BR112018010206B1 - Aparelho, sistemas, e métodos para purificar um fluido com uma membrana de carboneto de silício - Google Patents

Aparelho, sistemas, e métodos para purificar um fluido com uma membrana de carboneto de silício Download PDF

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Abstract

APARELHO, SISTEMAS, E MÉTODOS PARA PURIFICAR UM FLUIDO COM UMA MEMBRANA DE CARBONETO DE SILÍCIO. A presente revelação refere-se, de acordo com algumas modalidades, a sistemas, aparelhos e métodos para purificação de fluido (por exemplo, água) com uma membrana de cerâmica. Por exemplo, a presente revelação se refere, em algumas modalidades, a uma montagem de filtração de fluido de fluxo cruzado que compreende (a) alojamento de membrana que compreende uma pluralidade de membranas em formato de prisma hexagonal (b) uma entrada configurada para receber o fluido contaminado e para canalizar um fluido contaminado para a primeira extremidade da pluralidade de membranas em formato de prisma hexagonal, e (c) uma saída configurada para receber um permeado liberado da segunda extremidade da pluralidade de membranas em formato hexagonal. A presente revelação também se refere a um módulo de filtração de fluido de fluxo cruzado que compreende uma trajetória de fluido definida por uma câmara de entrada de meios contaminados, uma montagem de filtração de fluido posicionada em uma câmara de permeado e uma câmara de concentrado.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[0001] Este pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório n° U.S. 62/258.274 depositado em 20 de novembro de 2015. O conteúdo do pedido acima está incorporado no presente documento em sua totalidade a título de referência.
CAMPO DA REVELAÇÃO
[0002] A presente revelação refere-se, em algumas modalidades, a um aparelho, sistemas e métodos para descontaminar um fluido (por exemplo, água) com uma membrana cerâmica.
ANTECEDENTES DA REVELAÇÃO
[0003] Visto que quase todas as formas de vida precisam de água para sobreviver, a melhoria da qualidade da água em sistemas de descontaminação tem sido um assunto de interesse significativo. Como resultado, os sistemas de tratamento e técnicas para remoção de contaminantes de fluidos contaminados foram desenvolvidos no passado. As abordagens incluem tratamento de água com a aplicação de vários micro-organismos, enzimas e nutrientes para os micro-organismos na água. Outras abordagens envolvem colocar produtos químicos nos fluidos contaminados, como cloro, em um esforço para descontaminar suprimentos. Entretanto, esses aditivos podem criar mais problemas do que soluções. Algumas abordagens evitam o uso de substâncias químicas ou micro-organismos adicionados usando uma estratégia de filtração e/ou irradiação. Tais sistemas falharam ou não conseguiram compreender seu potencial, de tal modo que os desafios permanecem.
SUMÁRIO
[0004] Consequentemente, há a necessidade de purificação de fluido aprimorada. Por exemplo, há a necessidade de aparelho, sistemas e métodos de purificação de fluido que exibam um desempenho de pressão de transmembrana aprimorado.
[0005] A presente revelação refere-se, de acordo com algumas modalidades, a uma membrana cerâmica que pode compreender: um substrato configurado de modo a ter uma primeira superfície, uma segunda superfície, e corpo; um aglutinante; uma primeira camada de membrana sobre pelo menos uma porção da primeira superfície da membrana; e uma segunda camada de membrana sobre pelo menos uma porção da segunda superfície da membrana; e uma terceira camada de membrana sobre pelo menos uma porção do corpo da membrana, em que a membrana pode ser configurada de modo a ter um fluxo de água limpa de cerca de 2.000 litros por hora por metro quadrado de área superficial da membrana a uma pressão de transmembrana de cerca de 0,13 MPa (20 psi) ou menos. Um substrato pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio, carboneto de silício. Um sistema pode ser configurado de modo a ter uma pressão de transmembrana de cerca de 0,13 MPa (20 psi) ou menos a cerca de 20°C. Um aglutinante pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em tilose, acetato polivinílico, polipropileno, poliacrilato de sódio, carbonato de polipropileno, carboximetilcelulose, amidos, álcool polivinílico, dextrina, emulsões de cera, polietilenoglicóis, lignossulfonatos, parafinas, silicato de sódio, silicato de alumínio e magnésio e bentonita. Um substrato pode ter um tamanho médio de poro de cerca de 3 μm a cerca de 10 μm. Uma membrana cerâmica pode ter um diâmetro de vértice a vértice de cerca de 38 mm a cerca de 90 mm. Uma membrana de cerâmica ser um prisma hexagonal. Uma membrana de cerâmica pode ter um tamanho de vértice a vértice de cerca de 80 mm. Uma membrana de cerâmica ter um comprimento de cerca de 800 mm a cerca de 1600 mm. Uma primeira camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio ou carboneto de silício. Uma segunda camada de membrana pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio ou carboneto de silício. Uma terceira camada de membrana pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio ou carboneto de silício. Em algumas modalidades, até três revestimentos de uma primeira camada de membrana podem estar em contato com pelo menos uma porção de uma primeira superfície da membrana. Até três revestimentos de uma segunda camada de membrana podem estar em contato com pelo menos uma porção de uma segunda superfície da membrana. Até três revestimentos de uma terceira camada de membrana podem estar em contato com pelo menos uma porção de um corpo da membrana.
[0006] Em algumas modalidades, a presente revelação refere-se a um método de fabricação de uma membrana cerâmica que pode compreender: extrudar um material de substrato para formar um comprimento de membrana extrudada que tem pelo menos uma primeira superfície, uma segunda superfície e um corpo; secar um substrato de membrana extrudada para formar um substrato de membrana cerâmica; colocar uma primeira camada de membrana em contato com pelo menos uma porção da primeira superfície; colocar uma segunda camada de membrana em contato com pelo menos uma porção da segunda superfície; e colocar uma terceira camada de membrana em contato com pelo menos uma porção do corpo. Um material de substrato pode compreender um aglutinante e uma base de substrato. Uma base de substrato pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio, carboneto de silício. Um aglutinante pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em tilose, acetato de polivinila, polipropileno, poliacrilato de sódio, carbonato de polipropileno, carboximetilcelulose, amidos, álcool polivinílico, dextrina, emulsões de cera, polietilenoglicóis, lignossulfonatos, parafinas, silicato de sódio, silicato de alumínio e magnésio e bentonita. Uma camada de membrana pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio, carboneto de silício. Uma primeira camada de membrana pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio ou carboneto de silício. Uma segunda camada de membrana pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio ou carboneto de silício. Uma terceira camada de membrana pode compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio ou carboneto de silício. Um material de substrato pode ter um tamanho médio de poro de cerca de 3 μm a cerca de 10 μm. Uma membrana cerâmica pode ser um prisma hexagonal. Um prisma hexagonal pode ter um diâmetro de vértice a vértice de cerca de 38 mm a cerca de 90 mm. Uma membrana cerâmica pode ter um comprimento de cerca de 800 mm a cerca de 1600 mm.
[0007] De acordo com algumas modalidades, um sistema de filtração de fluido pode compreender: um alojamento de membrana, sendo que o alojamento de membrana compreende: (a) uma entrada configurada para receber um fluido contaminado; (b) uma pluralidade de membranas configuradas para filtrar o fluido contaminado para formar um permeado, em que cada uma dentre a pluralidade de membranas pode compreender: uma primeira extremidade configurada para receber o fluido contaminado; uma segunda extremidade configurada para liberar o permeado; um comprimento que se estende entre a primeira e a segunda extremidade; e pelo menos um canal orientado ao longo de um eixo geométrico longitudinal da primeira extremidade à segunda extremidade; (c) um conector adjacente à entrada e configurado para canalizar o fluido contaminado à primeira extremidade da pluralidade de membranas; e (d) uma saída configurada para receber o permeado liberado da segunda extremidade, em que o alojamento de membrana delimita a pluralidade de membranas de modo que o comprimento da pluralidade de membranas possa ser substancialmente paralelo a um eixo geométrico longitudinal do alojamento de membrana. Em algumas modalidades, pluralidade de membranas pode compreender adicionalmente: um substrato; e um material cerâmico que forma uma membrana. Um substrato pode compreender uma substância selecionada a partir de alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio ou carboneto de silício. pluralidade de membranas pode compreender adicionalmente um revestimento de cerâmica que compreende uma substância selecionada dentre alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio ou carboneto de silício. Cada membrana dentre a pluralidade de membranas pode ser um prisma hexagonal. Um prisma hexagonal pode compreender um diâmetro de vértice a vértice entre cerca de 38 a cerca de 90 mm. Em algumas modalidades, pelo menos um canal pode compreender um formato selecionado dentre círculo, quadrado, triângulo, trapézio, diamante, losango, paralelogramo, retângulo, pentágono, hexágono, octógono, eneágono, oval ou hexágono. Uma seção do pelo menos um canal define um círculo que tem um diâmetro de cerca de 4 a cerca de 6 mm. Um alojamento de membrana pode compreender até cerca de 171 membranas. Um alojamento de membrana pode compreender de cerca de 1 membranas a cerca de 200 membranas. Um alojamento de membrana pode compreender cerca de 30 membranas a cerca de 40 membranas. Em algumas modalidades, uma área de superfície de membrana eficaz pode ser de cerca de 0,5 m2 a cerca de 600 m2.
[0008] De acordo com algumas modalidades, um método para filtrar fluido pode compreender um agente contaminante solúvel ou insolúvel e um fluido, sendo que o método compreende: fluir fluido contaminado da extremidade de entrada de fluido de um alojamento de membrana que compreende uma pluralidade de membranas em formato de prisma hexagonal para a extremidade de saída de fluido do alojamento de membrana, em que o permeado pode ser liberado do alojamento de membrana.
[0009] Um sistema de filtração de fluido contaminado que compreende: um invólucro de membrana e uma pluralidade de membranas; pelo menos uma membrana em formato de prisma hexagonal com cerca de 800 mm a cerca de 1.600 mm de comprimento para filtrar um fluido contaminado que recebe o fluido contaminado em uma extremidade proximal e libera um permeado em uma extremidade distal; pelo menos uma membrana em formato de prisma hexagonal com um diâmetro de vértice a vértice de cerca de 80 mm; uma contagem de membranas de cerca de 29 a cerca de 43; pelo menos uma membrana sem um canal de permeado; um aglutinante; e uma área de superfície de membrana eficaz de cerca de 110 m2 a cerca de 165 m2, em que o sistema pode ser configurado para ter um fluxo de água limpa de cerca de 2.000 litros por hora por metro quadrado de área de superfície de membrana em uma pressão de transmembrana de cerca de 0,13 MPa (20 psi) ou menos a cerca de 20°C.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0010] Algumas modalidades da revelação podem ser entendidas a título de referência, em parte, à presente revelação e aos desenhos em anexo, em que:
[0011] A Figura 1A ilustra uma vista em corte transversal de uma membrana cerâmica cilíndrica, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0012] A Figura 1B ilustra uma vista em corte transversal de uma membrana cerâmica em formato de prisma hexagonal, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0013] A Figura 2A ilustra uma vista em perspectiva de uma membrana cerâmica cilíndrica, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0014] A Figura 2B ilustra uma vista em perspectiva de uma membrana cerâmica em formato de prisma hexagonal, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0015] A Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de um módulo de purificação, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0016] A Figura 4 ilustra uma vista em perspectiva de uma câmara de permeado com membrana cerâmica envolvida, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0017] A Figura 5A ilustra uma vista em perspectiva de uma câmara de permeado com 171 membranas cerâmicas envolvidas, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0018] A Figura 5B ilustra uma vista em perspectiva de uma câmara de permeado com 36 membranas cerâmicas envolvidas, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0019] A Figura 6A ilustra uma vista em corte transversal de uma câmara de permeado com 171 membranas cerâmicas envolvidas, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação;
[0020] A Figura 6B ilustra uma vista em corte transversal de uma câmara de permeado com 36 membranas cerâmicas envolvidas, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação; e
[0021] A Figura 7 ilustra uma vista em perspectiva de uma membrana cerâmica cilíndrica, de acordo com uma modalidade exemplificativa da revelação.
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DESCRIÇÃO DETALHADA
[0022] A presente revelação refere-se, em algumas modalidades, a sistemas, aparelho, e métodos para purificação de fluido (por exemplo, purificação isenta de produtos químicos). Em algumas modalidades, a presente revelação refere-se a sistemas, aparelho e métodos para filtração de fluido (por exemplo, água). Por exemplo, um sistema de filtração de fluido pode compreender um fluxo de meios contaminados, um módulo de purificação, um fluxo de permeado, e combinações dos mesmos. Um sistema pode compreender opcionalmente um fluxo de concentrado, uma ou mais bombas, uma ou mais válvulas, uma ou mais fontes de gás comprimido, um ou mais tanques de armazenamento, e combinações dos mesmos. Um fluxo de concentrado pode ter uma concentração de um ou mais contaminantes maior do que uma alimentação de meios contaminados correspondente, por exemplo, devido à perda de volume como permeado. Em algumas modalidades, o permeado pode ser coletado como um produto final ou submetido a medições de purificação adicionais. Um fluxo de concentrado pode ser coletado como um produto aquoso final ou submetido a medições de purificação adicionais. As medições de purificação adicionais podem incluir, por exemplo, oxidação, irradiação ultravioleta, fotocatálise, filtração, e combinações dos mesmos. Por exemplo, um fluxo de concentrado pode ser filtrado mais de uma vez usando o mesmo ou outro filtro. Um fluxo de concentrado que será reciclado através do mesmo filtro pode ou não ser combinado com meios contaminados imaturos. Em algumas modalidades, a presente revelação refere-se a um método para filtrar fluido que compreende um agente contaminante solúvel ou insolúvel e um fluido, sendo que o método compreende fluir fluido contaminado da extremidade de entrada de fluido de um alojamento de membrana que compreende uma pluralidade de membranas em formato de prisma hexagonal para a extremidade de saída de fluido do alojamento de membrana, em que o permeado é liberado do alojamento de membrana.
[0023] Em algumas modalidades, os sistemas e métodos podem incluir pelo menos um elemento cerâmico que pode proporcionar tanto filtração de tamanho como adsorção de carga. Ao contrário da osmose reversa, as membranas cerâmicas podem ser vantajosamente limpas com produtos químicos agressivos (por exemplo, ácido clorídrico, ácido nítrico, hidróxido de sódio, ácido sulfúrico) e podem ter uma vida útil de mais de 25 anos. Ademais, um fluxo de concentrado contendo partículas carregadas (por exemplo, salmoura) pode ser mais concentrado do que, por exemplo, as tecnologias de remoção de Sólidos Dissolvidos Totais (TDS) existentes. Em algumas modalidades, os sistemas e métodos (por exemplo, operação de fluxo cruzado) podem ter vantajosamente menos (por exemplo, substancialmente menos) incrustação em comparação com membranas de osmose reversa. Em algumas modalidades, os custos operacionais podem ser mais baixos (por exemplo, substancialmente mais baixos) do que outras tecnologias de dessalinização (por exemplo, eletrodiálise reversa e/ou osmose reversa). Uma alta área superficial (por exemplo, área superficial extremamente alta) de substratos de purificação pode proporcionar alta capacidade de remoção de carga antes de a dessorção de substrato ser necessária ou desejada. Outros tipos de substratos cerâmicos (por exemplo, óxido de zinco, carboneto de silício, carboneto de titânio, titanato de bário) podem ter condutividade elétrica aumentada ou reduzida e podem ser mais eficientes proporcionando cargas maiores.
SISTEMA DE FILTRAÇÃO DE FLUIDO
[0024] A presente revelação refere-se, em algumas modalidades, a sistemas de filtração. Por exemplo, um sistema de filtração pode compreender uma câmara de meios contaminados que tem uma entrada para admitir meios contaminados e uma placa terminal, sendo que a placa terminal compreende uma pluralidade de aberturas troncônicas; uma câmara de permeado que tem um corpo cilíndrico e uma placa terminal em cada extremidade, sendo que cada placa terminal compreende uma pluralidade de aberturas troncônicas e/ou uma montagem de filtração em comunicação fluida tanto com uma câmara de meios contaminados quanto com uma câmara de permeado. Um módulo de filtração pode compreender, de acordo com algumas modalidades, um alojamento de membrana e uma pluralidade de membranas, em que cada uma dentre a pluralidade de membranas configuradas como um prisma hexagonal que compreende uma primeira extremidade configurada para receber um fluido contaminado, uma segunda extremidade configurada para liberar um permeado, um comprimento, e pelo menos um canal orientado ao longo de um eixo longitudinal a partir da primeira à segunda extremidade e configurado para filtrar o fluido contaminado para formar o permeado; e em que o alojamento de membrana delimita a pluralidade de membranas de modo que o comprimento da pluralidade de membranas seja substancialmente paralelo a um eixo geométrico longitudinal do alojamento de membrana, em que o alojamento de membrana compreende uma entrada configurada para receber o fluido contaminado, um conector adjacente à entrada e configurado para canalizar o fluido contaminado para a primeira extremidade da pluralidade de membranas, e uma saída configurada para receber o permeado liberado da segunda extremidade. Um sistema de filtração de fluido, em que a pluralidade de membranas pode compreender adicionalmente um substrato, um material cerâmico, e um aglutinante configurado para aderir o material cerâmico antes da secagem e queima da cerâmica.
[0025] Um elemento cerâmico pode estar em comunicação fluida com uma câmara de meio contaminado e/ou uma câmara de permeado. De acordo com algumas modalidades, uma câmara de meio contaminado (por exemplo, uma cavidade de câmara de meio contaminado) pode estar em comunicação fluida com uma câmara de permeado ((por exemplo, uma cavidade de câmara de permeado) através de um elemento cerâmico. De acordo com algumas modalidades, um elemento cerâmico pode envolver uma interface de câmara de meio contaminado e/ou uma interface de câmara de permeado. Uma junta pode incluir um corpo configurado para formar uma vedação à prova de fluidos (por exemplo, impermeável a líquidos) (por exemplo, uma vedação tripla) restringindo ou impedindo o fluxo de fluidos a partir de uma câmara de meio contaminado para uma câmara de permeado exceto através de um elemento cerâmico. Por exemplo, uma junta pode formar uma vedação entre uma câmara de meio contaminado e uma câmara de permeado, entre uma câmara de meio contaminado e o ambiente, entre o ambiente e a câmara de permeado, entre a câmara de meio contaminado e a superfície voltada para a câmara de permeado de um elemento cerâmico, entre uma placa de extremidade de câmara de meio contaminado e uma placa de extremidade de câmara de permeado e/ou entre uma (por exemplo, cada) abertura troncônica de uma placa de extremidade de câmara de meio contaminado e uma (por exemplo, cada) abertura troncônica de uma placa de extremidade de câmara de permeado.
[0026] De acordo com algumas modalidades, o sistema de filtração de fluidos pode ser projetado para regular a pressão de transmembrana (TMP), ou a pressão que pode ser necessária para pressionar pelo menos uma porção de um fluido através de pelo menos uma porção de uma membrana. Em algumas modalidades, a TMP pode ser um gradiente de pressão de uma membrana e/ou uma pressão de alimentação média menos uma pressão de permeado. Em algumas modalidades, um sistema pode incluir pelo menos uma membrana em formato de prisma hexagonal (por exemplo, cerca de 800 mm a cerca de 1600 mm de comprimento). Uma membrana em formato de prisma hexagonal pode ter um diâmetro de vértice a vértice de cerca de 80 mm. Uma membrana em formato de prisma hexagonal pode ter um canal de permeado. Pelo menos uma das membranas em formato de prisma hexagonal pode não ter um canal de permeado. Um sistema de filtração de fluidos pode compreender uma contagem de membrana de cerca de 29 a cerca de 43 membranas. Uma membrana em formato de prisma hexagonal pode compreender um aglutinante para aderir o material cerâmico antes da secagem e/ou queima. Um sistema de filtração de fluidos pode compreender uma área superficial da membrana eficaz de cerca de 110 m2 a cerca de 165 m2. Um sistema de filtração de fluidos pode compreender uma área superficial da membrana eficaz de cerca de 0,5 m2 a cerca de 600 m2. Em algumas modalidades, um sistema de filtração de fluidos pode ser configurado de modo a ter um fluxo de água limpa de cerca de 2.000 litros por hora por metro quadrado de área superficial da membrana (“LMH”)
CÂMARA DE MEIOS CONTAMINADOS
[0027] Uma câmara de meio contaminado pode compreender, em algumas modalidades, uma entrada e uma interface de membrana cerâmica, de acordo com algumas modalidades. Uma câmara de meio contaminado pode compreender uma cavidade interna. Uma cavidade interna pode ter qualquer tamanho desejado e/ou qualquer formato desejado. Por exemplo, uma cavidade pode ter um formato arredondado e/ou geralmente de cúpula. Uma câmara de meio contaminado pode ter um perímetro externo e/ou circunferência. Em algumas modalidades um perímetro externo e/ou circunferência pode ser configurado como e/ou definir um flange de câmara de meio contaminado. Um flange de câmara de meio contaminado pode ser configurado para envolver uma câmara de permeado (por exemplo, uma câmara de permeado que compreende um flange similar ou correspondente). Em algumas modalidades, um flange de câmara de meio contaminado pode compreender um canal para uma junta, anel em O, ou outra vedação. Um canal de câmara de meio contaminado pode ser posicionado em uma face de um flange e/ou substancialmente paralelo a um perímetro externo e/ou circunferência em algumas modalidades.
[0028] De acordo com algumas modalidades, uma câmara de meio contaminado pode ter uma ou mais entradas e/ou uma ou mais saídas. Por exemplo, uma câmara de meio contaminado pode ter uma interface de elemento cerâmico que compreende uma ou mais saídas. Cada saída pode ser configurada para envolver um elemento cerâmico, por exemplo, com uma vedação substancialmente à prova de fluidos. Em algumas modalidades, uma saída pode ter qualquer formato desejado (por exemplo, cilíndrico, cônico, troncônico). Todas as saídas de câmara de meio contaminado podem ficar posicionadas em uma interface e/ou dentro de um canal de câmara de meio contaminado.
[0029] Uma câmara de concentrado pode ter uma estrutura correspondente a uma câmara de meio contaminado e pode ser configurada para receber o concentrado que flui de cada elemento cerâmico. Por exemplo, uma câmara de concentrado pode ter uma cavidade, uma saída e/ou uma interface de elemento cerâmico que compreende pelo menos uma abertura (por exemplo, pelo menos uma abertura troncônica).
[0030] Uma câmara de meio contaminado e/ou uma câmara de concentrado pode ter quaisquer dimensões desejadas. De acordo com algumas modalidades, uma câmara de meio contaminado e/ou uma câmara de concentrado pode ter um comprimento de cerca de 10 cm a cerca de 150 cm, de cerca de 20 cm a cerca de 100 cm, de cerca de 15 cm a cerca de 75 cm, e/ou combinações dos mesmos. Uma seção tomada perpendicular a um eixo geométrico longitudinal da câmara pode ter uma dimensão mais longa (por exemplo, diagonal ou diâmetro) de cerca de 2 cm a cerca de 30 cm de diâmetro, de cerca de 2 cm a cerca de 20 cm de diâmetro, de cerca de 5 cm a cerca de 20 cm de diâmetro, de cerca de 5 cm a cerca de 15 cm de diâmetro, de cerca de 10 cm a cerca de 45 cm de diâmetro, e/ou combinações dos mesmos. O formato e/ou dimensões de uma câmara de meio contaminado e uma câmara de concentrado podem ser iguais ou diferentes.
CÂMARA DE PERMEADO
[0031] A presente revelação refere-se, em algumas modalidades, a uma câmara de permeado que compreende uma interface de elemento cerâmico, uma cavidade de permeado interna e uma saída de permeado em comunicação fluida com a cavidade de permeado interna. Uma câmara de permeado pode ter qualquer formato desejado. Em algumas modalidades, uma câmara de permeado pode ter um formato geralmente cilíndrico que define um eixo geométrico longitudinal central e uma cavidade que estende seu comprimento. Por exemplo, até todas as seções perpendiculares a um eixo geométrico de câmara de permeado central podem ter um formato geralmente anular. Uma câmara de permeado pode ter um formato oco geralmente cilíndrico, uma primeira extremidade e uma segunda extremidade de acordo com algumas modalidades. Cada extremidade pode definir uma abertura dimensionada e/ou conformada para receber uma interface de elemento cerâmico.
[0032] Uma câmara de permeado pode ter quaisquer dimensões desejadas. De acordo com algumas modalidades, uma câmara de permeado pode ter de cerca de 10 cm a cerca de 5 m de comprimento, de cerca de 50 cm a cerca de 5 m de comprimento, de cerca de 1 m a cerca de 3 m de comprimento e/ou combinações dos mesmos. Uma seção tomada perpendicular a um eixo geométrico longitudinal pode ter uma dimensão mais longa (por exemplo, diagonal ou diâmetro) de cerca de 2 cm a cerca de 30 cm de diâmetro, de cerca de 2 cm a cerca de 20 cm de diâmetro, de cerca de 5 cm a cerca de 20 cm de diâmetro, de cerca de 5 cm a cerca de 15 cm de diâmetro, de cerca de 10 cm a cerca de 45 cm de diâmetro e/ou combinações dos mesmos.
ELEMENTO CERÂMICO
[0033] A comunicação fluida entre uma câmara de meio contaminado e uma câmara de permeado pode ser mediada por um elemento cerâmico. Por exemplo, pelo menos algum fluido pode fluir através de uma entrada em uma cavidade de câmara de meio contaminado, através de uma cavidade de câmara de meio contaminado para dentro de um elemento cerâmico, através de um elemento cerâmico para dentro de uma cavidade de permeado e/ou através de uma cavidade de permeado e através de uma saída de permeado. Um elemento cerâmico pode compreender, de acordo com algumas modalidades, um filtro e pelo menos uma junta de vedação. Uma junta de vedação pode ser configurada para limitar o movimento de fluido entre uma câmara de meio contaminado e uma câmara de permeado para passagem através de um filtro (desvio). Por exemplo, um elemento cerâmico pode incluir uma vedação que impede parcialmente, substancialmente completamente, ou completamente o desvio de fluido.
[0034] Um elemento cerâmico pode ser configurado para operar de qualquer maneira desejada. Por exemplo, um elemento cerâmico pode ser configurado para operação de terminal ou fluxo cruzado. Um elemento alongado pode definir um canal interno com um eixo geométrico longitudinal, em algumas modalidades. Um módulo de purificação de fluxo cruzado pode incluir um elemento cerâmico que compreende um canal alongado configurado de modo que o eixo geométrico longitudinal do elemento seja geralmente paralelo à direção do fluxo de meio contaminado e o fluxo de permeado esteja geralmente radialmente fora do eixo longitudinal.
[0035] Em algumas modalidades, um elemento pode ter uma parede que define um corpo alongado que tem pelo menos um canal interno. Um elemento pode compreender uma superfície voltada para o meio contaminado e uma superfície voltada para o permeado, em algumas modalidades. Por exemplo, um elemento pode definir um corpo alongado que tem pelo menos uma superfície interna (por exemplo, uma superfície voltada para o meio contaminado), pelo menos um canal interno e uma superfície externa (por exemplo, uma superfície voltada para a câmara de permeado). O fluido contaminado pode entrar pelo menos em um canal interno em uma extremidade e fluir para baixo ao longo do comprimento de um elemento. À medida que se desloca ao longo de um canal, uma parte do fluido pode atravessar uma parede de elemento e formar um permeado. Uma parte do fluido (por exemplo, um fluxo rejeitado) pode passar ao longo de todo o eixo geométrico longitudinal do canal interno e fora da extremidade distal.
MEMBRANA CERÂMICA
[0036] Uma membrana cerâmica (também chamada de um elemento) pode compreender, de acordo com algumas modalidades, um filtro de qualquer tamanho, formato ou composição desejado. Por exemplo, uma membrana cerâmica pode ser conformada como um prisma que compreende um formato selecionado dentre um prisma triangular, prisma retangular, prisma quadrado, prisma pentagonal, prisma hexagonal, prisma heptagonal, prisma octogonal, prisma nonagonal ou prisma decagonal. Por exemplo, o prisma pode compreender um diâmetro de vértice a vértice entre cerca de 38 mm a cerca de 90 mm. Um sistema de filtração de fluidos que compreende um alojamento de membrana e uma pluralidade de membranas, que compreende de cerca de 1 membrana a cerca de 171 membranas. Um sistema de filtração de fluidos pode compreender de cerca de 1 membrana a cerca de 200 membranas. Por exemplo, um elemento cerâmico pode compreender um filtro geralmente tubular (por exemplo, um filtro de cerâmica). Um elemento cerâmico pode incluir qualquer filtro ou material de filtro desejado. Por exemplo, um elemento cerâmico pode compreender um filtro que tem um ou mais polímeros orgânicos e/ou um ou mais materiais cerâmicos. Exemplos de filtros (por exemplo, membranas cerâmicas) podem incluir filtros de microfiltração, filtros de ultrafiltração, filtros de nanofiltração, filtros antimicrobianos, filtros sem manutenção, e combinações dos mesmos. Um filtro pode compreender um agente antimicrobiano. Por exemplo, um filtro de cerâmica pode compreender prata (por exemplo, uma prata impregnada, não lixiviável). Em algumas modalidades, um elemento cerâmico pode excluir um filtro por exemplo, em que o elemento adsorve íons).
[0037] Em algumas modalidades, os filtros de cerâmica podem ser duráveis (por exemplo, mais duráveis do que filtros de polímero orgânico). Por exemplo, os filtros de cerâmica podem ser resistentes a danos mecânicos, solventes e/ou micróbios. Exemplos de métricas de desempenho e/ou resistência podem ser o grau de filtragem fornecido para um ou mais contaminantes, condutividade, vida útil e/ou combinações dos mesmos. O desempenho e/ou resistência desejado pode ser expresso como uma fração (por exemplo, porcentagem) comparado na presença ou ausência de desafio, em relação a outra membrana, ou com um valor limite ou alvo.
[0038] Em algumas modalidades, uma membrana cerâmica pode compreender um elemento cerâmico (ou seja, base) e uma camada de filtro (por exemplo, revestimento de cerâmica). Por exemplo, uma membrana cerâmica pode compreender um revestimento de cerâmica que tem poros menores, em que o revestimento de cerâmica compreende alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio; ou carboneto de silício. Em algumas modalidades, múltiplo revestimentos de cerâmica podem ser aplicados, em que os revestimentos compreendem um gradiente de tamanhos de poro. O número de revestimentos de cerâmica ou camadas de filtro pode depender do tamanho de poro desejado (ou seja, cada camada ou revestimento que tem um tamanho de poro menor ou maior). Um gradiente de tamanho de poro pode impedir que uma camada entre em um substrato ou camada de membrana com um tamanho de poro maior. Uma base subjacente ou substrato pode ter poros maiores. Em algumas modalidades, um substrato pode compreender alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio ou carboneto de silício. Combinações variadas de substrato e composições de revestimento cerâmico podem vantajosamente permitir o controle de taxas de fluxo de membrana cerâmica, o que pode aumentar ou diminuir a pressão de transmembrana. Uma membrana cerâmica pode incluir uma camada de filtro apenas dentro dos canais e um revestimento de epóxi que veda a face final. Uma membrana cerâmica pode ter pelo menos um canal, definido na parede, e em que o canal permite que o fluido se mova a partir da entrada de fluido para a saída de fluido enquanto adsorve um contaminante e dessorve o permeado. De acordo com algumas modalidades, uma camada de filtração pode, em vez disso, cobrir uma superfície interna, uma face de extremidade e/ou uma superfície externa. Por exemplo, uma camada de filtração pode definir, ser coextensiva e/ou cobrir uma superfície voltada para o meio contaminado de um elemento. Uma camada de filtração de cerâmica pode alinhar a superfície interna (por exemplo, canais), se envolver ao redor da face do elemento, e estender uma porção da trajetória para fora do elemento (em cada extremidade). Uma base pode definir, ser coextensiva e/ou cobrir uma superfície voltada para o permeado.
[0039] Um elemento cerâmico alongado pode ter um corte transversal (por exemplo, um corte perpendicular ao eixo geométrico longitudinal central) com qualquer formato geométrico regular ou irregular desejado. Por exemplo, um corte transversal de elemento pode ter um formato selecionado dentre geralmente circular, geralmente elíptico, geralmente poligonal (por exemplo, hexagonal), e/ou combinações dos mesmos. Um elemento alongado pode ter um eixo geométrico central com um ou mais canais ao longo do comprimento do elemento e geralmente paralelo ao eixo geométrico. Um canal pode compreender formatos diferentes. Por exemplo, o formato do corte transversal do canal compreende um formato selecionado dentre círculo, quadrado, triângulo, trapézio, diamante, losango, paralelogramo, retângulo, pentágono, hexágono, octógono, nonágono, oval ou hexagonal. Por exemplo, o formato de canal pode compreender um círculo com um diâmetro de cerca de 4 mm a cerca de 6 mm.
[0040] Um elemento cerâmico pode ter quaisquer dimensões desejadas. De acordo com algumas modalidades, um elemento alongado pode ter de cerca de 900 a cerca de 1500 mm de comprimento, cerca de 10 cm a cerca de 5 m de comprimento, de cerca de 50 cm a cerca de 5 m de comprimento, de cerca de 1 m a cerca de 3 m de comprimento e/ou combinações dos mesmos. Uma seção tomada perpendicular ao eixo geométrico longitudinal (por exemplo, diâmetro) de cerca de 2 cm a cerca de 30 cm de diâmetro, de cerca de 2 cm a cerca de 20 cm de diâmetro, de cerca de 5 cm a cerca de 20 cm de diâmetro, de cerca de 5 cm a cerca de 15 cm de diâmetro, de cerca de 10 cm a cerca de 45 cm de diâmetro e/ou combinações dos mesmos. Um elemento pode compreender um ou mais canais longitudinais. Por exemplo, um elemento pode ter cerca de 37 canais dispostos em cerca de 7 fileiras com cerca de 4 a cerca de 7 canais em cada fileira. Um elemento pode ter cerca de 19 canais dispostos em cerca de 5 fileiras com cerca de 3 a cerca de 5 canais em cada fileira. Um elemento pode ter canais dispostos em um padrão poligonal concêntrico. Cada canal pode ter independentemente qualquer formato e/ou dimensão desejada. Em algumas modalidades, um canal pode ter um formato geralmente circular com um raio de cerca de 1 mm a cerca de 15 cm, de cerca de 2 mm a cerca de 10 cm, de cerca de 5 mm a cerca de 5 cm, de cerca de 1 cm a cerca de 5 cm e/ou combinações dos mesmos.
[0041] Os canais e poros de elemento podem ser distinguidos, de acordo com algumas modalidades, com base no tamanho, geometria e/ou função. Por exemplo, os poros podem ser uma ou mais ordens de magnitude menores do que os canais (por exemplo, de cerca de 2 a cerca de 10 ordens menores), podem definir uma trajetória de fluxo irregular (por exemplo, convolucionada) e/ou admitir apenas moléculas abaixo de um tamanho limite. Os canais podem ser uma ou mais ordens de magnitude maiores do que os poros, definir uma trajetória de fluxo regular e/ou admitir todo ou substancialmente todo dentre um meio contaminado (por exemplo, fluido, partículas suspensas e materiais dissolvidos).
[0042] Um elemento cerâmico, de acordo com algumas modalidades, pode compreender um filtro e um substrato. Um filtro de membrana pode ser aplicado a um substrato e linha de seus canais. Uma porção do fluido que flui para dentro do canal passa através da membrana sob a influência de contrapressão. Os contaminantes permanecem dentro dos canais, e o fluido limpo flui através da membrana e, então, através do substrato. Em algumas modalidades, a maior parte de um elemento cerâmico pode compreender material de substrato.
[0043] Um elemento cerâmico (por exemplo, um substrato) pode compreender até cerca de 100% (p/p) de carboneto de silício. Carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor, o que significa que tem condutividade elétrica que se classifica entre um isolante e um metal. Um semicondutor pode alterar sua condutância elétrica com adição de um dopante. Para SiC, os dopantes que aumentam a condutividade elétrica podem incluir, por exemplo, boro, alumínio e nitrogênio.
[0044] Um elemento cerâmico pode ser configurado, em algumas modalidades, seletivamente para filtrar um fluido em relação aos tamanhos dos sólidos (por exemplo, sólidos dissolvidos, sólidos suspensos) presentes. Por exemplo, um elemento cerâmico pode incluir uma membrana que tem poros dimensionados para separar, excluir e/ou remover contaminantes (por exemplo, partículas) com base em seu tamanho. De acordo com algumas modalidades, um elemento cerâmico pode ser configurado para separar, excluir e/ou remover contaminantes em relação à sua carga. Por exemplo, um elemento cerâmico pode ser configurado para reduzir o número de contaminantes carregados em um fluido (por exemplo, um meio contaminado, um permeado produzido em uma etapa de purificação anterior).
[0045] Um elemento cerâmico pode ser configurado e operado de modo que os contaminantes carregados em um fluido (por exemplo, um meio contaminado) se adiram a componentes com cargas opostas dentro do elemento cerâmico. A adesão entre esses contaminantes e o elemento cerâmico pode ser suficientemente forte para impedir a passagem de pelo menos algumas partículas carregadas dentro do permeado. Uma corrente elétrica pode ser aplicada a um elemento cerâmico, por exemplo, suficiente para incutir uma carga líquida negativa na superfície da membrana.
[0046] Um elemento cerâmico pode ter uma alta área superficial (por exemplo, uma área superficial extremamente alta), em algumas modalidades. Com o aumento do comprimento da membrana para cerca de 1.500 mm pode-se aumentar a área superficial para cerca de 50% mais área de superfície em comparação com as membranas mais curtas do que 1500 mm. Algumas modalidades podem não ter canais de permeado, o que pode aumentar a área de superfície. A capacidade de um elemento cerâmico absorver contaminantes carregados pode estar correlacionada à área de superfície.
[0047] Em algumas modalidades, a adsorção (por exemplo, espécie e/ou capacidade) pode ser influenciada pela distância de substrato através do qual um fluido passa para alcançar o lado de permeado do elemento. Por exemplo, a capacidade de adsorção de um elemento que tem canais de diâmetro estreito pode ser maior que um elemento que tem canais mais amplos(por exemplo, supondo que os dois elementos tenham as mesmas ou substancialmente as mesmas dimensões externas e número de canais). A capacidade de adsorção de elementos que têm canais do mesmo diâmetro pode se diferir pelo fato de que um tem menos canais e o outro tem mais canais - o primeiro tem maior capacidade de adsorção. Um ou mais parâmetros podem ser variados para obter uma adsorção vantajosa a um elemento de um (por exemplo, adsorção seletiva) ou mais (por exemplo, adsorção semisseletiva) espécies em comparação com 30 outras espécies da mesma polaridade, de acordo com algumas modalidades. Os módulos de purificação configurados para realizar a adsorção seletiva e/ou semisseletiva podem ser combinados para produzir um ou mais sais desejados mediante a dessorção de íons ligados. Por exemplo, um fluxo de dessorção de um módulo de purificação configurado e operado para ligar seletivamente íons de sódio pode ser combinado com um fluxo de dessorção a partir de um módulo de purificação configurado e operado para ligar seletivamente íons de cloreto para formar uma solução que compreende cloreto de sódio dissolvido.
[0048] Um elemento cerâmico pode excluir ou incluir uma membrana para remoção de partículas com base no tamanho. Os canais de elemento podem ter qualquer tamanho ou disposição desejado. Por exemplo, todos os canais em um elemento podem ter o mesmo tamanho e podem ser dispostos em um padrão de linhas e colunas regular. Em algumas modalidades, cada canal pode ter um diâmetro independente de outros canais no mesmo elemento. Os canais revestidos com um filtro podem ser dimensionados ou dispostos com o objetivo de gerenciar a potencial queda de pressão no elemento quando operado. Os canais sem uma camada de filtração podem ser dimensionados ou dispostos com o objetivo de obter uma capacidade de adsorção desejada.
[0049] A presente revelação se refere, em algumas modalidades, a uma membrana cerâmica. Por exemplo, uma membrana cerâmica pode incluir um substrato configurado de modo a ter uma primeira superfície e uma segunda superfície e um corpo que tem um tamanho médio de poro de cerca de 3 μm a cerca de 10 μm, de cerca de 4 μm a cerca de 9 μm, de cerca de 5 μm a cerca de 8 μm, e/ou de cerca de 6 μm a cerca de 7 μm. Em algumas modalidades, uma membrana cerâmica pode incluir uma camada de membrana sobre pelo menos uma porção de uma primeira superfície e/ou uma segunda superfície de uma membrana. Uma camada de membrana pode ser configurada para ser a mais fina possível ou praticável para proporcionar uma capacidade de filtração desejada a uma TMP desejada (por exemplo, a TMP mais baixa possível ou praticável). Em algumas modalidades, múltiplos revestimentos de uma camada de membrana podem ser colocados em contato (ou seja, aplicados) com um substrato. O número de revestimentos colocados em contato com um substrato pode depender do tamanho de poro desejado (ou seja, cada camada ou revestimento que tem um tamanho de poro menor ou maior). Cada camada de membrana pode ser configurada para proporcionar um tamanho de poro menor. Em algumas modalidades, cada camada de membrana pode ser configurada para proporcionar um tamanho de poro maior. O revestimento iterativo de camadas de membrana que tem um gradiente de tamanho de poro pode impedir que uma camada de membrana entre em um poro de substrato muito maior. Em algumas modalidades, a redução do tamanho médio de poro de um substrato pode aprimorar o suporte de um camada de membrana. Esse suporte adicional pode ser exibido em parte pelo material da camada de membrana que geralmente permanece fora e acima dos poros de substrato. Uma membrana fina pode, em algumas modalidades e sob condições desejadas, reduzir impedimentos ao fluxo de um fluido através de um substrato. Uma membrana, em algumas modalidades, pode ser isenta de canais de fluxo (canais uma ordem de magnitude (ou mais) maior do que o tamanho médio de poro). Uma membrana pode ser configurada de modo a ter qualquer formato geométrico desejado. Por exemplo, uma membrana pode ser geralmente cilíndrica. Uma membrana pode ter um formato geralmente de prisma hexagonal.
MÉTODO DE USO
[0050] A presente revelação refere-se, de acordo com algumas modalidades, a métodos de uso de um sistema e/ou aparelho de purificação. Por exemplo, um método de purificação e/ou filtração pode compreender (a) fornecer um meio que compreende sólidos contaminantes, um ânion salino dissolvido e um cátion salino dissolvido, (b) agregar o sólido contaminante em partículas, e/ou (c) remover as partículas para formar um primeiro meio parcialmente purificado. A agregação de contaminantes dissolvidos pode compreender colocar um meio contaminado em contato com um coagulante, uma base, ar (por exemplo, com uma unidade de aeração), oxigênio dissolvido (por exemplo, com uma unidade de oxigênio dissolvido) e/ou outras substâncias químicas para permitir e/ou promover oxidação de metal, redução, precipitação química, coagulação química ou combinações das mesmas. Em algumas modalidades, a etapa final - etapa (e) - pode ser omitida, por exemplo, se apenas a espécie carregada de uma polaridade (por exemplo, amônia) for removida.
[0051] Em algumas modalidades, a presente revelação refere-se a métodos de uso de um sistema e/ou aparelho de purificação. Por exemplo, um método de purificação e/ou filtração pode compreender (a) fornecer um meio que compreende um contaminante suspenso ou dissolvido e um sal dissolvido, (b) filtrar o meio com base no tamanho para remover o contaminante suspenso ou dissolvido para formar um primeiro meio parcialmente purificado, (c) colocar o primeiro parcialmente purificado em contato com um primeiro substrato que tem uma carga líquida de uma primeira polaridade sob condições que permitam que os íons de sal com cargas opostas tendo uma segunda polaridade, oposta à primeira, se ligue, ao primeiro substrato para formar um segundo meio parcialmente purificado, e/ou (d) opcionalmente colocar o primeiro meio parcialmente purificado em contato com um segundo substrato que tem uma carga líquida da segunda polaridade sob condições que permitam que íons de sal com cargas opostas, tendo a primeira polaridade, se liguem ao segundo substrato para formar um segundo meio parcialmente purificado.
[0052] A presente revelação refere-se, de acordo com algumas modalidades, a métodos de uso de um sistema e/ou aparelho de purificação. Por exemplo, um método de purificação e/ou filtração pode compreender colocar um fluido contaminado em contato com um filtro (por exemplo, uma membrana cerâmica de filtração). De acordo com algumas modalidades, colocar um fluido contaminado em contato com um filtro (por exemplo, uma membrana cerâmica de filtração) pode incluir formar um permeado (por exemplo, fluido que passa através de poros de filtro) e um concentrado (por exemplo, fluido que não passa através de poros de filtro).
[0053] Em algumas modalidades, um sistema, aparelho e/ou método de purificação pode ser configurado para operar, de acordo com algumas modalidades, de modo contínuo, substancialmente contínuo (por exemplo, de modo contínuo, porém para breve trabalho de manutenção), de modo semicontínuo (por exemplo, menos de 24 horas por dia), periodicamente (por exemplo, em intervalos regulares e/ou irregulares), sob demanda, ou combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, um sistema, aparelho e/ou método de purificação pode ser operado para fornecer microfiltração, ultrafiltração e/ou nanofiltração de um fluido em questão.
[0054] De acordo com algumas modalidades, a filtração pode ser conduzida (por exemplo, um módulo de filtração pode ser operado) com menos ou nenhum teste periódico (por exemplo, teste QA/QC). Por exemplo, os sistemas de filtração de água existentes podem ter que ser testados diariamente para avaliar e/ou garantir a integridade da membrana e a filtração sem vazamentos. A configuração de um elemento cerâmico de acordo com algumas modalidades, individualmente, pode proporcionar pelo menos o mesmo nível de garantia sem a necessidade de teste tão frequentemente. Por exemplo, uma configuração de elemento cerâmico pode proporcionar uma garantia de integridade por teste de integridade contínua direta através do contador de partículas em linha e/ou medição de turbidez. Um sistema de acordo com algumas modalidades da revelação pode ser operado continuamente e sem interrupção para testes de integridade. Por exemplo, as avaliações de integridade podem ser conduzidas durante a operação.
[0055] Um método pode compreender operar um sistema de purificação de fluido com qualquer rendimento desejado (por exemplo, admissão de meio contaminado, saída de permeado, saída de concentrado e/ou combinações dos mesmos), em algumas modalidades. Por exemplo, um método pode ser escalonável para alcançar um volume de processamento desejado variando o número de elementos de membrana e/ou variando o número de módulos usados.
[0056] Um primeiro elemento cerâmico pode ser configurado para remover seletivamente as partículas com base no tamanho. Segundo e terceiro elementos opcionais podem ser independentemente configurados para remover seletivamente contaminantes com base na carga. Em algumas modalidades, à medida que o fluido passa através de um elemento, os íons negativos são absorvidos pelo substrato de SiC. O permeado pode, então, ser enviado para um segundo módulo de elemento com uma carga negativa para remover os cátions. Com um primeiro elemento que fornece filtração com base no tamanho (por exemplo, ultrafiltração), uma camada de membrana pode não ser necessária em qualquer um dos elementos ou módulos subsequentes. A omissão de uma membrana pode reduzir consideravelmente a queda de pressão.
[0057] Módulos de elementos subsequentes após o primeiro podem ser operados em um modo terminal. O fluxo cruzado pode ser desejável e/ou necessário para aplicações de filtração; por exemplo, pode fornecer cisalhamento para reduzir a incrustação. Uma vez que a filtração é realizada (por exemplo, no primeiro elemento/módulo), o fluxo cruzado pode não ser necessário. A operação de elementos subsequentes em um modo terminal pode reduzir os requisitos de energia de bomba. Em algumas modalidades, o choque dinâmico (para reduzir ou eliminar a incrustação de membrana) pode ser aplicado às membranas, quando presentes. Por exemplo, em um sistema configurado para reduzir/remover sólidos em um elemento de filtração inicial e partículas carregadas (por exemplo, sais dissolvidos) no segundo e terceiro elementos, um choque dinâmico pode ser aplicado ao primeiro elemento. Em algumas modalidades, a aplicação de um choque dinâmico a todos os elementos em um sistema de múltiplos elementos pode proporcionar um efeito sinérgico.
[0058] Em algumas modalidades, um tanque de concentrado pode ser configurado como um vaso de reação para oxidação de metais, coagulação, remoção de dureza e/ou combinações dos mesmos. Essa funcionalidade pode ser posicionada no lado concentrado de uma membrana.
MÉTODOS DE PRODUÇÃO
[0059] De acordo com algumas modalidades, os métodos de fabricação de uma membrana cerâmica podem compreender extrusão, fundição, ou fundição centrífuga de um material resiliente na forma adequada antes da queima. As membranas podem compreender materiais inorgânicos selecionados a partir de alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio ou carboneto de silício. Uma membrana também pode ser produzida, primeiramente, preparando um veículo (ou seja, substrato) e, então, aplicando a membrana ao veículo. Nesse caso, os métodos de produção de uma membrana podem incluir a imersão do veículo em uma solução de cerâmica e, então, tratamento com calor (ou seja, cerca de 100 a cerca de 2.300 °C). Em algumas modalidades, ambas as etapas de preparação de substrato e aplicação de membrana podem envolver um tratamento térmico (ou seja, cerca de 100 a cerca de 2.300 °C). Um ou mais aditivos podem ser incluídos em uma mistura de cerâmica, por exemplo, para reduzir as temperaturas de queima (que por sua vez pode aumentar a vida útil do forno) e/ou para aumentar a porosidade, resistência e/ou carga de um substrato. Um aglutinante também pode ser adicionado a uma solução cerâmica antes de ser tratado com calor para ajudar as propriedades mecânicas compreendendo manter o formato da mesma. Por exemplo, um aglutinante compreende tilose, acetato de polivinila, polipropileno, poliacrilato de sódio, carbonato de polipropileno, carboximetilcelulose, amidos, álcool polivinílico, dextrina, emulsões de cera, polietilenoglicóis, lignossulfonatos, parafinas, silicato de sódio, silicato de alumínio e magnésio e bentonita.
[0060] Tilose, como um aglutinante, aprimora o veículo sem fissura durante a secagem inicial e tratamento térmico e também pode fornecer um tamanho de poro relativamente menor (ou seja, cerca de 6 μM). Um tamanho de poro menor pode proporcionar vantagens mecânicas. Por exemplo, o tamanho de poro menor pode permitir que a membrana seja aplicada sem encharcar o veículo.
[0061] Algumas modalidades referem-se a métodos de fabricação de uma membrana cerâmica. Por exemplo, um método de fabricação de uma membrana cerâmica pode incluir extrudar um material de substrato que compreende um aglutinante, um lubrificante, um antiespumante e/ou uma base de substrato para formar um comprimento de substrato de membrana extrudado que tem pelo menos uma primeira superfície (por exemplo, uma superfície interna) e uma segunda superfície (por exemplo, uma superfície externa). Um aglutinante pode compreender, por exemplo, uma substância selecionada a partir de tilose, acetato de polivinila, polipropileno, poliacrilato de sódio, carbonato de polipropileno, carboximetilcelulose, amidos, álcool polivinílico, dextrina, emulsões de cera, polietilenoglicóis, lignossulfonatos, parafinas, silicato de sódio, silicato de alumínio e magnésio e bentonita. Uma base de substrato pode compreender uma substância selecionada a partir de alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio ou carboneto de silício. Em algumas modalidades, uma primeira superfície pode definir um ou mais canais internos em uma membrana cerâmica extrudada. Um método pode compreender adicionalmente, de acordo com algumas modalidades, secar e/ou queimar um substrato de membrana extrudado para formar um substrato de membrana cerâmica. Um método pode compreender adicionalmente contatar ou aplicar uma camada de membrana a pelo menos uma porção de uma primeira superfície.
EXEMPLOS DE MODALIDADES ESPECÍFICOS
[0062] Exemplos de modalidades de uma membrana cerâmica são ilustrados na Figura 1A. O elemento cerâmico 150 compreende canais 151, substrato 153, face 154 e lados 155. O elemento cerâmico 150 não inclui uma camada de filtração. Conforme mostrado, o elemento cerâmico 150 tem um corte transversal geralmente circular com canais geralmente circulares 151. Os canais 151 se estenderam através do elemento cerâmico 252 da Figura 2A ao longo de seu comprimento. A Figura 1A ilustra uma vista em corte do elemento 150, a seção geralmente perpendicular ao eixo geométrico longitudinal do elemento. Os canais 151, como ilustrado podem ter um diâmetro relativamente pequeno (por exemplo, menor que os canais 251 da Figura 2A) que fornece fluido a uma distância maior de substrato 153 através do qual o mesmo passa antes de alcançar o lado de permeado do elemento. Exemplos de modalidades de uma membrana cerâmica são ilustrados na Figura 1B. O elemento cerâmico 150 compreende canais 151, substrato 153, face 154 e lados 155. O elemento cerâmico 150 não inclui uma camada de filtração. Conforme mostrado, o elemento cerâmico 150 tem um corte transversal geralmente hexagonal com canais geralmente circulares 151. Os canais 151 se estenderam através do elemento cerâmico 252 da Figura 2B ao longo de seu comprimento. A Figura 1B ilustra uma vista em corte do elemento 150, a seção geralmente perpendicular ao eixo geométrico longitudinal do elemento. Os canais 151, como ilustrado podem ter um diâmetro relativamente pequeno (por exemplo, menor que os canais 251 da Figura 2B) que fornece fluido a uma distância maior de substrato 153 através do qual o mesmo passa antes de alcançar o lado de permeado do elemento.
[0063] Exemplos de modalidades de uma membrana cerâmica são ilustrados nas Figuras 2A e 2B. Na Figura 2A, o elemento cerâmico 252 compreende o canal 250, face 251 e substrato 253. Conforme mostrado, o elemento cerâmico 252 tem um corte transversal geralmente circular com canais geralmente circulares 250. Os canais 250 se estendem através do elemento cerâmico 252 ao longo de seu comprimento. Uma camada de filtração 252 fica posicionada sobre o substrato 253. A camada de filtração externa se estende a partir da face 251, ao longo dos lados, bem como cobre completamente a superfície interna de cada canal 250. A camada de filtração pode envolver ambas as faces e cobrir parcialmente os lados de cada extremidade do filtro. Na Figura 2B, o elemento cerâmico 252 compreende o canal 250, face 251 e substrato 253. Conforme mostrado, o elemento cerâmico 252 tem um formato geralmente de prisma hexagonal com canais geralmente circulares 250. Os canais 250 se estendem através do elemento cerâmico 252 ao longo de seu comprimento. Uma camada de filtração 252 fica posicionada sobre o substrato 253. A camada de filtração externa se estende a partir da face 251, ao longo dos lados, bem como cobre completamente a superfície interna de cada canal 250. A camada de filtração pode envolver ambas as faces e cobrir parcialmente os lados de cada extremidade do filtro.
[0064] Exemplos de modalidades de um módulo de purificação são ilustrados na Figura 3. O módulo de purificação 320 compreende a câmara de meio contaminado 322, câmara de permeado 330 e câmara de concreto 360. Conforme mostrado, a câmara de meio contaminado 322 e a câmara de permeado 330 são presas uma na outra com uma pluralidade de parafusos e porcas. A câmara de concreto 360 é presa de modo similar à extremidade distal da câmara de permeado 330. A câmara de meio contaminado 322 compreende uma entrada 324, corpo de câmara de meio contaminado 326 e flange 328. Conforme mostrado, a câmara de permeado 330 compreende os flanges 331, o corpo de câmara de permeado 332 e a saída 333.
[0065] Em funcionamento, as vedações à prova de fluidos resultam em meios contaminados que se movem através da entrada 324 para dentro de uma cavidade definida pelo corpo 326, e para dentro e através de filtros de fluxo cruzado posicionados na câmara de permeado. O fluido que permeia os filtros passa através da saída de permeado 333. O fluido que não permeia os filtros entra na câmara de concentrado 360.
[0066] Exemplos de modalidades de uma câmara de permeado com montagens de filtro instaladas são ilustrados na Figura 4. Conforme mostrado, uma pluralidade de montagens de filtração 440 é inserida nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 430. Cada montagem de elemento cerâmico 440 compreende um elemento cerâmico alongado com juntas 431 em cada extremidade. As montagens de elemento cerâmico 440 foram posicionadas nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 430 de modo que as juntas 441 formem vedações à prova de fluidos em cada extremidade da câmara de permeado 430. Conforme mostrado, a câmara de permeado 430 compreende o corpo de câmara de permeado 432 e a saída 433.
[0067] Exemplos de modalidades de uma câmara de permeado com montagens de filtro instaladas são ilustrados na Figura 5A. Conforme mostrado, uma pluralidade de montagens de filtração 540 é inserida nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 530. Cada montagem de elemento cerâmico 540 compreende um elemento cerâmico alongado com juntas 531 em cada extremidade. As montagens de elemento cerâmico 540 foram posicionadas nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 530 de modo que as juntas 531 formem vedações à prova de fluidos em cada extremidade da câmara de permeado 430. Conforme mostrado, a câmara de permeado 530 compreende o corpo de câmara de permeado 532 e a saída 533. Conforme mostrado, um exemplo de modalidade pode compreender cerca de 171 membranas cerâmicas envolvidas.
[0068] Exemplos de modalidades de uma câmara de permeado com montagens de filtro instaladas são ilustrados na Figura 5B. Conforme mostrado, uma pluralidade de montagens de filtração 540 é inserida nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 530. Cada montagem de elemento cerâmico 540 compreende um elemento cerâmico alongado com juntas 531 em cada extremidade. As montagens de elemento cerâmico 540 foram posicionadas nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 530 de modo que as juntas 531 formem vedações à prova de fluidos em cada extremidade da câmara de permeado 530. Conforme mostrado, a câmara de permeado 530 compreende o corpo de câmara de permeado 532 e a saída 533. Conforme mostrado, um exemplo de modalidade pode compreender cerca de 36 membranas cerâmicas envolvidas.
[0069] De acordo com algumas modalidades, uma câmara de permeado, uma câmara de permeado com montagens de filtro instaladas são ilustradas na Figura 6A. Conforme mostrado, uma pluralidade de montagens de filtração 640 é inserida nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 630. Cada montagem de elemento cerâmico 640 compreende um elemento cerâmico alongado com juntas 631 em cada extremidade. As montagens de elemento cerâmico 640 foram posicionadas nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 630 de modo que as juntas 631 formem vedações à prova de fluidos em cada extremidade da câmara de permeado 630. Conforme mostrado, a câmara de permeado 630 compreende a saída 633. Conforme mostrado, um exemplo de modalidade pode compreender cerca de 171 membranas cerâmicas envolvidas.
[0070] Exemplos de modalidades de uma câmara de permeado com montagens de filtro instaladas são ilustrados na Figura 6B. Conforme mostrado, uma pluralidade de montagens de filtração 640 é inserida nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 630. Cada montagem de elemento cerâmico 640 compreende um elemento cerâmico alongado com juntas 631 em cada extremidade. As montagens de elemento cerâmico 640 foram posicionadas nas aberturas na placa de extremidade da câmara de permeado 630 de modo que as juntas 631 formem vedações à prova de fluidos em cada extremidade da câmara de permeado 630. Conforme mostrado, a câmara de permeado 630 compreende a saída 633. Conforme mostrado, um exemplo de modalidade pode compreender cerca de 36 membranas cerâmicas envolvidas.
[0071] Exemplos de modalidades específicos de uma membrana cerâmica são ilustrados na Figura 7. Na Figura 7, o elemento cerâmico 730 compreende o canal 740 e o canal de permeado 731. Conforme mostrado, o elemento cerâmico 730 tem um corte transversal geralmente circular com canais geralmente circulares 740. Os canais 740 se estendem através do elemento cerâmico 730 ao longo de seu comprimento.
[0072] Como será entendido pelos versados na técnica que têm o benefício da presente revelação, outras composições, dispositivos, métodos e sistemas equivalentes ou alternativos para filtração de fluidos podem ser previstos sem que se afaste da descrição contida na mesma. Consequentemente, a maneira de realizar a revelação conforme mostrado e descrito será interpretada apenas como ilustrativa.
[0073] Os versados na técnica podem fazer várias alterações no formato, tamanho, número e/ou disposição de partes sem que se afaste do escopo da presente revelação. Por exemplo, a posição e o número de entradas, aberturas, filtros, juntas, válvulas, bombas, sensores e/ou saídas podem variar. Em algumas modalidades, os filtros, juntas de vedação e/ou montagens de filtração podem ser intercambiáveis. A intercambialidade pode permitir que o tamanho e/ou tipo de contaminantes sejam ajustados individualmente (por exemplo, variando ou selecionando o tamanho e/ou tipo de poro de filtro usado). Além disso, o tamanho de um dispositivo e/ou sistema pode ser ampliado (por exemplo, para ser usado para aplicações de filtração de fluido comerciais ou municipais de alto rendimento) ou reduzido (por exemplo, para ser usado para aplicações domésticas ou de pesquisa de menor rendimento) para atender às necessidades e/ou desejos de um profissional. Cada método e etapa de método apresentados podem ser realizados em associação a qualquer outro método ou etapa de método revelado em qualquer ordem de acordo com algumas modalidades. Quando o verbo “poder” aparece, pretende-se transmitir uma condição opcional e/ou permissiva, porém seu uso não pretende sugerir qualquer falta de operabilidade, exceto onde indicado em contrário. Os versados na técnica podem fazer várias alterações nos métodos de preparação e uso de uma composição, dispositivo e/ou sistema da revelação. Por exemplo, uma composição, dispositivo e/ou sistema pode(m) ser preparado(s) e ou usados conforme for adequado para animais e/ou seres humanos (por exemplo, em relação à higiene, infecciosidade, segurança, toxicidade, biométrica e outras considerações). Os elementos, composições, dispositivos, sistemas, métodos e etapas não citados podem estar incluídos ou excluídos como desejado ou necessário.
[0074] Também, quando as faixas forem fornecidas, os pontos finais do teste revelados podem ser tratados como exatos e/ou aproximações conforme desejado ou demandado pela modalidade particular. Quando os pontos finais do teste forem aproximados, o grau de flexibilidade pode variar proporcionalmente à ordem de magnitude da faixa. Por exemplo, por um lado, uma faixa de ponto final do teste de cerca de 50 no contexto de uma faixa de cerca de 5 a cerca de 50 pode incluir 50,5, porém não 52,5 ou 55 e, por outro lado, uma faixa de ponto final do teste de cerca de 50 no contexto de uma faixa de cerca de 0,5 a cerca de 50 pode incluir 55, porém não 60 ou 75. Além disso, pode ser desejável em algumas modalidades, misturar e combinar os pontos finais de faixas do teste. Também, em algumas modalidades, cada figura revelada (por exemplo, em um ou mais exemplos, tabelas, e/ou desenhos) pode formar a base de uma faixa (por exemplo, valor mostrado +/- cerca de 10%, valor mostrado +/- cerca de 50%, valor mostrado +/- cerca de 100%) e ou um ponto de extremidade de faixa. Em relação ao anterior, um valor de 50 mostrado em um exemplo, tabela e/ou desenho pode formar a base de uma faixa de, por exemplo, cerca de 45 a cerca de 55, cerca de 25 a cerca de 100, e/ou cerca de 0 a cerca de 100. As porcentagens reveladas são porcentagens em peso exceto onde indicado em contrário.
[0075] Todo ou parte de um dispositivo e/ou sistema para filtração de fluidos pode ser configurado e disposto para ser descartável, aproveitável, intercambiável e/ou substituível. Esses equivalentes e alternativas juntamente com alterações e modificações óbvias se destinam a serem incluído dentro do escopo da presente revelação. Consequentemente, a revelação antecedente pretende ser ilustrativa, porém não limitadora, do escopo da revelação como ilustrado pelas reivindicações em anexo.
[0076] O título, resumo, antecedentes e cabeçalhos são fornecidos de acordo com regulamentos e/ou para a conveniência do leitor. Os mesmos não incluem admissões ao escopo e conteúdo da técnica anterior e nenhuma limitação significativa a todas as modalidades reveladas.

Claims (25)

1. Membrana de cerâmica caracterizada por compreender: um substrato (153) compreendendo um tamanho de poro de 3 μm a 10 μm, um aglutinante e tendo uma primeira face (154), uma segunda face (256), um ou mais canais internos (151), e um lado alongado (155) conectando a primeira face (154) à segunda face (256); uma primeira camada de membrana na primeira face (154) do substrato (153); e uma segunda camada de membrana na segunda face (256) do substrato (153); e uma terceira camada de membrana em um ou mais canais internos (151), em que a membrana cerâmica tem um comprimento de 800 mm a 1.600 mm e um fluxo de água de 2.000 litros por hora por metro quadrado de área de superfície de membrana de cerâmica em uma pressão de transmembrana de 0,14 MPa (20 psi) ou menos; em que o aglutinante compreende uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em tilose, acetato de polivinila, polipropileno, poliacrilato de sódio, carbonato de polipropileno, carboximetilcelulose, amidas, álcool polivinílico, dextrina, emulsões de cera, polietilenoglicóis, lignossulfonatos, parafinas, silicato de sódio, silicato de alumínio e magnésio e bentonita; em que a primeira camada de membrana, a segunda camada de membrana e a terceira camada de membrana compreendem, cada uma, uma substância selecionada do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio e carboneto de silício, e em que cada uma da primeira camada de membrana, a segunda camada de membrana e a terceira camada de membrana possuem poros menores que o substrato (153).
2. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o substrato (153) compreender ainda uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio, carboneto de silício.
3. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o substrato (153) ter um diâmetro médio de poro de 3 μm a 10 μm.
4. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a primeira face (154) e a segunda face (256) da membrana de cerâmica possuem, cada uma, um diâmetro de vértice a vértice de 38 mm a 90 mm.
5. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, sendo que a membrana de cerâmica é caracterizada por a primeira face (154) e a segunda face (256) terem uma forma hexagonal.
6. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a primeira face (154) e a segunda face (256) da membrana de cerâmica possuírem, cada uma, um diâmetro de vértice a vértice de 80 mm.
7. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a primeira camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio e carboneto de silício.
8. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a segunda camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio e carboneto de silício.
9. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a terceira camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio e carboneto de silício.
10. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por até três camadas da primeira camada de membrana poderem estar em contato com a primeira face (154) da membrana.
11. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por até três camadas da segunda camada de membrana poderem estar em contato com pelo menos uma porção da segunda face (256) da membrana.
12. Membrana de cerâmica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por até três camadas da terceira camada de membrana poderem estar em contato com o lado alongado (155) da membrana.
13. Método de produção de uma membrana de cerâmica, conforme definida na reivindicação 1, sendo o método caracterizado por compreender: extrudar um material de substrato (153) compreendendo um tamanho de poro de 3 μm a 10 μm e um aglutinante para formar um comprimento de membrana extrudada (153) que tem pelo menos uma primeira face (154), uma segunda face (256) e um lado alongado (155); secar o comprimento da membrana extrudado (153) para formar um substrato de membrana de cerâmica; colocar uma primeira camada de membrana em contato com a primeira face (154); colocar uma segunda camada de membrana em contato com a segunda face (256); e colocar uma terceira camada de membrana em contato com o lado alongado (155); em que o aglutinante compreende uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em tilose, acetato de polivinila, polipropileno, poliacrilato de sódio, carbonato de polipropileno, carboximetilcelulose, amidas, álcool polivinílico, dextrina, emulsões de cera, polietilenoglicóis, lignossulfonatos, parafinas, silicato de sódio, silicato de alumínio e magnésio e bentonita; em que a membrana de cerâmica tem um comprimento de 800 mm a 1.600 mm e um fluxo de água de 2000 litros por hora por metro quadrado de área de superfície da membrana a uma pressão transmembranar de 0,14 MPa(20 psi) ou menos, em que a primeira camada de membrana, a segunda camada de membrana e a terceira camada de membrana compreendem, cada uma, uma substância selecionada do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio e carboneto de silício, e em que cada uma da primeira camada de membrana, a segunda camada de membrana e a terceira camada de membrana terem poros menores que o substrato (153).
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o material de substrato ainda compreender uma base de substrato.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a base de substrato compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina, dióxido de zircônio, dióxido de titânio, carboneto de silício.
16. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a primeira camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio; ou carboneto de silício.
17. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a segunda camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio; ou carboneto de silício.
18. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a terceira camada de membrana compreender uma substância selecionada a partir do grupo que consiste em alumina; dióxido de zircônio; dióxido de titânio; ou carboneto de silício.
19. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por até três camadas da primeira camada de membrana poderem estar em contato com a primeira face (154) da membrana.
20. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por até três camadas da segunda camada de membrana poderem estar em contato com a segunda face (256) da membrana.
21. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por até três camadas da terceira camada de membrana poderem estar em contato com o lado alongado (155) da membrana.
22. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o material de substrato ter um diâmetro médio de poro de 3 μm a 10 μm.
23. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a primeira face (154) e a segunda face (256) da membrana de cerâmica terem, cada uma, uma forma hexagonal.
24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por o prisma hexagonal ter um diâmetro de vértice a vértice de 38 mm a 90 mm.
25. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o lado alongado (155) da membrana de cerâmica ter um comprimento de 800 mm a 1.600 mm.
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