BR102014004981A2 - sistema de purificação de água em multietapas - Google Patents

Abstract

resumo sistema de purificação de água em multietapas um sistema de purificação de água por multietapas é proporcionado, incorporando a recuperação de uma parte de concentrado de efluente associado a uma unidade de osmose reversa primária através de uma unidade de osmose reversa secundária. a descarga de permeado da unidade de osmose reversa secundária é direcionada de volta à alimentação da unidade de osmose reversa primária. isto resulta na redução do volume da água bruta de alimentação necessária à operação do sistema. isto também resulta na redução do volume geral de efluentes de concentrado que necessitam de descarga/descarte e um aumento na geração de produto permeado como porcentagem da água de alimentação de entrada. ?? ?? ?? ?? 1/1

Description

"SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS" ÁREA DA INVENÇÃO - Área da Invenção - Geralmente, a presente invenção se refere a sistemas de purificação de água para utilização industrial em geral e, mais particularmente, a um sistema de recuperação de osmose reversa que minimiza os efluentes, bem como o processamento geral de água.

Descrição da Técnica Correlata - Nos muitos sistemas municipais de abastecimento de água ao tratarem suas águas de acordo com a legislação, o tratamento pode ocorrer antes de o produto chegar ao consumidor e então novamente após a ele chegar (quando a água é descartada). Ainda, a purificação da água geralmente acontece próximo aos pontos finais de fornecimento a fim de reduzir os custos de bombeamento e possibilidades de contaminação da água após o tratamento.

As estações de tratamento superficial e tradicional de água geralmente consistem de três etapas: clareamento (separação de partículas como poeira, matérias orgânicas, etc) do fluxo de água; filtração e desinfecção. A adição de produtos químicos (por exemplo: alúmen, cloreto férrico) desestabiliza as cargas da partícula, preparando-a para clareamento, quer pelo assentamento ou flutuação no curso de água. Filtros de areia, de carbono ativado ou antracito repurificam a água sob tratamento, removendo material particulado de tamanho menor. Enquanto outros métodos de desinfecção existem, o método preferido é aquele por meio de adição de cloro. O cloro extermina de forma eficaz as bactérias e a maioria dos vírus, mantendo resíduos para proteção do fornecimento de água através da rede de fornecimento.

De forma crescente nos últimos anos, a conservação de água tem exercido pressão adicional sobre os sistemas de abastecimento de água industrial e municipal. Os objetivos almejados pelos esforços na conservação da água incluem: Sustentabilidade, Conservação de Energia e Conservação dos habitats. De forma geral, a sustentabilidade é identificada como limitação de retirada de água doce de um ecossistema a um determinado limite que não exceda sua taxa natural de reposição. A conservação de energia é atingida através da necessidade decrescente de bombeamento de água, fornecimento e tratamento de efluentes ou águas residuais. A conservação de habitat é atingida pela minimização do uso humano de água a fim de auxiliar na preservação dos habitats de água doce para a vida selvagem local e aves aquáticas migratórias.

Enquanto os objetivos para esforços de conservação de água a nível macro são dotados de benefícios econômicos justificáveis em relação a qualquer sistema único de água municipal o resultado nos esforços de conservação de água podem inevitável e frequentemente levar a um custo aumentado de produção por unidade. O desenvolvimento e operação de infraestrutura fixa em relação a pequena demanda pode levar, bem como realmente tem levado, a aumentos significativos no custo de água municipal tratada e nos custos de gastos com águas de esgoto.

Os consumidores de água industrial e grandes consumidores de águas municipais observam efeitos significativos quanto à operação de suas instalações a partir de tais custos majorados. Fora o simples custo do bem ou serviços, que podem duplicar ou triplicar num curto período de tempo, as limitações que recaem sobre um equilíbrio geral de águas de um aqüífero podem levar a limitações na retirada e descarte. Enquanto o consumidor residencial pode simplesmente deixar de regar o gramado ou de lavar seu carro, em tais situações o consumidor industrial pode enfrentar cortes de produção ou limitações no fornecimento industrial. Em tais cenários, a única maneira de aumento de produção seria o aumento de eficiência no processamento (ou diminuição da água descartada). O aumento da eficiência no processamento de água pode resultar em solução que pode ser eficaz a um processo específico ou fluxo tratado. Para ser eficiente no desenvolvimento de um método geral para aperfeiçoamento da eficiência de purificação da água deve-se levar em consideração que a água pode conter uma diversidade de compostos duros tais como bário, cálcio, magnésio, ferro, sílica, carbonato e bicarbonato, fluoreto e sulfato. E as variações na dureza podem comumente ser encontradas em fontes de água de superfície tais como lagos e rios bem como fontes de água subterrânea tais como águas de poços e aqüíferos, tais como efluentes aquosos industriais e lixiviados de aterro.

Tais águas são frequentemente tratadas através do uso de abrandadores de água na forma de "resinas de troca de íons", abrandadores químicos que utilizam processo de abrandamento com cal fria ou cal aquecida, osmose reversa e membranas de nanofiltração e/ou destilação. A maioria dos consumidores industriais necessita de água tratada que contenha concentrações baixas a extremamente baixa de compostos de dureza e de compostos solúveis inorgânicos com propósito de suprir torres de esfriamento, caldeiras de baixa e alta pressão, trocadores de calor e outras utilizações de processamento. Consumidores como as indústrias farmacêutica e eletrônica, bem como hospitais e laboratórios, necessitam de água extremamente purificada que é quase completamente isenta de compostos inorgânicos.

Os processos de purificação da água relacionados acima envolvem a transferência de impurezas solúveis da água para um leito de resina que deve ser renovado e/ou descartado com alto custo. Ademais, a adição de grande quantidade de produtos químicos pode gerar um volume considerável de lixo químico no caso de abrandamento por cal. No caso de processos osmose reversa ou nanofiltração por membrana, de tecnologia de ponta, no uso de membranas de osmose reversa (RO) ou nanofiltração (NF) serão gerados volumes significativos de concentrados que deverão ser tratados depois ou descartados com alto custo. E, no caso de destilação, existe emprego de alto capital e/ou altos custos de operação.

Embora processos de filtração por membrana, tal como osmose reversa (RO) ou nanofiltração (NF), tenham propiciado meios eficientes e viáveis economicamente para purificar a água, tais processos por membrana na sua forma atual são limitados à porcentagem de água purificada produzida, conhecida como recuperação do permeado ou recuperação de produto. A osmose reversa utiliza uma membrana composta de um filme fino para remoção de sais dissolvidos de uma fonte de alimentação de água. Uma vez que a maioria dos compostos solúveis são separados e concentrados num volume menor, tipicamente 25-50% (e, às vezes, até 75%) do volume, a fonte original de água se torna permeado. A água passa pela membrana, enquanto a maioria dos sais dissolvidos não passa pela membrana. Assim sendo, o volume concentrado na membrana é demasiado grande e de alto custo para descarte, exceto nos casos de dessalinização de água do mar na qual o fluxo concentrado (também denominado fluxo rejeitado) é retornado ao mar, e em outros tipos de aplicações para as quais não existem limites regulatórios sobre quantidades de fluxo rejeitado descartado ou concentração de compostos inorgânicos nela contidos. Adicionalmente, a principal razão por não ser possível recuperação posterior de água purificada originada de membranas RO ou NF é a tendência da formação de plaquetas na superfície das membranas à medida que a concentração de compostos formadores de plaquetas e sais solúveis escassos é aumentada além de seus valores de saturação. Esta disposição de plaqueta frequentemente resulta em perda de produção de água purificada (também conhecida como perda de fluxo de permeado através da membrana) e necessidade eventual de substituição de alto custo de membranas.

Tipicamente, os sistemas de osmose reversa (RO) operam como filtro de fluxo cruzado no qual uma parte da água alimentada passa pela membrana RO (tipicamente 75%), sendo uma parte descartada como efluente (25%). A água alimentada é pressurizada (tipicamente abaixo das graduações de recipientes padrões de pressão, entre 100-600 psi, dependendo da contrapressão (P-l) para proporcionar a força necessária para impulsionar a água através da membrana RO. A força necessária de impulso para produção de um dado volume de permeado é dependente da concentração de sal na água de alimentação e temperatura da água. Após passar pela membrana, o permeado tipicamente se encontra numa pressão relativamente baixa de 10-100 psig (P-3), enquanto o concentrado permanece numa pressão bem mais alta, tipicamente 100-600 psig (P-2). Utiliza-se uma válvula de controle (V-l) para ajuste do fluxo de concentrado e também para reduzir a pressão do concentrado adequada para descarte.

Uma desvantagem do processo de osmose reversa é que a recuperação tipicamente fica limitada a 60-80% tal como calculado pela equação 1: Porcentagem de recuperação = [ (Água de alimentação - Permeado) x 100]/Água de alimentação À medida que o custo da água municipal e industrial e o descarte de afluentes aumentam, a minimização da água de alimentação e do volume de concentrado é de interesse para muitos operadores do sistema RO. E, enquanto o uso de aditivos químicos no abastecimento de água, tais como ácidos para redução do pH e compostos inorgânicos ou orgânicos anti-incrustantes, é praticado no tratamento de água e na indústria de membranas a fim de alcançar algum avanço na recuperação de água e prevenção da formação de plaquetas, tal avanço é limitado uma vez que nenhum anti-incrustante é eficaz em relação a todos os contaminantes e, portanto, não pode proporcionar opções que sejam economicamente viáveis para tratamento do fluxo inteiro de água.

Como conseqüência, existe a necessidade de um aparelho e método para sistema aperfeiçoado de purificação de água para uso industrial em geral ou sob tais condições no qual a otimização de tal sistema de alta eficiência na purificação de água para variáveis operacionais específicas.

RESUMO DA INVENÇÃO É, portanto, um objeto da presente invenção proporcionar um sistema aperfeiçoado de multietapas para purificação de água para utilização industrial em geral. É uma característica da presente invenção permitir o processamento de fontes de águas municipais, fontes de águas industriais, fontes de águas salobras ou estoques de águas terciárias com sistemas de recuperação de osmose reversa que incorporem recuperações com excesso de 80% com a utilização de recuperação secundária no primeiro concentrado.

Descrito de forma resumida de acordo com a presente invenção, é proporcionado um processo de recuperação de parte de águas residuais de um concentrado associado a uma unidade de osmose reversa que reduz o volume geral do concentrado de águas residuais que necessita ser descartado/descarregado pela reutilização do permeado de unidades secundárias de recuperação de concentrado como parte da água de alimentação RO. O fluxo inicial de água de alimentação pode ser prétratado de uma maneira diferentemente convencional como seria em relação a qualquer operação RO (pela filtração ou, de outra forma, remoção de materiais conhecidos por serem prejudiciais à operação por membrana RO). O fluxo de água de alimentação de entrada é então pressurizado e transpassado através de uma membrana RO e separado na forma de um fluxo de permeado primário (por exemplo: produto) e um fluxo concentrado. Após passar pela membrana, geralmente o permeado se encontra numa pressão deveras mais baixa enquanto o concentrado permanece numa pressão bem mais alta. Uma parte desejada do concentrado de pressão mais alta é então direcionada a um conjunto adicional de compostos de membrana de filme fino (membranas concentradas ou membranas secundárias de recuperação). O concentrado é retirado da unidade primária RO acima de uma válvula de controle de fluxo concentrado na qual a pressão tipicamente é de 100-600 psig. As membranas do concentrado ou membranas secundárias de recuperação são dispostas numa fileira de tal forma que a pressão do concentrado é adequada a proporcionar a força necessária para impulsionar o concentrado através da membranas do sistema de recuperação. O permeado produzido por esta segunda etapa do sistema de osmose reversa volta para a alimentação da unidade primária de osmose reversa. Isto alcança uma redução no volume de água bruta de alimentação que é necessária para operação do sistema. Esta taxa de fluxo secundário de concentrado é controlada por uma segunda válvula de controle de fluxo, sendo descartado como água residual. O sistema secundário de recuperação do concentrado é operado a 30-60% de recuperação, dependendo das características da água de alimentação. Esta recuperação é limitada pelos sais solúveis escassos que podem obstruir as membranas de osmose reversa.

De acordo com um modo preferencial, a unidade secundária de recuperação do concentrado RO utiliza pressão que é disponível como parte dos parâmetros normais de operação da unidade primária de RO. Como tal, não é necessário energia adicional para o processo de recuperação.

Uma vantagem da presente invenção é que tal sistema de recuperação do concentrado pode ser aperfeiçoado ou adaptado a unidades de RO existentes, bem como incorporado a novas instalações RO.

Enquanto o modo preferencial da presente invenção é divulgado no contexto de sistemas de purificação de água altamente eficientes no uso industrial em geral, aqueles versados na técnica perceberão que os princípios da presente invenção podem ser aplicados de forma a proporcionar sistemas alternados baseados nos princípios aqui descritos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As vantagens e características da presente invenção serão melhor compreendidas com referência à descrição mais detalhada e reivindicações que seguem, tomadas em conjunto com os desenhos que acompanham, na qual elementos semelhantes são identificados com símbolos semelhantes e nos quais: A figura 1 é um fluxo esquemático de processo de um sistema exemplificativo de osmose reversa para recuperação de um concentrado de acordo com o modo preferencial da presente invenção; A figura 2a é um fluxo esquemático de uma unidade primária exemplificativa de osmose reversa (12) para uso em conjunto com o modo preferencial da presente invenção; A figura 2b é um fluxo esquemático de processo de uma unidade primária exemplificativa de osmose reversa (12) para uso em conjunto com um primeiro modo alternativo da presente invenção no qual uma restrição de permeado primário é modulada ou, de outra forma, controlada de uma maneira que seja proporcional à temperatura ou inversamente proporcional à temperatura do alimentador de entrada de água (16); A figura 3 é um fluxo esquemático de processo de osmose reversa secundária ou unidade (14) de "recuperação de concentrado" para uso em conjunto com o modo preferencial da presente invenção e aqui ilustrado num primeiro modo alternativo àquele ilustrado na figura 1 da invenção preferencial. A figura 3b é um diagrama de fluxo de processo detalhado para um primeiro modo alternado de osmose reversa secundária ou unidade (14) de recuperação de concentrado para uso em conjunto com o modo preferencial ilustrado na figura 1 da invenção preferencial; A figura 3c é um diagrama de fluxo de processo detalhado para o sistema de purificação de multietapas (10) no qual uma osmose reversa secundária ou unidade de recuperação de concentrado (14) para uso em conjunto com a unidade primária de osmose reversa (12), incorporando sistemas in situ para redução de obstrução das membranas de recuperação do concentrado (32). A figura 4 é uma tubulação e diagrama de instrumentação (P & ID) de um exemplo utilizando a presente invenção, tendo uma unidade primária de osmose reversa com uma unidade secundária de osmose reversa para recuperação do concentrado primário; A figura 5 é uma representação esquemática de um típico membro de composto de filme fino (20) de um tipo atualmente disponível do estado da técnica e apto a ser usado em conjunto com a presente invenção; A figura 6A é uma vista frontal em elevação de uma configuração exemplificativa de um sistema de purificação de água de alta eficiência em osmose reversa arranjado em fileira que incorpora os ensinamentos, características e benefícios do modo preferencial da presente invenção; A figura 6B é uma vista traseira elevada da anterior; A figura 6C é uma vista superior plana da anterior; A figura 6D é uma vista lateral esquerda elevada da anterior; e A figura 6E é vista lateral direita elevada da anterior.

DESCRIÇÃO DOS MODOS PREFERENCIAIS

Exemplos de sistemas, métodos, processos e assim por diante serão agora descritos. Na descrição que segue, para finalidade de explicação, numerosos detalhes específicos são informados com o fim de facilitar a plena compreensão dos métodos, sistemas, processos e assim por diante. Pode ficar evidente, contudo, que os métodos, sistemas e assim por diante podem ser praticados sem estes detalhes específicos. Noutros exemplos, estruturas e dispositivos bem-conhecidos são ilustrados na forma de diagrama em bloco a fim de simplificar a descrição.

Na forma utilizada neste pedido, a expressão "membrana semipermeável" ou "membrana de poliamida" se referem às membranas de filme fino composto tal qual membranas de osmose reversa (RO) ou membranas de nanofiltração (NF) utilizadas para purificar água, os íons inorgânicos solúveis como sódio, potássio, cálcio, magnésio, ferro, cloreto, fluoreto, carbonato, bicarbonato, sulfato e sílica são separados pela membrana enquanto se permite que a água se permeie ou passe pela membrana. Estas membranas de filme fino composto geralmente se consistem de três camadas: uma malha de poliéster de suporte, uma camada interna microporosa de polisulfona e uma camada ultra fina de poliamida como barreira na superfície superior.

Na forma utilizada neste pedido, a invenção não se fundamenta exclusivamente num tipo específico ou marca de membrana semipermeável; em vez disto, de forma ampla no uso de quaisquer sistemas existentes ou recentemente desenvolvidos de recuperação de osmose reversa que utilizam uma recuperação secundária no concentrado para alcançar recuperações acima de 80%.

Os designs das membranas podem ser de membranas RO de baixa pressão torcidas de forma espiral ou membranas de RO "água salobra" de alta pressão torcidas de forma espiral ou membranas de RO "água do mar" ou membranas do tipo placa e estrutura ou membranas do tipo disco. Desta forma deve ser óbvia para uma pessoa dotada de conhecimento médio na técnica relevante, com previsão nos ensinamento aqui presentes incorporar novas membranas desenvolvidas aos referidos sistemas.

Tal como utilizado neste pedido, o termo "dureza" da água indica presença na água de íons solúveis monovalentes e multivalentes na solução. íon monovalente geralmente se refere a íons dotados de valência um e geralmente é utilizado para se referir a íons como sodio, potássio, césio, cloreto, fluoreto, nitrato e outros cátions monovalentes da tabela periódica. íons multivalentes geraímente se referem a a íons dotados de valência dois ou mais, sendo geralmente utilizado para se referir a íons como carbonato, fosfato, silicato, sulfato, alumínio, bário, cálcio, magnésio, estrôncio, cromo, cobre, chumbo, níquel, prata, estanho, titânio, vanadio, zinco e outros cátions multivalentes da tabela periódica. A remoção da "dureza" da água tipicamente se refere à separação de íons multivalentes da água ou a prevenção da passagem de íons multivalentes através da barreira enquanto permite que íons monovalentes tais como sódio, potássio, césio, cloreto, fluoreto, nitrato e outros íons monovalentes permanecem na água ou, de outra forma, permeiem através da barreira. Tipicamente, a solubilidade da água destes íons de dureza, quando combinados com certos anions monovaientes, bivalentes ou multivalentes como fluoreto, carbonato, hidróxido, fosfato e sulfato (por exemplo: fluoreto de cálcio, carbonato de cálcio ou magnésio, cálcio ou silicato de magnésio, sulfato de cálcio) é deveras baixa quando comparada a compostos de cátions monovaientes tais como cloreto de sódio, carbonato de sódio ou sulfato de sódio.

Estes compostos de cátions multivalentes são, portanto, denominados "compostos solúveis escassos" e tal denominação será utilizada na presente invenção. O melhor modo de execução da invenção é apresentado nos termos de sua versão preferencial aqui ilustrada no âmbito das figuras. Descrição detalhada das Figuras Com relação à figura 1, um diagrama de fluxo do processo de um sistema exemplificativo de recuperação de concentrado por osmose reversa, geralmente aludido pelo numeral 10, está ilustrado de acordo com a versão preferencial da presente invenção. O sistema (10) inclui uma unidade primária (12) de osmose reversa com comunicação de fluido com, pelo menos, uma unidade secundária (14) de osmose reversa para processamento da descarga de concentrado (22) da unidade primária (12).

Fica antecipado que qualquer entrada de água de alimentação (16) pode ser de qualquer fonte municipal, industrial ou uma fonte terciária que possa ser submetida a prétratamento por quaisquer meios adequados que possam separar de forma eficaz os sólidos em suspensão e evitar obstrução prematura e "obscuridade da superfície" do fluxo abaixo das membranas. Tal como da maneira ilustrada em conjunto com a figura 2a, uma unidade exemplificativa (12) de osmose reversa é ilustrada, sendo um tipo utilizado com outros tipos convencionais de purificação de água que se utilizam de uma membrana (20) de composto de filme fino para remoção dos sais dissolvidos da fonte (16) prétratada de alimentação de água. Com finalidades de habilitar uma pessoa dotada de conhecimentos na técnica relevante a praticar as características e funções da presente invenção quanto ao seu modo preferencial, fica antecipado que uma membrana (20) de composto de filme fino similar àquela fornecida pela Dow Chemical Company ("DOW®), sob denominação comercial FILMTEC™, pode ser utilizada tal como geralmente ilustrado em conjunto com a figura 5.

Ficará igualmente evidente para uma pessoa dotada de conhecimentos comuns na técnica relacionada que a utilização de um lençol de membrana de osmose reversa dotado de tais quantidades e especificações seria uma opção de design apto a modificação ou substituição baseado numa funcionalidade equivalente de fontes alternativas ou fornecedores, em exigências de desempenho industrial único, em dispositivos recentemente disponibilizados ou tecnologias ou coisas assemelhadas. Ao se utilizar membranas de tal marca de composto de filme fino daquele fornecedor, a modelação computadorizada do desempenho de tal membrana sob condições operacionais variáveis pode se tornar uma ferramenta importante para se alcançar decisões de designs sobre configuração do sistema. Uma ferramenta que é bem-conhecida por aqueles que usam os manuais de osmose reversa da DOW® FILMTEC™ é o software designado ROSA (Análise de Sistema de Osmose Reversa - Reverse Osmosis System Analysis).

Este software de design ROSA é constantemente atualizado e evoluído para compatibilizar-se com as necessidades de design do sistema sob novas exigências de operação ou configurações. Dado à inclusão de equivalentes de ampla funcionalidade, pretende-se que a água passe pela membrana (20) enquanto a maioria dos sais dissolvidos não atravessa a membrana (20). Entende-se que estas condições, além de outras configurações operacionais antecipadas pela presente divulgação, possam ser utilizadas para modificar os parâmetros existentes do software design denominado ROSA. Num modo exemplificativo de tais critérios de design não previstos anteriormente, os sistemas (12) de Osmose Reversa (RO) operam como um filtro de fluxo cruzado no qual uma parte da água alimentada passa pela membrana RO (20), tipicamente, um máximo de 75%, e uma parte é descartada na forma de água residual, tipicamente, um mínimo de 25%. A funcionalidade atual do software de design ROSA irá requerer cálculos separados de design para cada recuperação primária ou secundária se feita em série e uma estimativa final de design necessitaria de uma interação de tais condições.

Seria óbvio para uma pessoa dotada de conhecimento comum na técnica relevante à luz da imaginação dos presentes ensinamentos utilizar-se de qualquer sistema equivalente de funcionalidade como um substituto, sendo tal substituição considerada equivalente à presente inovação. O concentrado contém os sais solúveis que não conseguem passar através da membrana (20). O permeado (24) passa pela membrana (20) e é água relativamente pura e também é geralmente considerado como "produto" do sistema (10). A água de alimentação (16) é pressurizada a um nível escolhido como critério de design para operação geral do sistema (10) e membrana (20). Enquanto a pressão (Pl) da água de alimentação tipicamente fica entre 100-600 psig e, preferencialmente, entre 200-400 psig, não sendo a presente invenção dependente de qualquer variação exata de pressão a ser usada, mas apenas utilizada uma pressão de água de alimentação Pl a fim de proporcionar a força exigida para impulsionar a água através da membrana RO (20) com força suficiente de impulso para produção de um dado volume de permeado (24). Deixa-se antecipado que esta pressão PI é dependente, pelo menos, da concentração de sal da água de alimentação, da temperatura da água, das exigências de contrapressão, etc. Todavia, sob qualquer pressão Pl, após passagem pela membrana (20), a pressão do permeado P3 tipicamente é bem baixa, tal como aproximadamente 20-40 psig, enquanto a pressão do concentrado P2 permanece mais alta, tal como entre aproximadamente 100-600 psig e, de preferência, 200-300 psig, dado a este exemplo em específico. Uma válvula (26) de controle é utilizada para ajuste do fluxo (28) final do concentrado primário e também para reduzir a pressão finai do concentrado de forma adequada para descarga.

Enquanto o modo preferencial é adaptável para muitas condições gerais de uso industrial, sabe-se que em muitos locais geográficos pode haver variação sazonal nas condições da fonte (16) de água de alimentação de entrada. Uma das variações sazonais que pode afetar de forma significativa um sistema de purificação de água é a temperatura da água de entrada. À medida que a temperatura da fonte (16) de água de entrada aumenta, passa a existir uma força maior de impulso através da membrana (20) e, como tal, um volume maior de permeado (24) será atingido. Consequentemente, com o intuito de otimizar a eficiência dos sistemas (10) de purificação de água sob tais condições, a inclusão de um mecanismo (25) de restrição do fluxo dentro do fluxo (24) de permeado pode ser desejável tal como ilustrado em conjunto com a figura 2B. Enquanto o referido mecanismo (25) de restrição de fluxo pode ser de qualquer forma dos convencionais de redução de fluxo, quer um orifício de restrição, uma válvula manual ou método similar, com o propósito de proporcionar um mecanismo mais robusto para otimizar a presente invenção, ilustrado aqui se encontra uma válvula (25) moduladora de permeado primário que pode ser modulada de forma inversamente proporcional à temperatura de entrada (Tl) ou diretamente proporcional à pressão de entrada (Pl) ou, de outra forma, modulada com base nas taxas de fluxo medidas do fluxo do permeado primário (27a) ou do fluxo primário de concentrado (27b). Todavia, deve-se notar que uma limitação necessária à operação do sistema de alta eficiência e multietapas de purificação de água (10) no âmbito dos ensinamentos de qualquer um dos modos da presente invenção é a inclusão de alguma forma de limite paralisante de modulação do fluxo para evitar paralisação total simultânea do fluxo primário de permeado (24).

Em qualquer uma das variações das figuras 2A ou 2B, a unidade primária (12) de osmose vai gerar um fluxo final de concentrado que é eventualmente descartado como água residual. Antecipa-se que o fluxo final do concentrado (28) é operado tipicamente a 30-60% (e até 80%) do concentrado total (22), dependendo das características da água de alimentação. A recuperação é limitada pelos sais solúveis escassos que podem obstruir as membranas de osmose reversa. O saldo é desviado como fluxo recuperado de concentrado recuperado (30), sendo direcionado como material de entrada da osmose reversa secundária ou unidade "de recuperação do concentrado" (14). Tal como ilustrado em conjunto com a figura 3a, uma unidade de recuperação do concentrado é nela ilustrada na qual um diversidade de membranas primárias de filme fino de recuperação , aqui ilustradas em número de três em paralelo uma à outra, e juntas estão em série com um recipiente de osmose reversa (33). Tal como ilustrado na figura 3a numa configuração típica, o fluxo recuperado de concentrado (30) é direcionado a um conjunto adicional de membranas de composto de filme fino como RO secundária ou membranas (32) de recuperação de concentrado. Fica antecipado que um número variável de membranas secundárias (32) pode ficar em comunicação por fluido com o fluxo de concentrado recuperado (30) de forma paralela. Para exemplificar isto, três das referidas membranas de recuperação (32) e de filme tal como indicado estão ilustradas em configuração paralela como parte da unidade de recuperação do concentrado (14) da figura 3A. De forma similar, tal como ilustrado na figura 3B, uma configuração alternada, mas equivalente, está ilustrada, na qual um número maior de membranas (32) e recipientes de osmose reversa (33) é utilizado.

Tal como ilustrado em cada modo, a descarga de concentrado de cada membro secundário de recuperação (32) é coletada num distribuidor comum e em comunicação com um recipiente (33) de osmose reversa (com recipientes (33) múltiplos de osmose reversa conectados em paralelo tal como ilustrado em uso e exemplificado na figura 3B). De forma similar, a descarga do permeado de cada um dos membros (32) secundários de recuperação é coletada num distribuidor comum separado e em comunicação numa conexão em comum com a descarga do permeado do recipiente (33) de osmose reversa como um permeado combinado e secundário de recuperação (34).

Em qualquer modo da invenção, o concentrado (30) é puxado da unidade primária de RO para cima em relação à válvula (26) de controle de fluxo do concentrado na qual a pressão preferencialmente fica entre 100-600 psig e, tipicamente, entre 200-300 psig. As membranas (32) de recuperação do concentrado são dispostas numa fileira de tal forma que a pressão P4 do concentrado é adequada para proporcionar a força necessária para impulsionar o concentrado (30) através das membranas (32) secundárias do sistema de recuperação (32). O permeado (34) produzido pelo sistema secundário de recuperação (14) é direcionado de volta à alimentação da unidade primária RO (12).

Isto reduz assim o volume de água bruta de alimentação (16) necessária à operação do sistema. Também aumenta a eficiência geral na produção do produto (permeado primário {24}) e desta forma diminui a pegada geral de uso de água para um dado fluxo de produto. A taxa de fluxo secundário de recuperação do concentrado é controlada por uma válvula (36) de controle de fluxo, sendo descartado como efluente/água residual (40). O sistema secundário de recuperação é tipicamente operado a 30-60% e até 80% de recuperação, dependendo das características da água de alimentação. A recuperação é limitada por sais solúveis escassos que podem obstruir as membranas de osmose reversa. A porcentagem de recuperação é estabelecida caso a caso, dependendo da química da água de alimentação.

Com vistas a controlar esta obstrução e aumentar a recuperação geral através de duração aumentada do ciclo operacional, proteção das membranas secundárias pode ser efetivada in-situ através de diversos meios. Tal como ilustrado na figura 3c, um meio antecipado para diminuir obstrução da membrana pode ser pela injeção direta de um anti-incrustante ou produtos químicos ácidos em concentração relativamente pequena dentro da proporção relativa com a descarga de concentrado primário que funciona como uma entrada secundária em relação à unidade de recuperação de concentrado (14). Tal anti-incrustante pode ser injetado como uma função calculada e controlada, geralmente ilustrada na figura 31, e com base na determinação do índice de Saturação Langelier (às vezes, aludido como índice de Estabilidade Langelier) ou LSIO índice da água dentro do sistema. O índice LSIO é um número calculado utilizado para determinar a estabilidade do carbonato de cálcio da água e numa indicação se a água do concentrado (30) vai se precipitar, dissolver ou se manter em equilíbrio com o carbonato de cálcio. É antecipado que o controlador LSI (31) vai calcular um pH presumível no qual a água do concentrado (30) será saturada em carbonato de cálcio aludido como pHs. O LSI é expresso como a diferença entre o pH real do sistema e o pH de saturação: LSI = pH (medido) - pHs Para um LSI > 0 a água fica supersaturada, tendo tendência a precipitar uma camada/placa de CaC03.

Para um LSI = 0 a água fica saturada (em equilíbrio) com CaC03. Uma camada de CaC03 não é nem precipitada nem dissolvida.

Para um LSI < 0 a água fica subsaturada e tem tendência a dissolver CaC03 sólido.

Se o pH real da água (30) ficar abaixo do pH calculado de saturação, o LSI é negativo e a água tem um potencial de formação de placas bastante limitado. Se o pH real exceder o pHs, o LSI fica positivo, ficando supersaturado com CaC03 a água tem uma tendência a formar camadas. Em índices de valores positivos crescentes, o potencial de camadas aumenta. Na prática, a água com LSI entre -0,5 e +0,5 não vai demonstrar propriedades melhoradas de dissolução mineral ou formação de placas. A água com um LSI abaixo de -0,5 tem tendência notória a exibir habilidades aumentadas de dissolução, enquanto a água com um LSI acima de +0,5 tem tendência a exibir notáveis propriedades aumentadas de formação de camadas/placas.

Também vale a pena notar que o LSI é sensível à temperatura. O LSI se torna mais positivo à medida que a temperatura da água aumenta. O aumento da temperatura pode causar formação de placas e, como resultado, a injeção anti-incrustante pode ser controlada em relação a esta temperatura em elevação e à luz da taxa de fluxo do fluido, pH da água ou condutividade ou outros fatores de adaptação ou fatores calculados a fim de proteger as membranas secundárias (32) contra obstruções.

Tal interrupção na prevenção de obstrução das membranas secundárias (32) pode ser uma atividade importante a fim de maximizar a recuperação geral do sistema inteiro (10) em relação ao tempo total de operação. Uma vez que a interrupção necessária para substituição ou limpeza de membranas obstruídas (32) vai resultar num período de desempenho significativamente diminuído, a minimização do tempo geral de operação em tais eventos pode resultar em aperfeiçoamentos nas recuperações totais num excesso de 80%. Como alternativa a ou em conjunto com a injeção de anti-incrustante modulado, um método adicional de proteção das membranas (30) secundárias de recuperação de concentrado pode incluir um "jato" in situ de fluxo (24) primário de permeado através do sistema (24) secundário de recuperação. Um exemplo de tal "jato" (35) de permeado com limpeza local está ilustrado na figura 3c. Exemplo de Operação Utilizando a Presente Invenção Em operação, a unidade secundária de RO de recuperação de concentrado utiliza pressão que se encontra disponível como parte dos parâmetros operacionais normais de descarga da unidade primária de RO. Não é necessário nenhuma energia adicional para o processo de recuperação. O sistema de recuperação do concentrado tal como de forma tipicamente ilustrada nas figuras 6A-6E pode ser modificado no interior de ou adaptado em unidades de RO existentes e incorporado em novas instalações RO. Ainda, tal como ilustrado em conjunto com a figura 4, um diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID) de um exemplo que utiliza a presente invenção e dotada de osmose primária reversa com recuperação de concentrado é ilustrado a fim de descrever um exemplo não-limitativo de uma configuração que pode ser mantida e o desempenho que pode ser alcançado a partir dos ensinamentos da presente invenção.

As descrições anteriores de modos específicos da presente invenção foram apresentadas para finalidades de ilustração e descrição, não tendo a intenção de serem exaustivos ou de limitar a invenção às formas precisas que foram divulgadas. Muitas modificações e variações são possíveis à luz dos ensinamentos acima. Os modos da invenção foram escolhidos e descritos com o propósito de explicar da melhor forma os princípios da invenção e sua aplicação prática e, desta forma, permitir a outros habilitados na técnica a utilizar da melhor forma a invenção e vários modos dela com várias modificações da forma adequada ao uso específico imaginado. Tem-se a intenção de que o escopo da invenção seja definido pelas reivindicações aqui anexadas e seus equivalentes. Portanto, a abrangência da invenção é para ser limitada apenas pelas reivindicações que seguem.

Reivindicações

Claims (18)

1. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS, sistema de purificação de água caracterizado por: uma fonte de alimentação de água que não seja água do mar; uma unidade primária de osmose reversa dando tratamento a um primeiro abastecimento e dotada de uma descarga de água de permeado formando um fluxo de produto e uma primeira descarga de concentrado; pelo menos uma unidade secundária de osmose reversa com comunicação direta por fluido com a referida primeira descarga de água de concentrado sem quaisquer meios adicionais de bombeamento e no qual pelo menos uma parte da referida descarga de água de concentrado e ainda separada numa segunda recuperação de água de permeado e uma segunda descarga de água de concentrado; um mecanismo de restrição de fluxo no interior da referida primeira descarga de concentrado; e um limite de fluxo e interrupção de modulação para evitar cessação conjunta de descarga do primeiro concentrado no qual toda a referida segunda recuperação de água de permeado fica em comunicação direta de fluido com a referida fonte de água de alimentação não-marítima e, desta forma, compreende o primeiro abastecimento de entrada; e no qual a referida primeira recuperação de água de permeado é capaz de recuperação contínua de, pelo menos, 80% de volume da referida fonte de água de alimentação não-marítima; e no qual materiais inorgânicos solúveis e escassos solúveis permaneçam na solução na referida primeira descarga de água de concentrado e na referida segunda descarga de água de concentrado.

2. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme reivindicação 1, no qual a referida fonte de água de alimentação é caracterizada por ser escolhida de um grupo que consiste de: fontes de água municipal; fontes de água industrial; fontes de água salobra e fontes de águas terciárias.

3. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme reivindicação 2, no qual a referida unidade primária de osmose reversa é caracterizada por compreender, pelo menos, uma membrana de recuperação de filme fino ou membrana de acetato de celulose capaz de operar numa oscilação de hiperfiltração.

4. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme reivindicação 3, caracterizada por ainda compreender: a referida pelo menos uma unidade secundária de osmose reversa compreendendo uma diversidade módulos de membrana composta de osmose reversa disposta de forma paralela, e cada referido modulo de membrana de osmose reversa dotado de uma descarga de água de permeado em combinação uma com a outra e em comunicação por fluido e formando a referida segunda recuperação de água de permeado e no qual cada modulo ainda é dotado de uma descarga de água de concentrado em combinação uma com a outra, formando a referida segunda descarga de água de modulo.

5. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme reivindicação 4, no qual a segunda unidade de recuperação de osmose reversa é caracterizada por ainda compreender, pelo menos, uma etapa adicional de osmose reversa em série para separação do permeado colhido da referida diversidade de módulos de membranas compostas de osmose reversa disposta em paralelo.

6. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 5, no qual a referida é caracterizada por pelo menos uma etapa adicional de osmose reversa ainda inclui uma diversidade de elementos adicionais de osmose reversa.

7. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 1, no qual a unidade primária de osmose reversa é caracterizada por ser operada a uma temperatura numa oscilação de 200-600 psig.

8. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 7, no qual a recuperação do referido concentrado é caracterizado por ser operada a uma pressão que oscila de 150-500 psig.

9. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 1, caracterizada por ainda compreender: um mecanismo de restrição de fluxo no interior da descarga do referido primeiro concentrado; e um limite de parada de modulação do fluxo para evitar cessação total conjunta da descarga do primeiro concentrado.

10. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS Conforme a reivindicação 9, no qual o referido mecanismo de restrição do fluxo é caracterizado por poder ser modulado de forma inversa proporcional à temperatura de entrada ou de outra forma modulado com base nas taxas medidas de fluxo do permeado primário ou fluxo do concentrado primário.

11. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme reivindicação 9, caracterizado por ainda compreender meios para diminuir a obstrução da membrana através de injeção direta de um anti-incrustante ou produtos químicos ácidos em concentração relativamente pequena dentro de e com proporção relativa à descarga do primeiro concentrado.

12. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 11, no qual os referidos meios de diminuição de obstrução da membrana é caracterizado por ainda compreender injeção de anti-incrustante como uma função calculada e controlada com base na determinação do índice Langelier de Saturação da água no interior do sistema.

13. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 10, caracterizado por ainda compreender um sistema para um "jato" in situ do fluxo do primeiro permeado através do sistema de recuperação secundária.

14. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 11, caracterizada por ainda compreender um sistema para um jato in situ do fluxo de permeado primário através do sistema de secundário de recuperação.

15. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS caracterizado por ser um processo para recuperação de parte do efluente de um concentrado associado à unidade de osmose reversa para redução do volume geral do efluente concentrado que necessita descarga/descarte pela reutilização do permeado purificado de unidades de recuperação de concentrados em combinação com uma fonte de água como água de alimentação RO, o referido processo compreendendo: obtenção de uma fonte de água inicial de alimentação; pressurização da referida água de alimentação e passagem da referida água de alimentação através de uma membrana de filme fino composto de osmose reversa capaz de operar na variação de hiperfiltração para criação de um primeiro fluxo separado de permeado e um primeiro fluxo de concentrado; direcionamento do primeiro fluxo de água de concentrado, sem qualquer bombeamento adicional, a um conjunto adicional de membranas de composto de filme fino (membranas de recuperação do concentrado) capaz de operar na variação de hiperfiltração, no qual as referidas membranas de recuperação de concentrado estejam dispostas numa fileira de tal forma que a pressão do concentrado esteja adequada para proporcionar a força necessária para impelir o concentrado através das membranas do sistema de recuperação; e direcionamento de todo o permeado produzido pelo sistema de recuperação do concentrado de volta à alimentação da unidade de RO primária; desta forma, reduzindo o volume água bruta de alimentação necessária para operação do sistema.

16. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 15, no qual o referido primeiro concentrado é caracterizado por ser puxado da unidade de RO primária no sentido ascendente de uma válvula de controle do fluxo de concentrado a uma pressão entre 150-600 psig.

17. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 16, no qual a taxa de fluxo do concentrado é caracterizada por ser controlada por uma segunda válvula de controle de fluxo, sendo descartado como efluente.

18. SISTEMA DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA EM MULTIETAPAS conforme a reivindicação 17, no qual o referido sistema de recuperação de concentrado é caracterizado por ser operado entre 30-60% de recuperação, dependendo das características da água de alimentação da forma limitada por escassos sais solúveis que possam obstruir as membranas de osmose reversa.