerk dat het systeem een membraanfiltratiemodule volgens één van de voorgaande conclusies 1-9 omvat. 1005430