CZ287841B6 - Membrane device, for withdrawing permeate, gas purified array containing this membrane device, system for discharge permeate from a multicomponent liquid substrate and method of maintaining outer surface of hollow fibers substantially free of deposits - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká bezrámového uskupení dutých vláknových membrán, způsobu udržování čistého povrchu vláken při filtraci substrátu, systému pro odvádění permeátu z vícesložkového kapalného substrátu a způsobu udržování vnějšího povrchu dutých vláken v zásadě bez nánosů.

Dosavadní stav techniky

Naše hlavní přihláška vynálezu č. 07/569,405 (US patent 5 104 535) byla zaměřena na bezrámové uskupení dutých vláken, které bylo vytvořeno bez zalití koncových částí vláken. Výraz „vlákna“ je zde pro stručnost používán jako označení pro „membrány z dutých vláken“. Výrazem „uskupení“ je zde označována vrstva soustavy vláken uspořádaných v jediné rovině se vzájemným odstupem. Vlákna byla uchycena poblíž jejich koncových částí ve dvojici protilehlých identických dělených spínacích vazačů, které jsou navzájem přemístitelné ve všech směrech. Vazače byly opatřeny vybráními, ve kterých byly zajištěny konce vláken. Nazývali jsme je „dělené spínací“ vazače, protože se jedním nebo druhým způsobem sepnuly dohromady (jako v nabíjecím zásobníku), než mohla být soustava uskupení dána k použití.

Naše kmenová přihláška vynálezu ě. 07/845,168 (US patent 5 182 019) byla popsána ve vztahu k soustavě bezrámových uskupení těsně spojených podél jejich okrajů přeložením tak, aby se vytvořila kazeta pro použití v pouzdře modulu, přičemž tato kazeta se používá stejným způsobem jako soustava článků v modulech podle dosavadního stavu techniky. Výraz „článek“ byl používán jako označení soustavy vláken v rámu podle dosavadního stavu techniky. Výraz „uskupení“ se používal v přihlášce vynálezu č. 07/845,168 ve stejném úzkém smyslu jako v patentu č. 5,104,535, se zdůrazněním, že zde nebyly žádné tuhé podpůrné prostředky pro vlákna kromě navzájem od sebe vzdálených vazačů, ve kterých byly zachyceny konce vláken, jinými slovy, vlákna v uskupení nebyla mezi vazači podepřena, jak je uvedeno v patentu č. 5,104,535, tedy byla „bezrámová“.

Uložení uskupení vláken v případě použití bezrámových uskupení bylo založeno na konstrukci sestavy uskupení, za účelem vytvoření potřebného malého napětí vláken, aby zůstala vyrovnána. Takovéto napětí zajišťuje vrstevnaté uspořádání vláken v po sobě jedoucích uskupeních soustavy uskupení, přičemž v každé vrstvě, v rovině obsahující obě sady konců vláken jediného uskupení, jsou vlákna navzájem lineárně vzdálena. Modul byl vytvořen za použití několika přeložených kazet, které byly pracovně umístěny v pouzdře modulu. Protože vlákna v každém uskupení měla být podrobena podmínkám prudkého proudu tekutiny uvnitř pouzdra, vlákna použitá v našich předchozích vynálezech byla relativně krátká, v rozmezí 5 cm až 0,5 metrů.

Problém spočíval v tom, že relativní náklady na práci s modulem podle předchozích vynálezů byly relativně vysoké s ohledem na jejich použití ve velmi rozměrných systémech, ve kterých náklady na objemovou jednotku odstraněného permeátu měly být co nejnižší. Za účelem nalezení účinného řešení tohoto problému, jsme zlepšili koncepci bezrámového uskupení a při tom sestavili překvapivě účinný systém.

Tato situace dala popud k tomu, abychom se přidrželi uskupení a vypustili modul. Avšak hlavním úkolem našich předcházejících vynálezů bylo maximalizovat účinnost „modulového“ membránového přístroje a vyloučit problémy způsobené přímým zasazováním konců v jednotlivých uskupeních a čistým oddělením konců zasazených vláken. Navrhli jsme uskupení pro sestavu do kazety, z nichž několik bylo seskupeno tak, že vytvářely zásobník pro použití

-1 CZ 287841 B6 v pouzdře modulu. V tomto technickém systému se zdálo nelogické upustit od soustavy uskupení, protože to znamenalo upustit od pouzdra modulu. Přesto jsme obojí provedli.

Protože jsme upustili od obou požadavků našich předcházejících vynálezů, konkrétně od sestavení jednotlivých uskupení do zásobníků nebo kazet a také od použití modulu, ve zpětném pohledu se náhle ukázala účinnost a jednoduchost vypuštění obojího.

Na první pohled bylo zřejmé, že vzdáním se výhod obou základních nezbytných podmínek pro práci s modulem, konkrétně se jednalo o proud „substrátu“ (také je nazýván vícesložkový kapalný přítok) o vysoké rychlosti, a také relativně vysoký tlak předávaný modulu, nemohlo vést k řešení problému. Velká rychlost udržovala povrch vláken čistý, a vysoký tlak udržoval velký tok. „Vícesložkovým kapalným přítokem“ označujeme například ovocné šťávy, které mají být čištěny nebo koncentrovány, voda obsahující částice, proteinové kapalné mléčné výrobky, jako například syrovátka a podobně. Výrazem částice je označována filtrovatelná látka o mikronové (laž44pm) a submikronové (0,1 až 1 pm) velikosti částic, která zahrnuje nejen částice anorganických látek, ale také mrtvé a živé biologicky aktivní mikroorganismy, koloidní disperze, roztoky velkých organických molekul, jako například fulvinová kyselina a huminová kyselina, a olejové emulze.

Dále se opět očekávaly problémy týkající se dynamicky tekutin s ohledem na práci s „bezmodulovým“ bezrámovým uskupením, v relativně nevířícím substrátu pod atmosférickým tlakem, s ohledem na vystavení vláken působení živých mikroorganismů a materiálu malých neživých částic, přičemž o obojím je známo, že se rychle usazuje na každém povrchu, který přichází do kontaktu se substrátem, který je obsahuje.

Podstata vynálezu

Ze všech důvodů, které jsou nyní zřejmé, byly problémy řešeny použitím bezrámových uskupení, plovoucích v substrátu s bublinami plynu pro čištění vláken (také nazývaného čisticí plyn). Každé uskupení obsahuje náhodné nebo stanovené množství velmi dlouhých vláken, téměř vždy delších než 0,5 m, a často dlouhých 8 m nebo více, zajištěných v navzájem vzdálených vazačích. Bylo zjištěno, že dlouhá vlákna jsou velmi náchylná k poškození, čímž delší vlákno, tím větší choulostivost. Tato hrozba byla vyvozena z pozorovaného poškození v modulech, způsobeného proudem substrátu, který proudil přes vlákna v modulu relativně velkou rychlostí.

Vyloučením konvenčního použití velkého proudu při vysokém tlaku přes uskupení v modulu, připevněním vazačů bezrámového uskupení uvnitř zásobníku substrátu a umožněním volného pohybu vláken v substrátu, jsme minimalizovali poškození vláken. Protože vazač zajišťuje svazek alespoň 10, s výhodou 50 až 50 000 dlouhých vláken, svinutých do smyčky, svazek vláken je také označován jako „přadeno“. Výraz „svazek“ označuje množství vláken, náhodně rozložených v s těsným vzájemným odstupem a uchycených zalitím pryskyřicí, takže se nyní vytvořil geometricky nepravidelný okraj kolem vnějších obvodových oblastí vnějších vláken. V přadenu se může každé vlákno volně pohybovat nezávisle na ostatních vláknech. Zjistili jsme, že volně rozvinuté přadeno vláken bylo velmi trvanlivé a také provozně spolehlivé.

Výraz „uskupení“ je používán ve stejném významu jako dříve, avšak označuje svazek dlouhých vláken, z nichž každé je obecně delší než 0,5 m, přičemž opačné konce těchto vláken jsou zajištěny v navzájem vzdálených vazačích a přes oba současně má být odstraňován permeát. Nejvýhodnější je, když jsou konce vláken uchyceny bez ohledu na vzájemnou geometrickou polohu vláken, pokud jsou všechna vlákna v zásadě vedena v jednom směru přes jedno čelo každého vazače, volné konce vláken procházejí protilehlým druhým čelem každého vazače, a v podstatě žádné vlákno se nedotýká jiného vlákna, čímž se zajistí kapalinotěsný uzávěr kolem každého vlákna ve vazači.

-2CZ 287841 B6

V konkrétním případě, když je vytvořena porézní nebo polopropustná membrána ve formě kapilární trubice nebo dutého vlákna a používána pro filtraci, materiál membrány rozdělí modul na přítokovou zónu a nepřítokovou zónu označovanou jako zóna permeátu. Přítok nebo substrát, který je zaváděn vzhledem k vláknům buďto externě (označovaný jako proud „zvenku dovnitř“), nebo interně (proud „zevnitř ven“), je rozdělen na tok „permeátu“ a tok „koncentrátu“. Bezrámové uskupení podle vynálezu je omezeno na použití v případech, kdy je proud substrátu „zvenku dovnitř“ v relativně velké jímce, o objemu přesahujícím 10 litrů, s výhodou přesahujícím 1000 litrů, v proudu, častěji v nádrži. Obvykle je v nádrži pod atmosférickým tlakem upevněno několik bezrámových uskupení se sběrným ústrojím pro permeát a tento permeát je odstraňován z nádrže.

Ve velké nádrži nebo velkém bioreaktoru, kde jsou použity skupiny bezrámových uskupení, není odstraňována žádná jiná kapalina než permeát („slepá nádrž“, viz obr. 5). Podobně uspořádaná soustava bezrámových uskupení je označována jako „skupina“ uskupení. Když je nádrž používána např. ve spojení s bioreaktorem, je odstraňován permeát a zbývající obsah nádrže (označovaný jako koncentrát) se vrací (viz obr. 6).

Účinnost našeho systému je omezena na mikrofiltraci a ultrafiltraci. Práce systému spočívá na umístění navzájem vzdálených vazačů bezrámového uskupení vzhledem ke zdroji dostatečně otěrem čisticího plynu, aby se zachoval tok uskupení a aby mohl být permeát pouze jedním, s výhodou oběma vazači odváděn tak, že se zajistí diferenciál tlaku přes membránu u vláken při provozních podmínkách. „Diferenciál tlaku přes membránu“ označuje rozdíl tlaku přes stěnu membrány, vyplývající z provozních podmínek, ve kterých membrána pracuje.

Vztah toku a permeability a diferenciálu tlaku přes membránu je dán rovnicí:

J = kÁP kde J je tok, kje konstanta permeability a ΔΡ je diferenciál tlaku přes membránu, a k = l/pRm, kde μ = viskozita vody a Rm je odpor membrány.

Diferenciál tlaku přes membránu může být vytvořen buďto konvenčním vakuovým čerpadlem, nebo s výhodou bez něho, když je diferenciál tlaku přes membránu dostatečně nízký, v rozmezí od 0,7 kPa do 101 kPa. Použití vakuového čerpadla se lze vyhnout zajištěním adekvátního „hydraulického spádu“ mezi povrchem substrátu a bodem, v němž je odebírán permeát, nebo použitím čerpadla, nikoli vakuového čerpadla (zde označovaného jako nevakuové čerpadlo), které generuje tlakový rozdíl na sací straně, nebo užitečný kladný sací spád (NPSH), schopný zajistit diferenciál tlaku přes membránu generovaný za provozních podmínek. Nevakuové čerpadlo může být odstředivé, rotační, příčné, průtokové nebo jiného typu. Kromě toho, jak je dále podrobněji vysvětleno, když je tok permeátu jednou čerpadlem zaveden, čerpadlo už nemusí být nutné, a permeát dále proudí v důsledku „násoskového efektu“. Samozřejmě při práci s vlákny, na které působí diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí do 101 kPa, může vakuové čerpadlo zajistit adekvátní službu, pokud jímka není taková, a v rozmezí od 101 kPa do přibližně 345 kPa (50 psi), když je jímka tlaková, je kapalinovým spádem generován přetlak, a kterákoli kombinace předchozího, pokud je to žádoucí.

Náš systém je omezen na použití bezrámového uskupení vláken, která jsou za provozu volná a nezajištěná, samozřejmě kromě vazačů. Takováto nezajištěná vlákna se pohybují v zásadě volně v substrátu, ve kterém jsou rozvinuta, až na oblast v blízkosti vazačů, kde jsou zajištěna, přičemž míra jejich pohybu je dána volnou délkou vláken vzhledem k navzájem vzdáleným vazačům a pohybem substrátu.

Volně pohyblivá vlákna se kývavě pohybují mezi vazači křivočarým pohybem, a pohyb jednotlivých vláken v přadenu je v zásadě nezávislý na pohybu jiných vláken. Aby se mohla vlákna kývavě pohybovat mezi navzájem vzdálenými vazači, musí být vlákna dostatečně dlouhá,

-3CZ 287841 B6 aby se umožnil jejich pohyb ze strany na stranu, případně s vertikálně vlnivým pohybem. Složený pohyb vláken může být výsledkem například míchání substrátu nebo konvekčního proudění v substrátu, když jsou vlákna dostatečně dlouhá vzhledem ke vzdálenosti mezi navzájem vzdálenými vazači. Když je v bezrámovém uskupení použito velké množství vláken v rozmezí 300 až 3000 nebo více, pohyb sousedních vláken může být přizpůsoben pohybu ostatních vláken, avšak v přadenu neexistuje v zásadě žádné omezení pohybu vláken. Bezrámové uskupení podle vynálezu je tedy označováno jako uskupení obsahující volně pohyblivá vlákna, jejichž opačné konce jsou zasazeny do navzájem od sebe vzdálených vazačů, ačkoli podle méně výhodného provedení mohou být opačné konce zasazeny se vzájemným odstupem do jediného vazače, který poskytuje dostatek místa pro obě sady konců.

Bylo náhodně pozorováno, že takto volně pohyblivé konce skýtají nejen vynikající ochranu proti usazování materiálu ve formě částic, z čehož vyplývá zachovávání silného toku, ale také obecně lepší přímý kontakt se substrátem, a delší životnost s ohledem na odolnost vůči poškození působením materiálu ve formě částic.

Výraz vazač se používá pro specifikaci určité části materiálu, obvykle souvislé hmoty tuhé pryskyřice, (plastické) o libovolných rozměrech, do které je utěsněné zachycena každá koncová část soustavy vláken v přadenu, aby se předešlo kontaminaci permeátu substrátem v dutině vlákna. Za účelem snadného zasazení koncových částí vláken tak, aby jednotlivá vlákna byla od sebe oddělena vulkanizovanou pryskyřicí, jak je popsáno níže, vlákna jsou nejlépe zalita do kapalného přírodního nebo syntetického pryskyřičného materiálu, s výhodou do termosetu, který poté, co je vulkanizován, tvoří vazač. Podle méně výhodného provedení může být použit kterýkoli jiný způsob zajištění opačných koncových částí ze svazku vláken s těsným vzájemným odstupem podle dosavadního stavu techniky.

Když jsou opačné koncové části vláken v přadenu zajištěny v protilehlých vazačích vzdálených od sebe méně než 30 cm ve velké nádrži, přadeno vytvoří smyčku obecně ve tvaru Ω (ve tvaru podkovy). Když jsou vazače od sebe vzdáleny více než 30 cm, přadeno má obecně tvar (obrácené U), přičemž míra, do jaké je zploštěno závisí na tom, jak daleko jsou vazače od sebe. Oba tyto tvary jsou zde označovány jako „obecně parabolické“.

Dvojice vazačů s jediným přadenem nebo skupina několika vazačů s přadeny nebo několik skupin, kde jedna skupina je uložena na druhou, se sběrným ústrojím pro permeát (sběrač permeátu), jsou s výhodou odstranitelně uspořádány uvnitř volitelně velkého tělesa („zásobníku“) se substrátem, ať už se jedná o substrát uzavřený v nádrži, nebo neuzavřený, tekoucí v proudu. Geometrický vztah jednoho vazače a sběrače z uvedené dvojice vzhledem k druhému v obecně příčné rovině není důležitý, pokud je přadeno rozvinuto s volně pohyblivými vlákny, tedy vlákna se mohou volně pohybovat se kterýmkoli pohybem substrátu, ve kterém jsou rozvinuty. Když je použita skupina bezrámových uskupení, není důležitý geometrický vztah jedné dvojice vazačů vzhledem k druhé dvojici, pokud jsou všechna přadena rozvinuta tak, jak je uvedeno.

Ve zvláštním případě, kdy je použito bezrámové uskupení volně pohyblivých vláken v kombinaci se zdrojem čisticího plynu, jako například vzduchu, za účelem okysličování kapalné směsi v substrátu, většina, ne-li všechen požadovaný vzduch se zavádí buď kontinuálně, nebo přerušovaně přímo pod vlákna v přadenu. S výhodou je zdroj užívaného plynu umístěn relativně blízko vláken, obvykle méně než 2 m pod nimi, aby se zajistil proud relativně velkých bublin o průměru přibližně alespoň 1 mm, když se bubliny dostávají do kontaktu s vlákny a proudí přes ně a kolem nich. Zjistilo se, že takovéto provzdušňování zajišťuje takovou fyzikální nárazovou sílu (bublin na vlákna), která dostatečně udržuje povrch vláken bez uchycených mikroorganismů a nánosů neživých částic pro zajištění relativně vysokého a stabilního toku permeátu po mnoho týdnů, ne-li měsíců provozu. Význam tohoto zlepšení se lépe ohodnotí, když se vezme v úvahu, že povrch vláken v konvenčních modulech se čistí každý den, a obvykle ještě častěji.

-4CZ 287841 B6

Protože náš systém pracuje bez použití pouzdra, neexistuje zde prázdné místo, které by se zaplnilo vlákny, a protože se plyn zavádí bezprostředně k vláknům a pod ně, není zde zapotřebí udržovat velkou rychlost substrátu přes povrch vláken, aby se povrch vláken zachoval čistý. Výsledkem je, že zde vlastně není dán mezní počet volně pohyblivých vláken, které mohou být použity v bezrámovém uskupení, přičemž praktická mez je dána (i) možností spolehlivého zalití jejich konců, a (ii) počtem uskupení, která mohou být v nádrži nebo jímce rozvinuta, kde počet je dán velikostí vodního tělesa, rychlostí, kterou má být permeát odstraňován a náklady na odstraňování.

Obvykle se v bezrámovém uskupení volně pohyblivých vláken použije relativně velký počet vláken, alespoň 100, z nichž každé je alespoň 0,5 m dlouhé. Když tato vlákna mají relativně malý diferenciál tlaku přes membránu, je systém za účelem odstranění permeátu s výhodou provozován s „nevakuovým“ čerpadlem. Pokud kapalinový spád, měřený jako vertikální vzdálenost mezi úrovní substrátu a úrovní, ze které se má odstraňovat permeát, je větší než diferenciál tlaku přes membránu u vláken, bude se permeát oddělovat z ostatního substrátu v důsledku gravitace, bez použití vakuového čerpadla. „Vakuovým čerpadlem“ je zde míněno čerpadlo schopné nasát alespoň 0,1 MPa.

Bez ohledu na to, zda se použije vakuové čerpadlo nebo čerpadlo jiného typu, nebo je permeát odstraňován násoskovým efektem, je zásadně důležité, aby se vlákna uspořádala přesně do obecně parabolického tvaru, nad vodorovnou rovinou přes vodorovnou osu vazače. V důsledku pochopení práce uskupení podle vynálezu bude zřejmé, že, protože vlákna v přadenu mají obvykle menší hustotu než substrát, ve kterém jsou použita a proto plavou, je nepraktické uložit uskupení volně pohyblivých vláken pod vodorovnou rovinou procházející vodorovnou osou vazače.

V předcházejících desetiletích se základní principy, které řídí práci membránových přístrojů, staly dobře známými. Avšak nikoli, jak tyto principy využívat, a myšlenka a využití bezrámového uskupení vláken, jejichž opačné konce jsou bezpečně zachyceny v navzájem vzdálených vazačích, bez použití pouzdra, odborníkům unikla. Tedy při vhodných podmínkách v systému, jak je znázorněno na obr. 4 až 9, představuje bezrámové uskupení se svým přadenem vláken v kombinaci se sběrným ústrojím pro permeát překvapivě účinný membránový přístroj, který může být provozován s odstředivým čerpadlem s nízkým NPSH (užitečný kladný sací spád), dokonce i když je permeát odstraňován z oblasti nad vodorovnou rovinou procházející vodorovnou osou vazače.

Protože zde v konvenčním smyslu neexistuje modul, jediné fyzikální úvahy, které ovlivňují provoz bezrámového uskupení v jímce substrátu, jsou vlastní úvahy ohledně membrány dutého vlákna a substrátu. Takovéto úvahy zahrnují permeabilitu a zadržovací schopnost vlákna, provozní podmínky proudění substrátu, jako například tlak, průtoková rychlost přes vlákna, teplota a podobně, fyzikální a chemické vlastnosti substrátu a jeho složek, relativní směry proudění substrátu (pokud proudí) a permeátu, dokonalost kontaktu substrátu se stěnami vláken, a další parametry, z nichž každý má vliv na účinnost uskupení. Úkolem je prakticky a ekonomicky maximalizovat účinnost uskupení.

Nyní je zřejmé, že když je přadeno bezrámového uskupení volně rozvinuto tak, jak je zde popsáno, jakýkoli problém týkající se usměrňování přítoku v důsledku nerovnoměrné distribuce vláken, je v zásadě odstraněn, protože vlákna v něm zůstávají uložena a volně plavou ve filtrovaném substrátu. Dále, protože vlákna jsou stejnoměrně po celém svém povrchu v kontaktu se substrátem tak, jak se v něm pohybují, uskupení zajišťuje filtrační výkon založený na maximalizované ploše povrchu vlákna. Tento výkon je založen především na součtu povrchových ploch každého vlákna v přadenu. Dále v důsledku snadnosti, s jakou substrát pokrývá povrch vláken, mohou být uspořádány jako hustý svazek v jediné části vazače, takže je hospodárné rozvinout uskupení o velkém povrchu membrány až do 1000 m² a více.

-5CZ 287841 B6

U vláken použitých v uskupeních podle vynálezu není požadován úzký, kritický diferenciál tlaku přes membránu, ačkoli je výhodné použít vlákna s nízkým diferenciálem tlaku přes membránu. Vlákno, které pracuje při malém diferenciálu tlaku přes membránu v rozmezí od 0,7 kPa do přibližně 206 kPa, s výhodou 3,5 kPa do přibližně 70 kPa může vytvářet permeát pouze účinkem gravitace, pokud je vhodně uloženo vzhledem k místu, kde je odebírán permeát, přičemž čím je vlákno delší, tím více je permeátu.

Obvykle jsou dutá vlákna zasazena v blízkosti opačných konců v opačných vazačích, které jsou uzpůsobeny ke kapalinotěsnému zasazení do vnitřní stěny pláště konvenčního modulu pomocí těsnicích prostředků. Oblast membrány, kterou lze v takovémto modulu zajistit, je omezena velikostí vazače a hustotou uložení vláken v modulu. Protože hustota uložení nepředstavuje omezení v bezrámovém uskupení podle vynálezu a modul zde neexistuje, je zřejmé, že použití bezrámového uskupení bude hospodárnější než modul, který vykazuje stejný tok permeátu.

Vynález umožňuje umístění velkého počtu vláken v libovolné vzájemné poloze do každého vazače z organického materiálu syntetické pryskyřice. Není důvod přesně umísťovat vlákna před tím, než jsou zalita, čímž se vyloučí četné prohlubně při zalévání koncových částí vláken do pryskyřice, která může ztuhnout. Po zalití a poté, co je vazač rozříznut ostrým nožem, aby se odkryly otevřené konce vláken, koncový povrch každého vazače se jeví kvůli otevřeným koncům vláken perforovaný. Tuhá pryskyřice tvoří izolaci kolem vnějšku koncových částí každého vlákna rozložených v rovině řezu vazače.

Dále není zapotřebí řešit geometrii rámu, který má podepírat každé uspořádání vláken, protože v bezrámovém uskupení není žádný rám.

Bezrámové uskupení podle vynálezu se nejlépe využije pro zpracování odpadních vod v kombinaci se zdrojem plynu obsahujícího kyslík, který probublává substrátem a pod ním, nejlépe přímo pod obloukem vláken rozvinutých v substrátu, za zvláštním účelem okysličování směsi v aktivovaném kalu tak, jak se používá při biologickém čištění odpadních vod. Zjistilo se, že pokud se přímo pod dolní část přadena nebo v blízkosti základny každého z navzájem vzdálených vazačů přivádí dostatek vzduchu, aby byla vlákna stále otírána bublinami, a vlákna se mohou volně plavmo pohybovat v aktivovaném kalu tak, že tvoří obloukovitý profil (v bokorysu), nad rovinou, ve které leží vazačové části, je utlumena tvorba růstu mikrobů na povrchu vláken, zatímco permeát je přímo odváděn z aktivovaného kalu, a po dlouhé období je udržován vynikající tok permeátu. Protože v zásadě všechny části povrchu vláken zadržují postupující bubliny při stoupání, ať už je vzduch dodáván kontinuálně nebo přerušovaně, říká se o vláknech, že jsou otírána bublinami.

Použití uskupení vláken při přímém ošetřování aktivovaného kalu v bioreaktoru je popsáno v článku s názvem „Direct Solid—Liquid Separatio Using Hollow Fiber Membrane in an Activated Sludge Aeration Tank“ od Kazuo Yomamoto a kol. v Wat. Sci Těch, svazek 21, Brighton, strany 43-54, z roku 1989. Uvádí se zde: „Tři membránové jednotky z dutých vláken (Mitsubishi Rayon Engineering Co., Ltd) (povšimněte si, že každá jednotka je na obr. 1 a 2 znázorněna se 3 vlákny) jsou ponořeny a svisle upevněny v reaktoru. Membrány byly vytvořeny z polyethylénu s velikostí pórů 0,1 mikronu, což spadá do oblasti mikrofiltrace“.

Protože polyethylénová vlákna plovou, byla vlákna pravděpodobně přivázána ktyči, aby byla v reaktoru přichycena dolů. Uvádí se: „Vzduch byl přiváděn při dně reaktoru s rychlostí proudění 1,8 1/min.“ (viz řádky 8-9 na straně 44 dole). Konce vláken jsou znázorněny tak, že jsou zajištěny v jediným vazači, do kterého je generováno vakuum, bud’ kontinuálně, nebo přerušovaně, za účelem odvedení permeátu z membrán přichycených dolů. Není zde uvedeno, o jaký zdroj vzduchu nebo prostředek použitý pro zavádění vzduchu do reaktoru se jednalo. Také zde není uveden žádný jiný účel přívodu vzduchu, než zachování mikroorganismů.

-6CZ 287841 B6

V důsledku přichycení vláken dolů vedlo do jisté míry k ucpání bezprostředně po započetí filtrace a proud přestal být citlivý na tlakový rozdíl v závislosti na čase (viz strana 46 dole).

V dalším postupu změny proudu a tlakového rozdílu v závislosti na čase ukazují, že „počáteční tlak byl 2,5 x 10^-6 m³/(m².s)(90 litrů/m².h) a tlakový rozdíl se zvýšil na 10 kPa, dosažených při vakuu, a tok se prudce snížil do 5 dnů po započetí postupu. Bylo pozorováno, že v prvních 5 dnech se objevilo silné ucpání. Několikrát byl uskutečněn pokus o zpětné promývání pomocí vytékající tekutiny nebo vzduchu, avšak bez úspěchu. Ačkoli se po zpětném promývání dosáhlo malého zlepšení, tok se okamžitě změnil na původní.“ (viz věty na konci strany 47 a začátku strany 48).

Yamamoto a kol. uvedli, že „k ucpávání může docházet při nízkých koncentracích usazených tuhých látek ve směsi (MLSS) při nasazení velkého tlakového rozdílu. To vede k závěru, že pro dlouhodobý stabilní provoz nemůže být použito kontinuální sání. Když se v membránovém modulu jednou objeví ucpávání, toto ucpávání zvyšuje tlakový rozdíl a zvýšení tlakového rozdílu 15 zase podporuje ucpávání, což nakonec vede k nenapravitelnému zmaru provozu“ (viz strana 48, celý druhý odstavec).

Relativně malý výkon získaný u Yamamoto a kol. byl především výsledkem toho, že si neuvědomili zásadní význam udržování toku při provzdušňování přadena vláken z oblasti uvnitř 20 přadena a pod ním. Jinými slovy, neuvědomili si nutnost důkladného čištění v zásadě veškerého povrchu vláken prouděním bublin přes přadeno tak, aby byla stále otírána bublinami. Tento požadavek je důraznější, když se počet vláken v přadenu zvyšuje. Protože Yamamoto a kol. přichytili vlákna v jejich zkušebním reaktoru dolů, nebylo schopni provzdušňovat své přadeno ze tří vláken z oblasti pod obloukem, který by vytvořili, kdyby byla vlákna v substrátu převrácena.

Dále bylo nyní zjištěno, že velmi malé bubliny o velikosti v rozmezí od přibližně 10 pm do 1 mm v průměru jsou neúčinné, pokud jde o zamezení tvorby růstu mikroorganismů na vláknech. Zdá se, že síla spojená s tak malými bublinami je nedostatečná k tomu, aby se mikroorganismům odebrala možnost adekvátního počátečního uchopení nebo zachycení na povrchu vláken, nebo 30 aby byly vypuzeny, pokud se jim podařilo se takto zachytit.

Jak bude nyní zřejmé, protože většina substrátů je znečištěna materiálem ve formě částic o mikronové a submikronové velikosti, jak organickými, tak anorganickými, musí být povrch vláken v jakémkoli účinném membránovém zařízení udržován v čistotě. Proto nej výhodnějším 35 použitím bezrámového uskupení ve funkci membránového zařízení je sestava v kombinaci s rozvodnými prostředky pro plyn, která je obvykle používána pro rozvod plynu pro čištění vláken, jako například vzduch nebo kyslíkem obohacený vzduch přes vlákna ze vnitřku přadena a přímo pod vlákny.

Zkoušky pomocí přístroje od Yamamoto a kol. ukazují, že když je vzduch zajištěn vně přadena, tok se sníží mnohem rychleji za období pouhých 50 hodin, což potvrzuje výsledky, které získali. To je zřejmé v obr. 1, kde jsou srovnávány výsledky získané u Yamamoto a kol. se zařízením podle vynálezu, přičemž obě zařízení používají v zásadě stejná vlákna, která jsou provzdušňována stejným množstvím vzduchu, za v zásadě stejných podmínek jako byly dány u 45 Yamamoto a kol. Jediným rozdílem u obou zkoušek je, že vzduch pro naše zařízení se rozváděl z oblasti pod a uvnitř oblouku vytvořeného přadenem volně pohyblivých vláken.

Ve výzkumech prováděných Yamamoto a kol. s dolů přichycenými vlákny se pokračovalo a o posledním vývoji bylo referováno v článku nazvaném „Organic Stabilization and Nitrogen 50 Removal in Membrane Separation Bioreactor for Domestic Wastewater Treatment“ od C.

Chiemchaisri a kol. v přednášce na Konferenci o membránové technologii pro správu odpadních vod, v Kapském městě, JAR, ve dnech 2.-5. března 1992, bylo usilováno o zlepšení toku vytvořením velmi turbulentních podmínek uvnitř zóny separace s pomocí tryskového provzdušňování, které bylo nainstalováno uvnitř membránového modulu, avšak vně zachycených

-7CZ 287841 B6 vláken. Zóna separace zřejmě přímo proudově komunikuje s obsahem bioreaktoru. Modul zahrnoval hlavní bioreaktor a separační jednotku ponořenou do bioreaktoru.

Membrány z dutých vláken, z nichž každá měla plochu povrchu 0,3 m² a byla podepřena rámem, se uchytily uvnitř separační jednotky, takže vlákna visela na jedné straně lopatkového míchadla, pod vazačem, ve kterém byla zalita vlákna. Permeát byl extrahován pomocí sacího čerpadla za přerušovaných provozních podmínek, a lopatkové míchadlo poháněné motorem vytvářelo příčné proudění směsi přes membránový povrch. Směr otáčení lopatek, které rotovaly rychlostí 290 otáček/minutu, se měnil každých 10 sekund. Dále bylo prováděno tryskové provzdušňování jednou za 90 minut po dobu 1 minuty, přičemž směr tryskání vzduchu byl radiální vzhledem k vláknům, takže se vzduch foukal přes přichycená vlákna. Kombinace výše uvedených podmínek zajišťovala velké proudění, protože byl potlačován růst mikrobů.

V předcházejícím zveřejnění od Chiemchaisri je zřejmé, že vlákna jsou přichycena dolů a zásadní význam má uvedené velmi turbulentní proudění vody v různých směrech. Toto uspořádání neumožňuje, aby byl permeát odebírán jen účinkem gravitace, bez použití sacího čerpadla. A konečně z ekonomického hlediska nejsou vysoké provozní náklady tak, jak jsou popsány v článku od Chiemchaisri a kol., výhodnější než provozní náklady podobného bioreaktoru v kombinaci s externě uspořádaným modulem polopropustné membrány.

Je zřejmé, že údaje od Yamamoto a kol. i od Chiemchaisri a kol. naznačovaly, že proud vzduchu přes povrch přichycených vláken vůbec nepřispěl k potlačení uchycování mikroorganismů ze substrátu.

Podstata vynálezu

Bylo zjištěno, že usazování rostoucích mikrobů nebo nanášení neživých částic na povrchu vláken stále otíraných bublinami plynu pro čištění vláken (čisticí plyn), především plynu obsahujícího kyslík (čištěno vzduchem), je v zásadě zamezeno, když jsou vlákna volně plavmo pohyblivá v bezrámovém uskupení ponořeném v substrátu, kterým stoupají bubliny s dostatečnou fyzikální nárazovou silou (moment a energie), aby uchovaly vlákna v zásadě bez škodlivých nánosů, takto je udržován neočekávaně velký tok po dlouhé časové období, během kterého se vytváří permeát prouděním přes vlákna zvenku dovnitř.

Také se zjistilo, že připevněním dvojice navzájem od sebe vzdálených vazačů uvnitř substrátu v přímém kontaktu se soustavou dlouhých vláken v sestavě čištěné plynem, která obsahuje bezrámové uskupení a prostředky pro rozvod plynu, může být ze substrátu účinně a efektivně odebírán permeát po překvapivě dlouhé časové období. Bezrámové uskupení má plochu povrchu, která je alespoň větší než 1 m², a opačné konce vláken jsou zajištěny v navzájem oddělených, avšak blízko sebe uspořádaných vazačích, takže vlákna, když jsou rozvinuta, získají obecně parabolický profil v substrátu a volně se v něm pohybují. Uskupení je součástí membránového zařízení, které pracuje bez toho, že by bylo uzavřeno uvnitř pouzdra modulu, v substrátu uchovávaném v jímce pod tlakem v rozmezí od 101,325 kPa do zvýšeného tlaku až 1013,25 kPa. Vlákna jsou delší než je vzájemná vzdálenost vazačů, ve kterých jsou zality koncové části vláken, takže vlákna vytvářejí oblouk nad linií spojující vazače. Koncové části vláken jsou zajištěny v každém vazači bezdotykově, to znamená, že povrch každého vlákna je utěsněné oddělen od povrchu sousedního vlákna pomocí vulkanizované lité pryskyřice. Jestliže nejsou úmyslně rozložena do geometricky pravidelného vzoru, jsou volné konce vláken navzájem libovolně rozloženy uvnitř permeát odvádějícího (obvykle nižšího) čela vazače, kterým je odebírán permeát. Celkové geometrické rozložení zalitých vláken bude dáno „formou pro ustavení vláken“, pokud se nějaká použije, avšak obecně jsou jednotlivá vlákna po obvodě formy navzájem od sebe vzdálena nepravidelně.

-8CZ 287841 B6

Na základě uvedených zjištění se pak dospělo k dalšímu zjištění, a to že uvedené nevýhody dosavadního stavu do značné míry eliminuje membránové zařízení pro odstraňování permeátu z vícesložkového kapalného substrátu mikrofíltrací a ultrafiltrací, jehož podstatou je, že zahrnuje: soustavu dutých membránových vláken, v době ponoření membránového zařízení v substrátu rozvinutých jako vztyčené pohyblivé přadeno, kde tato vlákna jsou bezpečně držena v příčně protilehlých, v odstupu uspořádaných prvních a druhých vazačích a mají délku značně delší než je přímá vzdálenost mezi prvním a druhým vazačem, přičemž přadeno je uspořádáno s vlákny táhnoucími se nahoru od nahoru nasměrovaného čela alespoň jednoho z prvních a druhých vazačů pro vytvoření přadena s výkyvným a obecně obloukovým uspořádáním vláken nad horizontální rovinou, přičemž toto přadeno je drženo pouze prvními a druhými vazači a vztlakem v substrátu, kde v prvním vazači je upevněna koncová část každého v ní uchyceného vlákna a v druhém vazači je upevněna protilehlá koncová část téhož vlákna, přičemž všechna tato vlákna vycházejí z čela každého vazače a v podstatě všechna vlákna jsou na svých koncích otevřená pro umožnění odvodu permeátu přes každý vazač, kde vlákna jsou zajištěna s utěsněním, přičemž otevřené konce vláken jsou v každém vazači zajištěny a od sebe navzájem kapalinotěsně odděleny, a dále ústrojí pro sběr permeátu odváděného přes vazače, spojené přímou fluidní komunikací s nižším čelem každého vazače, když je membránové zařízení ponořeno do substrátu.

Ve výhodném provedení membránového zařízení je každý vazač hmota z pevného materiálu ze syntetické pryskyřice, v níž jsou zasazeny koncové části a vlákna jsou vytvořena z materiálu organické pryskyřice nebo keramiky a mají diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí od 0,7 kPa do 345 kPa a každé má povrchovou plochu přesahující 1 m², přičemž každé duté vlákno má vnější průměr v rozmezí od 20 mikrometrů do 3 milimetrů, tloušťku stěny v rozmezí od 5 mikrometrů do 2 milimetrů a velikost pórů v rozsahu od 0,001 mikrometrů do 1,0 mikrometru.

V dalším výhodném provedení membránového zařízení je každý vazač hmota z pevného materiálu ze syntetické pryskyřice, v níž jsou zasazeny koncové části a vlákna jsou vytvořena z materiálu zvoleného ze skupiny sestávající z přirozených a syntetických polymerů a mají diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí od 0,7 kPa do 345 kPa a každé má povrchovou plochu přesahující 1 m², přičemž každé duté vlákno má vnější průměr v rozmezí od 20 mikrometrů do 3 milimetrů, tloušťku stěny v rozmezí od 5 mikrometrů do 2 milimetrů a velikost pórů v rozsahu od 0,001 mikrometrů do 1,0 mikrometru.

Je výhodné, jestliže v uvedených příkladných provedeních jsou koncové části vláken zasazeny do hmoty teplem vytvrditelné syntetické piyskyřice do hloubky v rozsahu od 1 centimetru do 5 centimetrů, přičemž vazače jsou vyjímatelně upevněny v příčném a vertikálním odstupu, diferenciál tlaku přes membránu je v rozmezí od 3,5 kPa do 175 kPa, délka vláken je v rozmezí od 0,5 metru do 5 metrů, koncové části vláken jsou zasazeny do hmoty teplem vytvrditelné syntetické pryskyřice do hloubky v rozsahu od 1 centimetru do 5 centimetrů, přičemž vazače jsou upevněny koplanámě a vyjímatelně.

V dalším výhodném provedení je membránové zařízení uspořádáno pro použití v substrátu udržovaném na tlaku v rozsahu od 0,1 do 1 MPa, přičemž vlákna se táhnou jako přadeno směrem nahoru od vlákna držícího čela každého z vazačů, kde oblouková konfigurace je obecně parabolická, a přičemž vlákna se táhnou směrem dolů přes čelo odvodu permeátu vazačů pro odvod permeátu směrem dolů vzhledem ke směru, v němž jsou vlákna rozvinuta, a přičemž tato vlákna mají dohromady povrchovou plochu v rozsahu od 10 do 103 m².

Uvedené nevýhody dosavadního stavu do značné míry rovněž eliminuje plynem čištěná sestava obsahující výše uvedené membránové zařízení, kde podstata vynálezu spočívá vtom, že tato plynem čištěná sestava zahrnuje prostředek pro rozvod plynu pro minimalizaci usazování nánosů částic na povrchu dutých membránových vláken při ponoření membránového zařízení v substrátu, kde prostředek pro rozvod plynu je uspořádán v zóně přímo pod přadenem, opatřen průchozími otvory, které jsou uzpůsobené pro průchod dostatečného množství plynu pro

-9CZ 287841 B6 vytvoření dostatku bublin proudících přadenem a podél vláken pro stálé otírání povrchu vláken bublinami.

U této plynem čištěné sestavy je výhodné, jestliže průchozí otvory v prostředku pro rozvod vzduchu jsou uspořádány pro generování bublin o středním průměru v rozmezí od 1 mm do 50 mm, s výhodou v rozmezí od 1 mm do 25 mm, měřeno relativně blízko vláken, které udržují vlákna ve vznosu a vnější povrch vláken je v zásadě prost usazování nánosů částic látky.

Výhodné rovněž je, je-li tato plynem čištěná sestava ponořena v substrátu, který obsahuje částice obsahující biologicky aktivní mikroorganismy rostoucí v uvedeném substrátu, kde vlákna mají póry o velikosti v rozsahu od 0,001 pm do 0,1 pm, přičemž plyn je plyn obsahující kyslík, a rychlost toku plynu je v rozmezí od 0,3 m³/den/m² do 400 m³/den/m² pro udržení celé délky každého vlákna v přadenu omývaném bublinami bez nánosu.

Nevýhody dosavadního stavu do značné míry rovněž eliminuje systém pro odvádění permeátu z vícesložkového kapalného substrátu, s částicemi vněm rozptýlenými, obsahující výše uvedenou plynem čištěnou sestavu, kde podstatou vynálezu je, že tento systém je ponořen v nádobě o objemu umožňujícímu pojmout alespoň 100 litrů substrátu, z něhož se má odvádět permeát, kde tento systém dále obsahuje prostředky pro odvod permeátu.

Ve výhodném provedení systému podle vynálezu je látka ve formě částic vybrána ze skupiny sestávající z mikroorganismů rostoucích v uvedeném substrátu, a jemně dělených anorganických částic, každý vazač je hmota tuhého materiálu syntetické pryskyřice, ve kterém je zalito alespoň 100 koncových částí, přičemž každé duté vlákno má vnější průměr v rozmezí od 20 pm do 3 mm, a tloušťku stěny v rozmezí od 5 pm do 1 mm, zatímco koncové části vláken (12) jsou zality v pryskyřičném materiálu do hloubky v rozmezí od 1 do 5 cm.

Nevýhody dosavadního stavu do značné míry rovněž eliminuje způsob udržování vnějšího povrchu dutých vláknových membrán v zásadě bez usazování nánosů materiálu ve formě částic, při odstraňování permeátu z vícesložkového kapalného substrátu v jímce výše popsaným membránovým zařízením nebo plynem čištěnou sestavou toto membránové zařízení obsahující, případně systémem pro odvádění permeátu tuto plynem čištěnou sestavou obsahující, kde podstatou vynálezu je, že uvedený způsob zahrnuje ponoření membránového zařízení do substrátu, upevnění vazačů v otevřené fluidní komunikaci s ústrojím pro sběr permeátu, vedení plynu pro čištění vláken přes prostředek pro rozvod plynu uspořádaný poblíž přadena v zóně přímo pod přadenem, a kontaktování povrchu vláken bublinami plynu s dostatečným fyzikálním účinkem pro stálé otírání vláken v přadenu v zásadě po celé délce a pro jejich uchování v zásadě bez nánosů, udržování v podstatě konstantního toku skrz vlákna, v zásadě stejného jako rovnovážný tok získaný na počátku po zahájení separace, sběr permeátu v ústrojí pro sběr permeátu, a odvod permeátu.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladná provedení vynálezu jsou znázorněna na výkresech, kde na obr. 1 je znázorněn graf, ve kterém jsou změny toku zakresleny jako funkce času, přičemž jsou srovnávány výsledky získané od Yamamoto a kol. (za podmínek modifikovaných vzhledem k použitému experimentálnímu postupu, jak je vysvětleno níže) s výsledky získanými za použití membránového zařízení podle vynálezu, přičemž vždy je použito stejné množství vzduchu a stejná plocha povrchu membrány, na obr. 2 je schematický rozložený pohled na membránové zařízení v perspektivě, která zahrnuje bezrámové uskupení přadena vláken, nepodepíraného za provozu přístroje, s konci vláken zalitými do navzájem vzdálených vazačů, spolu se sběračem permeátu a vývodem pro odvod permeátu. Výrazem „nepodepíraný“ se rozumí nepodepíraný za provozu membránového zařízení ničím jiným než substrátem. Na obr. 2A je zvětšený detail boční stěny sběrače znázorňující profil kanálu na horní obvodové hraně sběrače, na obr. 2B je znázorněn půdorys vazače ukazující

-10CZ 287841 B6 nepravidelné rozložení otevřených konců vláken se vzájemným odstupem v dolním čele vazače, na obr. 3 je pohled v perspektivě na kombinaci membránového zařízení (sestava bezrámového uskupení se sběračem permeátu), a prostředky pro rozvod plynu, jak by kombinace plynem čistící sestavy vypadala při ponoření do substrátu, znázorňující parabolický oblouk vláken volně zavěšených v substrátu, a prostředky pro rozvod plynu uspořádané mezi vazači a přímo pod obloukem vláken, takže se bubliny generují přímo v zóně pod vlákny. Na obr. 3A je detail neznázoměný v měřítku, který zobrazuje prostředky pro rozvod plynu vyvádějící plyn mezi řadami vláken ve vazači. Na obr. 4 je pohled v perspektivě na další provedení čisticí sestavy, který zobrazuje obloukovité perforované prostředky pro rozvod plynu přímo pod protáhlým obloukem vláken, uspořádané tak, aby byla zachována výhodná, relativně malá vzdálenost od vláken, čímž se zajistí, že vlákna budou stále otírána bublinami, generovanými přímo pod nimi. Na obr. 4A pohled v perspektivě na skupinu několika čisticích sestav, podobných sestavě, znázorněné na obr. 4, jak by byla využita ve velké jímce. Na obr. 5 je nárys konvenční nádrže klarifikátoru schematicky znázorňující, jak může být v klarifikátoru využito několik čisticích sestav membránového zařízení a prostředků pro rozvod plynu, aby se sjednotila funkce membrán s funkcemi klarifikátoru. Na obr. 5A je půdorys nádrže z obr. 5, znázorňující kruhovou zónu odebírání permeátu obklopující středovou zónu čiření. Na obr. 6 je schematický nákres možného použití skupiny membránových zařízení (je znázorněno pouze jedno) ve zdvižené nádrži za účelem odvodu permeátu bez použití vakuového čerpadla. Na obr. 7 je schematický nákres možného použití skupiny membránových zařízení ve snížené nádrži za účelem odvodu permeátu bez použití čerpadla. Na obr. 8 je nárys schematicky znázorňující další provedení, ve kterém může být použita skupina membránových zařízení ve snížené nádrži za účelem odvodu permeátu pomocí průtokového čerpadla a nikoli konvenčního vakuového čerpadla. Na obr. 9 je schematický nárys dalšího provedení, ve kterém je skupina sestav ponořena v nádrži, avšak je znázorněna pouze jedna z několika sestav, přičemž jsou uspořádány jedna přímo za druhou, čímž tvoří skupinu, v kombinaci s prostředky pro rozvod plynu přímo pod každým uskupením. Vlákna jsou volně zavěšena nad vodorovnou rovinou procházející vodorovnou osou vazače, permeát může být odváděn za nebo bez použití vakuového čerpadla, v závislosti na tom, jak vysoko nad zemí je nádrž uložena. Na obr. 9A je schematický půdorys zobrazující, jak jsou vazače jediného bezrámového uskupení na obr. 9 (ostatní nejsou znázorněna) upevněny k bokům nádrže. Na obr. 10 je schematický nárys dalšího provedení, ve kterém může být čisticí sestava ponořena do nádrže za účelem odvodu permeátu, za nebo bez použití vakuového čerpadla, v závislosti na diferenciálu tlaku přes membránu u vláken a jak vysoko nad zemí je uložena nádrž. Na obr. 11 je schematický nárys dalšího provedení, ve kterém je čisticí sestava ponořena pod ostrým úhlem do relativně hluboké nádrže, čímž se využije dané místo a minimalizuje růst mikroorganismů na vláknech. Na obr. 12 je graf, ve kterém je změna toku zakreslena jako funkce času, a to pro zkonstruované membránové zařízení z membrán z dutých vláken pro ultrafiltraci. Na obr. 12A je graf, ve kterém je změna toku zakreslena jako funkce času, a to pro zkonstruované membránové zařízení z membrán z dutých vláken pro mikrofiltraci.

Příklady provedení vynálezu

Bezrámové uskupení může být použito ve volitelném procesu separace kapaliny od kapaliny, a obecněji v různých separačních procesech. Uskupení je zvláště uzpůsobeno po použití v procesech mikrofiltrace a ultrafiltrace, využívané k odstraňování velkých organických molekul, emulzních organických kapalin a koloidních nebo usazených tuhých látek, obvykle z vody. Typická použití jsou: (i) v membránovém bioreaktoru pro vytvoření permeátu jako vyčištění vody a recyklaci biomasy, (ii) pro terciální filtraci odpadní vody za účelem odstranění usazených tuhých látek a patogenních bakterií a virů, (iii) čiření vodních proudů včetně filtrace povrchové vody pro výrobu pitné vody (odstranění koloidních látek, karboxylových kyselin s dlouhým řetězcem a patogenních látek), (iv) separace propustných kapalných složek v biotechnologických břečkách, (v) odvodnění kalů s hydroxidy kovu, a (vi) filtrace olejnatých odpadních vod, mimo jiné.

-11CZ 287841 B6

Byl vyloučen problém použití membránového modulu pro výběrovou separaci jedné kapaliny od druhé, zvláště použití modulu v kombinaci s bioreaktorem, a příslušné náklady na provoz takového systému. V případech, kdy nerozvinutá země nebo chudá společnost nemá zdroje na vytvoření membránových modulů, je nejvýhodnější provedení tohoto vynálezu uzpůsobeno pro použití bez jakýchkoli čerpadel. V případech, kde se čerpadlo může použít, není nutné vakuové čerpadlo, adekvátní pohonná síla se vytváří jediným odstředivým čerpadlem, které není uzpůsobeno k vytvoření vakua 0,1 MPa na straně sací.

Vlákna použitá pro vytvoření přadena z uskupení mohou být vyrobena z jakéhokoli konvenčního membránového materiálu, pokud jsou vlákna pružná. Výhodná vlákna pracuji s diferenciálem tlaku přes membránu v rozmezí od přibližně 3,5 kPa do přibližně 175 kPa. Nejvýhodnější jsou vlákna, která zajišťují diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí 7 kPa až 69 kPa.

Je výhodné, jestliže jsou vlákna vyrobena z polymerů nebo keramiky, ať už izotropní nebo anizotropní, s tenkou vrstvou, nebo „slupkou“ na vnějším povrchu vláken. Některá vlákna mohou být vyrobena z opletené bavlny pokryté porézním přírodním pryžovým latexem nebo ve vodě nerozpustným polymemím materiálem na bázi celulózy. Výhodné organické polymery pro vlákna představují polysulfony, poly(styreny), včetně kopolymerů obsahujících styren, jako například akrylonitrilstyren, butadienstyren a kopolymery styrenvinylbenzylhalogenidu, polykarbonáty, polymery na bázi celulózy, polypropylen, polyvinylchlorid, polyethyléntereftalát, a podobné, uvedené v US patent č. 4,230,463, údaje z tohoto spisu jsou tímto odkazem zahrnuty, jako by zde byly plně uvedeny. Výhodná keramická vlákna jsou vyrobena z oxidu hlinitého, dle E.l.duPont deNemours Co a popsána v US patent č. 4,069,157.

Vlákna jsou volena s ohledem na jejich požadovanou funkci a jsou zachycena v substrátu tak, aby tvořila nepodepíraný oblouk nebo smyčku, která je dána délkou přadena a vzdáleností vazačů. Ačkoli je obecně parabolický oblouk obvykle symetrický, protože jsou vazače v substrátu uspořádány koplanámě, tvar oblouku může být také asymetrický. Oblouk je asymetrický, když je jeden vazač uspořádán v nižší úrovni, příčně vzdálen od druhého. V žádném případě není uskupení uzavřeno do modulového pouzdra.

Je typické, že ve slepém konci nádrže neexistuje příčné proudění substrátu přes povrch vláken. Pokud je ve slepém konci nádrže nějaké proudění substrátu přes přadeno, je toto proudění důsledkem provzdušňování vytvářeného pod přadenem nebo mechanického míšení, jaké může být uplatněno pro udržení tuhých látek ve vznosu. Větší proudění přes přadeno probíhá v nádrži, do které substrát kontinuálně vtéká, avšak rychlost kapaliny přes vlákna je obecně příliš nevýznamná, než aby zamezila přichytávání rostoucích mikroorganismů nebo usazovaných částic, například mikroskopických křemenných částic na povrchu vláken.

Pro dutá membránová vlákna je vnější průměr vlákna alespoň 20 pm a může být velký i 3 mm, většinou je v rozmezí od přibližně 0,1 mm do 2 mm. Čím větší je vnější průměr, tím menší je požadovaný poměr povrchové plochy na jednotku objemu vlákna. Tloušťka stěny vlákna je alespoň 5 pm a může být velká i 1,2 mm, většinou je v rozmezí od přibližně 15 % až 60 % vnějšího průměru vlákna, nejlépe od 0,5 mm do 1,2 mm.

Střední průměr póru ve vlákně může kolísat v rozmezí od přibližně 0,5 do 1000 nm. Výhodný průměr póru pro ultrafíltraci složek v proudu substrátu je v rozmezí od přibližně 0,5 do 100 nm a pro mikrofiltraci v rozmezí od 100 do 1000 nm.

Na rozdíl od konvenčního modulu je délka vlákna v přadenu v zásadě nezávislá na pevnosti vlákna nebo jeho průměru, protože přadeno je nadnášeno bublinami a substrátem, ve kterém je přichyceno. Délka každého vlákna v přadenu je s výhodou dána podmínkami, za kterých má být uskupení provozováno. Obvykle je délka vláken v rozmezí 1 m až přibližně 5 m, v závislosti na rozměrech tělesa se substrátem (hloubka a šířka), ve kterém je uskupení přichyceno.

-12CZ 287841 B6

Materiály pro vazače jsou nejlépe buďto teplem tvrditelné, nebo termoplastické syntetické pryskyřičné materiály, případně vyztužené skleněnými vlákny, borovými nebo grafitovými vlákny a podobně. Termoplastické materiály jsou výhodné pro provoz za relativně nízkých teplot pod 100 °C, a jsou voleny tak, aby byly dostatečně kompatibilní s materiálem vláken, aby vytvořily trvající, kapalinotěsnou vazbu. Takovéto termoplastické materiály mohou být krystalické, jako například polyolefiny, polyamidy (nylon), polykarbonáty a podobné, semikrystalické, jako například polyetheretherketon (PEEK), nebo v zásadě amorfní, jako například polyvinylchlorid (PVC) a podobné. Teplem tvrditelné pryskyřice jsou výhodné pro provoz za vyšších teplot, a také z hlediska jednoduchosti použití.

Počet vláken v uskupení je libovolný, obvykle je v rozmezí od přibližně 1000 do přibližně

000, a výhodná velikost plochy povrchu pro přadeno je v rozmezí 10 m² do 100 m².

Konkrétní způsob zajištění vláken v každém vazači není zcela rozhodující, volba závisí na materiálech vazače a vláken, a nákladech v případě použití jiného způsobu než zalití. Avšak je zásadně důležité, aby všechna vlákna byla navzájem kapalinotěsně zajištěna v každém vazači. To může být uskutečněno tak, že se jednoduše koncové části vláken před zalitím neseskupí příliš těsně.

Obr. 1 zobrazuje výsledky porovnání dvou provozů, z nichž jeden byl uskutečněn podle údajů od Yamamoto z jeho publikace z roku 1989 (křivka 2), avšak za použití provzdušňovače, který přiváděl vzduch ze strany a směřoval ho radiálně směrem dovnitř, jak je znázorněno u Chiemchaisri a kol. Druhý proces využívá způsob a bezrámové uskupení podle vynálezu (křivka 1). Jediné rozdíly provozů jsou podrobně uvedeny v příkladě 3 níže.

Jak je zřejmé, tok, litry/metry²-hodiny/kPa (konvenční zápis (lmh/kPa), obdržený s bezrámovým uskupením dosáhl rovnovážných podmínek během méně než 50 hodin, zatímco tok, obdržený v provozu podle Yamamoto nadále klesá. Bude jasné, že výsledky získané v provozu podle Yamamoto jsou mnohem lepší, než výsledky, o kterých podal zprávu, a výsledky s bezrámovým uskupením jsou ještě lepší. Další podrobnosti srovnání jsou uvedeny v příkladech.

Na obr. 2 je znázorněn rozložený pohled na membránové zařízení W, které zahrnuje jeden vazač z dvojice vazačů, přičemž druhý je v zásadě identický, sběrač 20 pro sběr permeátu, a vedení 30 pro odvod permeátu. Vazač 11 je znázorněn jako pravoúhlý, protože to je nejvhodnější tvar, když se mají vlákna 12 zalít do pryskyřice, například epoxidové. Ačkoliv vlákna 12 nejsou znázorněna blízko u sebe, jak by normálně byla, je jasné, že vlákna nejsou ve vzájemném kontaktu, ale jsou od sebe oddělena vulkanizovanou pryskyřicí uspořádanou mezi nimi.

Pro vytvoření vazače může být využit jakýkoli konvenční postup, a toto není součástí vynálezu, avšak pro ilustraci následuje typický příklad výroby vazače.

Svazek vláken je uchycen v navzájem od sebe vzdálených ramenech upínače. Ramena jsou na svých koncích opatřena kruhovými svorkami, například nastavitelnou (pomocí šroubu) hadicovou svorkou, lemovanou pryžovým pásem, která těsně drží každou stranu svazku dohromady, takže svazek visí v parabolické smyčce pod rameny. Uprostřed mezi rameny a pod nimi, poblíž vrcholu parabolické smyčky, jsou vlákna v těsné vzdálenosti od sebe. Pravoúhlá licí pánev obsahující nevulkanizovanou kapalnou pryskyřici pro zalití se pak umístí pod svazkem tak, že všechna vlákna ve smyčce jsou dostatečně ponořena, aby se zajistilo, že když se pryskyřice vulkanizuje, všechna vlákna se bezpečně zalijí. Pryskyřice pokrývá každé vlákno do hloubky přibližně 1 až 5 cm, s výhodou 2 až 5 cm, na každé straně osy smyčky. Když se pryskyřice vulkanizuje, vlákna se zalijí do vulkanizovaného bloku. Blok je pak rozříznut ve svislé rovině procházející osou smyčky, čímž se vystaví otevřené konce vláken.

Blok je opatřen předními a zadními stěnami, které jsou dány svislými (osa z) hranami 11' a příčnými (osa x) hranami 13', boční stěny jsou dány svislými hranami H.' a bočními (osa y)

-13CZ 287841 B6 hranami J3. Dno bloku je pak odříznuto ve vodorovné rovině ostrým nožem, čímž se vystaví otevřené konce vláken.

Sběrač 20 má takovou velikost, aby přesně odpovídal základně 13 nad zónou sběru permeátu uvnitř sběrače. To lze snadno uskutečnit vytvořením pravoúhlého sběrače, jehož základna 23 má v zásadě stejnou délku a šířku jako základna 13. Obvod sběrače 20 je opatřen obvodovým kanálem, jak je znázorněno na obr. 2A, kde stěna 20' sběrače končí v kanálové části 22, která je opatřena v zásadě vodorovným ramenem 22 a svislou zachycovací stěnou 22'.

Na obr. 2B je půdorys dolního čela vazače 13 znázorňující otevřené konce vláken 12’, u nichž je pomocí pryskyřice zamezen vzájemný kontakt. Nepravidelné rozložení vláken je charakterizováno geometricky nepravidelným okrajem 14, který ohraničuje vnější obvod nepravidelně rozložených vnějších otevřených konců 12'.

Permeát vytéká z otevřených konců vláken do základny 23 sběrače 20 a odtéká ze zóny sběru přes vedení 30 pro odvod permeátu, které může být umístěno ve dně sběrače a přímo proudově komunikovat s vnitřní částí sběrače. Pokud je to žádoucí, může být odvodní vedení uspořádáno v boční stěně sběrače, jak je znázorněno vedením 30'. Ať už provoz probíhá s diferenciálem tlaku přes membránu vytvářeným pouze gravitací nebo pomocí čerpadla, bude zřejmé, že je nutný kapalinotěsný spoj mezi obvodem vazače 11 a obvodovým kanálem 22 sběrače 20. Takovýto spoj se získá pomocí jakýchkoli konvenčních prostředků, jako je například vhodné ploché těsnění nebo těsnicí hmota, obvykle křemíková pryskyřice, mezi dolním obvodem vazače 11 a kanálem 22.

Je zřejmé, že může být zkonstruován vazač s kruhovým obvodem, pokud je to žádoucí. Vazače, které mají jiné tvary obvodu (například tvar elipsy) mohou být zkonstruovány analogickým způsobem, pokud je to žádoucí, avšak nej výhodnější jsou pravoúhlé vazače.

Jednotlivá vlákna 12 (obr. 2) procházejí v blízkosti každého vazače obecně navzájem rovnoběžně a koncové části vláken procházejí skrz vazače tak, že otevřené konce 12' vláken jsou u spodního čela 13 vazače nekryté. V přadenu je středová vzdálenost vláken ve vodorovné rovině v rozsahu přibližně 1,2 až 5 násobku vnějšího průměru vlákna. Volba vzájemné vzdálenosti vláken ve vazači bude udávat hustotu vláken poblíž vazače, avšak to není zásadně důležité s ohledem na vzájemné polohy jednotlivých vláken v přadenu, ačkoli je zřejmé, že čím více je vláken, těsněji uložených v každém vazači, tím méně je místa mezi vlákny v přadenu.

Hustota vláken ve vazači je volena tak, aby se vytvořila maximální plocha membrány na jednotku objemu substrátu bez nepříznivého vlivu na cirkulaci substrátu přes přadeno. Místo uložení vazačů ve sběrači s odvodem směrem dolů vzhledem k plavmo přichycenému přadenu, jak bylo popsáno, je nyní zřejmé, že vazače se sběrači mohou být také uloženy tak, že permeát je odváděn příčně v opačných směrech, nebo dokonce ve stejném příčném směru a přadeno by mohlo být ponořeno v parabolickém tvaru, pokud jsou vlákna dostatečně dlouhá. Avšak je jasné, že v každém případě místo pro odvod permeátu je pod vlákny, a nejpohodlnější umístění vazačů je takové, kde je permeát odváděn směrem dolů.

Ačkoli přadeno ponořené do substrátu má obecně parabolický profil, nemá žádný strukturní tvar, a tvar, který má, se kontinuálně mění, přičemž míra změn závisí na pružnosti vláken, jejich délce, celkovým rozměrům přadena a míře pohybu předávaného vláknům substrátem a prostředky pro rozvod plynu obsahujícího kyslík, pokud se použijí. Přadeno také nemá strukturní tvar před tím, než jsou vazače s jejich příslušnými sběrači permeátu připevněny, přičemž každý z vazačů je přemístitelný v jakémkoli směru vzhledem k druhému vazači, a přemístění je omezeno pouze jejich vazbou s vlákny.

-14CZ 287841 B6

Na obr. 3 je znázorněna typická sestava 40 pro použití v nádrži, která zahrnuje svazek vláken 42 a prostředky 50 pro rozvod plynu. Svazek (ze zřejmých důvodů je znázorněna pouze jedna jeho řada), má protáhlý pravoúhlý tvar s nepravidelnými bočními stěnami, kvůli náhodnému rozložení vláken podél každé boční stěny. Pravoúhlý tvar může být čtvercový nebo zcela protáhlý, v závislosti na poměru počtu vláken v každé boční řadě a počtu vláken v příčné řadě. Pravoúhlý tvar je dán soustavou řad (je znázorněna pouze 1) soustavy vláken 42, obvykle 10 až 50 řad s šířkou w svazku, měřeno podél příčné osy x, a alespoň stejné množství v každé boční řadě.

Tedy pokud je po délce 1 protáhlého svazku - měřeno podél osy y, rozmístěno těsně při sobě, avšak odděleně 100 vláken, a v každé boční řadě je přibližně 50 vláken, pak jsou ve vazači 41 zality koncové části přibližně 5000 vláken. Opačné koncové části protáhlého svazku vláken jsou zality ve vazači 4Γ analogicky jako tomu je u vazače 44. Otevřené konce všech vláken ve vazačích 41 a 41.' směřují dolů do zón sběru ve sběračích 43, 43' a každý vazač je po svém obvodu utěsněné připevněn k obvodu každého sběrače. Odvodní vedení 45, 45' jsou sdružena do potrubí 46 pro permeát, kterým je kontinuálně odváděn permeát, sesbíraný do sběračů. Když je permeát odváděn ve stejné rovině jako odvodní vedení 45, 45' a potrubí 46, a diferenciál tlaku přes membránu u vláken je v rozmezí 35 až 75 kPa, může být potrubí 46 připojeno k sací straně odstředivého čerpadla, které bude vytvářet odpovídající NPSH.

Když jsou vlákna ponořena v substrátu obsahujícím usazované a rozpuštěné organické a anorganické látky, vlákna se vyklenou směrem nahoru do přadena, které je volně plavmo pohyblivé v substrátu a konce vláken jsou zakotveny ve vazačích. To je proto, že (i) permeát je v zásadě čistá voda, která má specifickou hmotnost menší než substrát, a většina polymerů, ze kterých jsou vlákna vyrobena, mají také specifickou hmotnost menší než 1, a (ii) vlákna jsou nadnášena bublinami. Je zásadně důležité, aby tyto podmínky převládaly, jinak by každé vlákno nezískalo charakteristický, obecně parabolický protáhlý obloukovitý profil, což se stane, když mají vazače úzký pravoúhlý tvar.

Uvnitř oblouku nebo přímo pod ním je uspořádáno potrubí 50 pro rozvod plynu, a to v rovině pod vodorovnou rovinou procházející vodorovnými osami vazačů. Potrubí 50 je rozděleno do dvou perforovaných částí 51, 51' přilehlých k příslušným vazačům 41, 4T. takže když je přes otvory v každé části 51, 5Γ vyváděn vzduch, tvoří se bubliny, které stoupají podél konců vláken a poté proudí přes přadeno.

Typ vzduchového potrubí není zásadně důležitý, pokud přivádí bubliny o výhodné velikosti v rozmezí přibližně od 1 mm do 25 mm, a dráha stoupání bubliny je přerušované vlákny, náhodně v zásadě po celé délce vláken, z vnitřku obecně parabolického profilu.

Pokud je to žádoucí, každá část 51, 51' může být zapuštěna do horního povrchu každého vazače, a vlákna jsou zajištěna kolem nich, přičemž je zabezpečeno, aby průchody pro vzduch v částech 51, 51' nebyly ucpány sloučeninou pro zalití.

Na obr. 3A je znázorněn bokorys vazače 41, lícujícího se sběračem permeátu 43, ze kterého je přes vedení 45 pro odvod permeátu odváděn permeát. Po každé straně potrubí 52 pro rozvod plynu jsou znázorněny čtyři řady vláken 12 s jejich koncovými částmi 12' zalitými do sběrače 43, přičemž potrubí 52 prochází příčně vzhledem k podélnému směru řad podél základny vláken. Analogicky potrubí pro rozvod plynu je vytvořeno poblíž základny opačných koncových částí vláken ve druhém vazači uskupení. Plyn vystupující z potrubí 52 a z příslušného plynového potrubí na protilehlé základně vláken přadena účinně provzdušňuje celé přadeno.

Je zřejmé, že obecně budou vlákna čnít z horního povrchu každého vazače a horní povrch bude povrchem podepírajícím vlákna, a že dolní povrch každého vazače bude zahrnovat otevřené konce zalitých vláken tak, že každý dolní povrch vazače, bude povrchem odvodu permeátu. Avšak také je zřejmé, že každý povrch vazače může mít funkci podpěrného povrchu a druhý

-15CZ 287841 B6 povrch každého vazače může mít funkci povrchu pro odvod permeátu, ačkoli ze zřejmých důvodů je vhodné, když je horní povrch opěrným povrchem pro vlákna a dolní povrch povrchem pro odvod permeátu. Ať už je pro kteroukoli funkci zvolen kterýkoli povrch, je zřejmé, že permeát je odváděn přes každý zvazačů. Vzduch může být dodáván kontinuálně nebo přerušovaně, přičemž lepších výsledků se obecně dosahuje s kontinuálním prouděním vzduchu. Množství dodávaného vzduchu závisí na typu substrátu, požadavcích mikroorganismů, jsou-li nějaké, a citlivosti povrchu ucpávaných vláken. Obecně je množství dodávaného vzduchu v rozmezí od 0,1 1/sekundu/l - 10 1/sekundu/l substrátu, měřeno za standardní teploty a tlaku, přičemž byl vždy dostatek vzduchu pro tvorbu požadovaného růstu mikroorganismů.

Na obr. 4 je schematicky znázorněno další provedení sestavy, která je obecně označena vztahovou značkou 60 a která může být použita pro opětovné zprovoznění velké, hluboké nádrže, ze které má být odváděn permeát bez použití čerpadla. Obvykle se použije skupina sestav uspořádaných vedle sebe uvnitř nádrže, jak je znázorněno na obr. 4A. Každá sestava 60 s přadenem vláken 62 (pro jasnost je znázorněna pouze jedna z mnoha nahodile rozložených řad) je rozvinuta mezi vazači 61. 61' v substrátu uchovávaném v neznázoměné hluboké nádrži, kde je udržována hloubka přibližně 4 m. Stejně jako výše jsou vazače 61, 6Γ zajištěny v kapalinotěsné vazbě se zónami sběru ve sběračích 63, 63'. Každý sběrače je opatřen odvodním potrubím 65,65' vystupujícím ze dna každého sběrače, a tato potrubí jsou sdružena pro odvádění permeátu.

Kvůli hloubce nádrže je délka (mezi vazači) volená pro každé vlákno přibližně 2 až 4 m a vrchol každého parabolického oblouku je právě pod povrchem substrátu. Pro účinné vytvoření potřebného množství vzduchu, je využito rozvodné potrubí 66 ve tvaru A, vyrobené z porézního potrubí, zahnuté tak, že vzduch procházející porézním potrubím probublává přes přadeno z relativně krátké vzdálenosti, od 1 cm v blízkosti základny do přibližně 50 cm poblíž vrcholu. Potrubí 66 ve tvaru A zahrnuje soustavu vodorovných (osa y) porézních příček 67, které udržují dvojici vzduchovodů 68, 68' ve vzájemném odstupu.

V důsledku kapalinového spádu vytvářeného výškou vláken v jejich vrcholu, nad rovinou, ve které je odebírán permeát, proudí permeát přes odvodní potrubí 65, 65' pouze působením gravitace. Když se nádrž vyprazdňuje, potrubí 66 ve tvaru A podepírá dlouhá vlákna a zabraňuje, aby se vlákna zamotala a pokryla dno vyprázdněné nádrže.

Na obr. 4a je pohled v perspektivě na skupinu parabolických potrubí pro rozvod plynu běžně sdružených do pravoúhlého potrubního rámu 67, přes které je dodáván vzduch pomocí vzduchovodu 68. Vazače 41, 41' každého uskupení jsou připevněny ke každému potrubí 66 pro rozvod vzduchu ve tvaru A, na jeho vnějším povrchu, takže se vlákna mohou volně pohybovat a plovat, a odvodní potrubí jsou běžně sdružena do neznázoměného potrubí, čím více je použito uskupení, tím větší je proud permeátu. Každá sestava uskupení je pak spuštěna do nádrže a jestliže se má permeát odvádět pouze účinkem gravitace, je připojení ke sdruženým potrubím pro odvod permeátu provedeno přes boční stěnu nádrže.

Půdorys dalšího provedení vynálezu, ve kterém je renovován konvenční klarifikátor se soustavou uskupení, je schematicky znázorněn na obr. 5. Usazovací nádrž představuje velká kruhová nádrž 70 opatřená svislou vnější kruhovou přepážkou 74, svislou vnitřní kruhovou přepážkou 72 a dnem 73, které se svažuje směrem ke středu (vrcholu) pro odvod hromadícího se kalu. Přepážky mohou tvořit samostatné, blízko sebe uspořádané pravoúhlé desky, rozložené do vnějšího a vnitřního kruhu, avšak výhodnější jsou znázorněné souvislé kruhové přepážky. Nezávisle na tom, jaké přepážky se použijí, jsou tyto přepážky umístěny tak, že jejich dolní obvod je umístěn ve zvolené svislé vzdálenosti nade dnem. Přítok je zajišťován přívodním potrubím 74, ve dně nádrže 70, až úroveň substrátu stoupne nad vnější přepážku 71.

Soustava uskupení 75 se rozvine pomocí vhodných upevňovacích prostředků ve vnější prstencovité zóně 75 odebírání permeátu (obr. 5A) vytvořené mezi vnější kruhovou přepážkou 71

-16CZ 287841 B6 a stěnou nádrže 70, v hloubce dostatečné pro ponoření volně plovoucích vláken. Klarifikační zóna 71 je definována mezi vnější kruhovou přepážkou 71 a vnitřní kruhovou přepážkou 72. Vnitřní kruhová přepážka 72 vytváří svislý osový kanál 72', kterým je substrát přiváděn do nádrže 70. Uskupení 75 tvoří kruhovou klenbu (viz obr. 5A) v zóně 75' odebírání permeátu a vzduchovod 76 je umístěn uvnitř této klenby takovým způsobem, že je v kontaktu v zásadě s celým povrchem každého vlákna v přadenu, takže bubliny kontinuálně otírají vlákna. Permeát je odváděn přes neznázorněné potrubí pro permeát bokem nádrže, nebo přes otevřený vrchol 78 ve dně nádrže, kterým je odstraňován kal.

Permeát může být odváděn bokem nádrže, pokud je to žádoucí, za použití mírného NPSH, méně než 2 m spádu, pro odstředivé čerpadlo. Když je proud permeátu nastartován, může být udržován bez čerpadla v důsledku násoskového efektu, dokud je zachována úroveň substrátu v nádrži a permeát je odváděn pod úrovní substrátu.

Protože nahromadění vzduchových bublin v odvodním potrubí pro permeát by mohlo zastavit násoskovou činnost, může být sklon k takovéto činnosti zamezen zdvižením nádrže se substrátem vzhledem k místu, kde je odebírán permeát do atmosférického tlaku. Takovéto uspořádání je znázorněno na obr. 6 kde je konvenční provzdušňování substrátu, proudícího do nádrže přes neznázorněné přívodní vedení, prováděno ve velké provzdušňovací nádrži 80, ve které je úroveň substrátu v zásadě na úrovni země.

Zdvižená nádrž 81 je umístěna na nosnících 82 v takové výšce, že úroveň substrátu v nádrži 81 bude od 5 do 7 m nad úrovní země. Odstředivé kalové čerpadlo 83 čerpá předběžně provzdušněný substrát přes vedení 84 do nádrže 81, která je opatřena přepadem 85 pro navracení substrátu do nádrže 80 přes vratné vedení 86. Soustava sestav 87, z nichž je znázorněna pouze jedna, je uspořádána v nádrži se zajištěním dodávky vzduchu do potrubí 89 pro rozvod vzduchu, které dodává vzduch do neznázoměných jednotlivých rozvodů vzduchu pod každým přadenem vláken, čímž se zajišťuje sekundární provzdušňování substrátu.

Tak může být použita relativně malá nádrž pro vytvoření optimálního provzdušňování nejen pro požadavky mikrobů, ale také pro zachování povrchu vláken v čistotě. Z každé sestavy je permeát odváděn přes potrubí 88 permeátu, které vypouští permeát na úrovni země.

Další provedení, které zamezuje použití jakéhokoli čerpadla je schematicky znázorněno na obr. 7, kde je velká, do země zapuštěná nádrž 90 uspořádána poblíž hrany svahu 91. Analogicky jako tomu bylo u popsaných sestav z obr. 4, je v uvedené nádrži rozvinuta soustava sestav, z nichž je znázorněna pouze jedna, a tyto jsou opatřeny neznázoměnými prostředky pro rozvod vzduchu, které dodávají dostatečné množství vzduchu pod každé přadeno vláken, aby byl v zásadě celý povrch všech vláken v přadenu otírán bublinami. Permeát je odváděn přes permeátové potrubí 93, které vypouští permeát u dna 94 svahu 91, dostatečně pod úrovní substrátu v nádrži, aby se překonal atmosférický „spád“. Tento spád je obvykle od 5 do 7 m.

Další provedení, kde je permeát odstraňován bez použití vakuového čerpadla, je znázorněno na obr. 8, kde je soustava sestav 96 rozvinuta v do země zapuštěné nádrži 95, která je provzdušňována pomocí neznázoměného potrubí pro rozvod vzduchu, které dodává vzduch pod každé přadeno vláken každého uskupení. Sací strana kalového čerpadla 97 je v přímé fluidní komunikaci s neznázoměným sběrným ústrojím, která sbírá permeát ze všech sestav 96 a odvádí ho přes vedení 98.

Pro odstranění nutnosti použití kalového čerpadla v nádrži, lze umístit odstředivé čerpadlo 99 v šachtě 100, vyvrtané poblíž nádrže. V tomto uspořádání musí na počátku čerpadlo překonat pouze malý spád daný výškou nad hladinou substrátu, ve které je zahnuto vedení k sací straně čerpadla. Když je jednou provoz zahájen, proudí permeát k čerpadlu vlivem násoskového účinku.

-17CZ 287841 B6

Na obr. 9 je znázorněna velká pravoúhlá nádrž 110, která je opatřena protilehlými svislými bočními stěnami 111. 111'. a dnem 112. Boční stěny 111, 111' jsou od sebe navzájem vzdáleny 3 m. Jedno ze soustavy uskupení 140 zahrnuje dutá vlákna 142, bezpečně zachycená v protilehlých vazačích 141, 14Γ. které komunikují se sběrači 143, 143' permeátu. Jak je vidět, jsou vlákna znázorněna v relativně plochých parabolických obloucích, protože délka vláken mezi vazači je menší, než by se normálně použila, aby byla v dostupném prostoru maximální plocha membrány. Důvodem zkrácení vláken je minimalizace propletení se sousedními vlákny, nejen s postranními, ale i s vlákny sousedícími shora a zespoda, pokud je použito několik skupin, jak je znázorněno na obr. 10. Sběrače 143, 143' jsou upevněny odstranitelně pomocí vhodných upevňovacích prostředků na každé boční stěně, takže permeát je odváděn do sběrného ústrojí 145. 145' permeátu na každém boku, která se spojují do odtokového potrubí 146 pro permeát.

V zóně přímo pod vlákny a relativně blízko nich je prostředek pro rozvod vzduchu označený obecně vztahovou značkou 150. Obvykle je vedení pro rozvod vzduchu uspořádáno přímo pod každým uskupením, přičemž všechna vedení se sdružují do prostředku 150 pro rozvod vzduchu.

Je zřejmé, že když je nádrž na úrovni země, bude zde nedostatečný hydraulický tlak pro vyvolání vakua pouhou gravitací, takže se pro vytvoření potřebného sání použije čerpadlo. Takovéto čerpadlo by mělo být schopno krátkodobého provozu na sucho a udržování vakua na sací straně od 25,5 cm do 51 cm Hg, nebo 35 kPa až 70 kPa. Příklady takovýchto čerpadel vypočtených na 18,9 1/min (5 gpm) a 51 kPa (15 Hg) představují: (i) odstředivá čerpadla s pružným oběžným kolem, například Jabsco #30510-2003, (ii) vzduchem ovládaná membránová čerpadla, například Wilden M2, (iii) čerpadla s proměnlivým vnitřním objemem, například Ramoy 3561, a (iv) hadicová čerpadla, například Waukesha SP 25. Samozřejmě čím větší je vakuum vyvíjené čerpadlem, tím lepší je tok, ale při levném provozu jsou obvykle náklady na vakuové čerpadlo neodůvodnitelné.

Na obr. 9A je znázorněn půdorys jediného uskupení, znázorněného na obr. 9, s čelní stěnou 113 a zadní stěnou 113'. Boční stěny 111, 111' jsou znázorněny s přerušením, aby se zdůraznil fakt, že v nádrži bude obvykle uspořádáno tolik sestav, kolik je možné v nádrži zachytit, takže v zásadě celá plocha nádrže je pokryta vlákny.

Pro instalaci přídavné plochy membrány může být v nádrži nainstalována druhá skupina uskupení.

Na obr. 10 jsou znázorněny tři skupiny uskupení 140. jedna nad druhou, což je zvláště vhodné pro hlubokou nádrž, přičemž uskupení a sběrače každé skupiny jsou připevněny k bokům nádrže, jedno uskupení přímo za druhým. Jako tomu bylo výše, je prostředek 150 pro rozvod vzduchu umístěn ve dně nádrže přímo pod uskupeními. Pokud je k dispozici kyslíkem obohacený vzduch, může být použit místo vzduchu, aby se splnily požadavky rostoucí hmoty mikroorganismů.

Na obr. 11 je znázorněno další provedení sestavy v hluboké nádrži, ve které jediné uskupení s delšími vlákny, než je šířka nebo průměr nádrže, může zajistit odpovídající povrchovou plochu, a skupiny uskupení tak, jak jsou znázorněny na obr. 10 by byly neodůvodněné. Jak bylo naznačeno, uskupení je uspořádáno šikmo v nádrži s jedním vazačem a sběračem, které jsou společně označeny vztahovou značkou 151 a upevněny u dna nádrže poblíž jedné stěny nádrže a druhá vazač a sběrač 15Γ jsou upevněny příčně na protilehlé stěně nádrže tak, že vodorovná rovina procházející vodorovnou osou horního vazače 151' je vzdálena od vodorovné roviny procházející vodorovnou osou dolního vazače 151. Jako tomu bylo výše, vedení 155, 155' pro odvod permeátu jsou připojena ke sběračům a sloučenina pro odvod přes vedení 156.

Obloukovitý porézní prostředek 152 pro rozvod plynuje upevněn přímo pod vlákny uskupení pro zajištění plynu k čištění vláken a je přes vedení 153 připojen ke zdroji plynu.

-18CZ 287841 B6

U každého výše uvedeného provedení bude zřejmé, že pokud se vůbec použije čerpadlo, nejedná se o vakuové čerpadlo. Proto jsou vyloučeny náklady na vakuové čerpadlo, jeho provoz a údržbu. Avšak pokud by se použilo vakuové čerpadlo pro vytvoření vakua většího než 65 kPa (50 cm Hg) nebo dokonce vyššího, než je vyvíjeno gravitací, tok by se zvýšil, a v případech, kdy je požadován vysoký tok, mohou být náklady na vakuové čerpadlo odůvodněné.

Následují příkladná provedení vynálezu pro ošetřování proudu odpadní vody obsahující částice oxidu křemičitého o submikronové velikosti, a také, pro konvenční proces s aktivovaným kalem. Další příkladná provedení vynálezu obrácená na jiný problém separace budou využívat podobná uskupení a podobné způsoby.

Příklad 1 - ultrafiltrace

Aktivovaný kal, obsahující rostoucí mikroorganismy, vtéká rychlostí 20 1/den, při teplotě 25 °C do 100 1 poloprovozní nádrže, zachycující 80 1. Jediné bezrámové uskupení (1,1 m² povrchové plochy) s konstrukcí podle obr. 3, je ponořeno do nádrže tak, že vrchol každého z vláken je těsně pod hladinou kapaliny v nádrži. Celkové množství usazovaných tuhých látek v aktivovaném kalu je 17,5 g/1 (1,72 %) a nestálých usazovaných látek je 15 g/1 (1,48 %).

Bezrámové uskupení je vytvořeno s přadenem 200 polysulfonových, mikroporézních dutých ultrafiltračních vláken o vnějším průměru 2 mm, tloušťce stěn přibližně 1 mm, povrchové poréznosti asi 40 % a velikosti pórů přibližně 0,7 pm, přičemž obě poslední fyzikální vlastnosti jsou dány mezní molekulovou hmotností PEG (polyethylénglykol), což je asi 70 000. Opačné konce vláken jsou zality v prvním a druhém vazači. Každý vazač je asi 2,5 cm dlouhá půlválcová část válce o průměru 5 cm z epoxidové pryskyřice, ve které byly zality koncové části vláken do průměrné hloubky asi 1,5 cm. Průměrný diferenciál tlaku přes membránu je přibližně 25 kPa.

Vedení pro odvod permeátu jsou připojena ke sběrači každého vazače a v každém je generováno sání 34,5 kPa. Vedení pro rozvod vzduchu je použito pro generování bublin o velikosti průměru v rozmezí 1 mm až 5 mm, které jsou vyváděny asi 75 cm pod vrcholem přadena. Rychlost proudění vzduchuje nejlépe v rozmezí 40 m³/den/m² až 75 m³/den/m². Je použito 0,57 m³/hodinu vzduchu na 0,3 m², což je dostatečné pro požadavky oxidace biomasy, ale také pro čištění membrány plynem nebo vzduchem, pokud se použije vzduch.

Odvod permeátu je v průměru <0,1 NTU (nefelometrické jednotky kalnosti), což je na pohled čisté. Je měřeno množství permeátu odváděného v průběhu určených intervalů a pak je toto zakresleno do obr. 12 jakožto tok (litry-metry²-hodiny, „LMH“) v závislosti na čase. Na počátku je měřeno množství odváděného permeátu v 6·—ti hodinových intervalech, poté jsou intervaly postupně prodlužovány na 12 hodin, 24 hodin a nakonec každých 48 hodin, jak je naznačeno body v grafu.

Je vidět, že tok je na počátku téměř 14 LMH a prudce klesá během prvního dne na asi 8 LMH. Poté zůstává v zásadě konstantní, jak je prokázáno relativně plochým sklonem křivky počínajíc na téměř 8 LMH po prvním dni. Test je ukončen na konci 19 dní.

Příklad 2 - mikrofiltrace

Zkouška mikrofiltrace je prováděna s polysulfonovými mikrofiltračními vlákny ve druhém uskupení, které má stejnou celkovou plochu povrchu jako první uskupení v příkladě 1, a za stejných provozních podmínek, za účelem zjištění toku v závislosti na čase.

Druhé bezrámové uskupení polysulfonových mikrofiltračních dutých vláken je uspořádáno ve stejné poloprovozní nádrži, jako první skupení, je stejně čištěno a rychlost vtékání kalu je stejná.

-19CZ 287841 B6

Druhé uskupení má vlákna o vnějším průměru 1 mm, a tloušťku stěn přibližně 0,5 mm, povrchová poréznost je přibližně 40%, spory o průměru 0,1 pm, přičemž obě fyzikální vlastnosti jsou dány mezní molekulovou hmotností 100 000. Uskupení má strukturu analogickou jako první uskupení z příkladu 1, čímž je vytvořena povrchová plocha 1,1 m². Je použita stejná poloprovozní nádrž, jako byla použita v předcházejícím příkladě.

Bezrámové uskupení je vytvořeno s přadenem 200 polysulfonových, mikroporézních dutých mikrofiltračních vláken o velikosti pórů přibližně 0,7 pm, přičemž obě poslední fyzikální vlastnosti jsou dány mezní molekulovou hmotností PEG (polyethylénglykol), což je asi 100 000. Opačné konce vláken jsou zality v prvním a druhém vazači. Každý vazač je asi 45 cm dlouhá polovina válce o průměru 5 cm z epoxidové pryskyřice, ve které byly zality koncové části vláken do hloubky dostatečné, aby jejich otevřené konce vyčnívaly ze dna vazače. V každém vazači jsou zality konce 400 vláken, protože menší průměr 1 mm vláken vytváří poloviční plochu vláken o průměru 2 mm, pro přadeno se stejnou celkovou plochou povrchu 1,1 m². Průměrný diferenciál tlaku přes membránu je přibližně 25 kPa.

Vedení pro odvod permeátu jsou připojena ke sběrači každého vazače a v každém je generováno sání 34,5 kPa. Vzduch je dodáván přímo pod přadeno o rychlosti 0,57 m³/hodinu, což je dostatečné pro požadavky oxidace biomasy, ale také pro čištění membrány vzduchem.

Odvod permeátu je v průměru <0,5 NTU (nefelometrické jednotky kalnosti), což je na pohled stěží rozeznatelný zákal. Stejně jako výše, je měřeno množství permeátu odváděného v průběhu určených intervalů a pak je toto zakresleno do obr. 12A jakožto tok (litry-metry²-hodiny, „LMH“) v závislosti na čase.

Je vidět, že tok je na počátku téměř 45 LMH, avšak prudce klesá během prvního dne na asi 25 LMH. Poté zůstává v zásadě konstantní, jak je prokázáno relativně plochým sklonem křivky po prvním dni, ukazující tok >20 LMH bez náznaku poklesu po třech týdnech, kdy je zkouška ukončena.

Příklad 3

Porovnání výsledků získaných se sestavou bezrámového uskupení s prostředkem pro rozvod vzduchu, s výsledky získanými použitím sestavy navržené tak, jak ji popsal Yamamoto a kol. v Wat. Sci. Těch., svazek 21, Brighton strany 43-54, 1989.

Toto experimentální porovnání bylo prováděno za použití dvou v zásadě identických bezrámových uskupení ve dvou v zásadě identických 801 nádržích naplněných stejným substrátem s aktivovaným kalem. Jediné rozdíly mezi uvedeným experimentem od Yamamoto a kol. a experimentem přihlašovatele jsou: (i) uspořádání vláken v Yamamotově experimentu je převrácené vzhledem uspořádání v bezrámovém uskupení, (ii) aby uspořádání v uskupení od Yamamoto zůstalo převrácené, byla vlákna připevněna k drátěnému rámu (aby se vlákna držela pod rovinou obsahující vazače), (iii) vzduch pro ústrojí od Yamamoto a kol. se rozváděl z provzdušňovače, avšak vzduch pro bezrámové uskupení se rozváděl z difuzéru s otvory o velikosti 200 pm. Rychlost vháněného vzduchu byla vzata u Chiemchaisri a kol.

První bezrámové uskupení z 280 jednotlivých vláken, z nichž každé bylo 0,75 m dlouhé, s (ID) vnitřním průměrem 0,4 mm a (OD) 0,46 mm, velikostí pórů 0,04 pm, mezní molekulovou hmotnostní PEG 100 000 a s celkovou plochou povrchu 0,3 m², se ponořilo pod vazače v první 80 1 nádrži obsahující 40 1 substrátu, vlákna byla přichycena se vzájemným odstupem ve tvaru převrácené obecné paraboly (dále označováno jako převrácený obecně parabolický tvar). Vlákna byla z Celgard polypropylénu (přirozeně hydrofobní, podobně jako vlákna použití u Yamamoto a kol.). Každý vazač měl průměr 5 cm a byl 45 cm dlouhý.

-20CZ 287841 B6

Zdroj vzduchu od Yamamoto a kol. byl zdvojený proudový provzdušňovač, který využíval tři řadové aspirátory (difuzéry), z nichž každý měl maximální výkon čerpání vzduchu 11,5 1/min při rychlosti spotřeby vody 6,5 1/minutu, a každý byl opatřen perforovaným svislým rozvodným ramenem s otvory přibližně 250 pm v průměru, přes které byla rozváděna směs vody a vzduchu, čímž se vytvářely bubliny přibližně 1 mm v průměru. Vzduch byl dodáván pod tlakem 300 kPa, a bubliny byly vyváděny z boku nádrže směrem do jejího středu, a byly směrovány k bezrámovému uskupení. Rychlost proudění vzduchu byla změřena průtokoměrem, přičemž byla zjištěna hodnota 34,5 1/minutu, takže rychlost proudění vzduchu přes vlákna byla 2,05 m /hodinu/m².

Druhé, identické bezrámové uskupení bylo umístěno do druhé nádrže tak, že vlákna byla volně plavmo pohyblivá v substrátu, přičemž měla obecně parabolický tvar.

Vzduch pro druhé bezrámové uskupení v parabolickém tvaru byl dodáván pod tlakem 136 kPa trubicovým rozvaděčem vzduchu opatřeným otvory přibližně 250 pm v průměru. Pro druhé uskupení je použito méně vzduchu, protože větší bubliny nevyžadují tak velkou rychlost vzduchu jako proudový provzdušňovač. Rychlost proudění vzduchu byla změřena průtokoměrem, přičemž byla zjištěna hodnota 0,1 1/minutu, takže rychlost proudění vzduchu přes vlákna byla 0,57 m /hodinu/m².

Z obr. 1, kde je zakreslen tok jako funkce doby provozu pro tyto dva případy, je zřejmé, že tok pro parabolické bezrámové uskupení 1 a tok pro převrácené parabolické uskupení 2 jsou v zásadě podle očekávání stejné. Avšak přibližně po 50 hodinách je vidět, že tok pro parabolické uskupení 1 dosáhl rovnováhy, zatímco tok pro převrácené parabolické uskupení 2 stále klesá.

Toto dokazuje, že, i při použití identického uskupení musí být vlákna volně plavmo pohyblivá, nebo, že menší bubliny generované proudovým provzdušňovačem nejsou účinné, nebo obojí.

Nyní je zřejmé, že bezrámové zařízení a základní způsob separace podle vynálezu může být použit pro regeneraci a separaci širokého spektra komerčně významných materiálů, z nichž některé, uvedené pro ilustraci, zahrnují regeneraci vody z pozemní vody obsahující mikronové a submikronové částice křemičitých materiálů, nebo regeneraci rozpouštědla z barvivém znečištěného rozpouštědla. Při každém použití bude volba membrány záviset na fyzikálních charakteristikách materiálů a požadované separaci. Volba plynu bude záviset na tom, zda je v substrátu zapotřebí kyslík. Pro čištění vláken plynem v křemičitém substrátu vody může být použit oxid uhličitý.

V každém případě tento jednoduchý způsob zahrnuje rozvinutí bezrámového uskupení soustavy dutých vláknových membrán nebo vláken, z nichž každé má délku >0,5 metrů, přičemž společně mají plochu povrchu >1 m², v tělese se substrátem, které není uzavřeno v modulovém pouzdře, takže vlákna v zásadě volně plavou v substrátu. Typicky není substrát pod tlakem větším než je atmosférický tlak. Vlákna mají nízký diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí od přibližně 3,5 kPa do přibližně 350 kPa, a vazače, koncové části vláken, a konce vláken jsou uspořádány se vzájemným odstupem, jak bylo popsáno výše, takže vyvinutím sání na dolním čele alespoň jednoho z vazačů, nejlépe obou, je permeát odváděn přes sběrné ústrojí, v němž je každý vazač uspořádán v kapalinotěsné komunikaci. V závislosti na relativní orientaci uskupení a místě, ze kterého je sání vyvíjeno, může být permeát odváděn pomocí vakua vzniklého vlivem gravitace.

Z předcházejícího je nyní zřejmé, že membránové zařízení podle vynálezu je zvláště určeno k použití u membrán s diferenciálem tlaku přes membránu v rozmezí přibližně od 0,7 kPa do 345 kPa a že tato specifikace jasně vyjadřuje, že membrány budou mít póry o velikosti v rozmezí přibližně 0,001 pm do 0,1 pm, přičemž se membrány pro ultrafiltraci a membrány pro mikrofiltraci částečně překrývají. Membrány pro ultrafiltraci jsou obecně v rozmezí od 0,001 pm do 0,1 pm, membrány pro mikrofiltraci jsou v rozmezí 0,1 pm do 1,0 pm. Při dolní hranici

-21CZ 287841 B6 rozmezí bylo zjištěno, že diferenciál tlaku přes membránu je obecně dosti vysoký, takže je nutné použít vakuové čerpadlo a udržovat jímku pod zvýšeným tlakem.

Když byl takto podán obecný popis a zvláštní případy nejlepších konstrukčních provedení a rozvinutí membránového zařízení obsahujícího bezrámové uskupení dlouhých vláken v substrátu, ze kterého se má získat určitá složka jako permeát, popis použití zařízení v sestavě s prostředky pro rozvod plynu, a byla uvedena zvláštní příkladná zařízení a způsoby, ve kterých je soustava použita, je jasné, že s ohledem na znázorněná a popsaná zvláštní provedení nemají být uskutečněna žádná nepatřičná omezení, a především, že vynález není omezen otrockým trvání na zde popsaných podrobnostech.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Membránové zařízení pro odstraňování permeátu z vícesložkového kapalného substrátu mikrofiltrací a ultrafiltrací, vyznačující se tím, že zahrnuje: soustavu (75, 92, 150) dutých membránových vláken (12), v době ponoření membránového zařízení (10) v substrátu rozvinutých jako vztyčené pohyblivé přadeno (42, 62), kde tato vlákna (12) jsou bezpečně držena v příčně protilehlých, v odstupu uspořádaných prvních a druhých vazačích (11; 41, 41'; 61, 61'; 14Γ, 15Γ) a mají délku značně delší než je přímá vzdálenost mezi prvním a druhým vazačem (11; 41, 41'; 61, 6Γ; 14Γ, 151'), přičemž přadeno (42, 62) je uspořádáno s vlákny táhnoucími se nahoru od nahoru nasměrovaného čela alespoň jednoho z prvních a druhých vazačů (11; 41, 4Γ; 61, 6Γ; 14Γ, 151') pro vytvoření přadena (42, 62) s výkyvným a obecně obloukovým uspořádáním vláken nad horizontální rovinou, přičemž toto přadeno (42, 62) je drženo pouze prvními a druhými vazači (11; 41, 4Γ; 61, 6Γ; 14Γ, 151') a vztlakem v substrátu, kde v prvním vazači (11; 41, 41'; 61, 6Γ; 14Γ, 15Γ) je upevněna koncová část (12') každého v ní uchyceného vlákna (12) a v druhém vazači je upevněna protilehlá koncová část (12') téhož vlákna (12), přičemž všechna tato vlákna (12) vycházejí z čela každého vazače (11; 41, 41'; 61, 6Γ; 14Γ, 15Γ) a v podstatě všechna vlákna (12) jsou na svých koncích otevřená pro umožnění odvodu permeátu přes každý vazač (11; 41, 4Γ; 61, 6Γ; 14Γ, 151'), kde vlákna (12) jsou zajištěna s utěsněním, přičemž otevřené konce vláken (12) jsou v každém vazači (11; 41, 4Γ; 61, 6Γ; 14Γ, 151') zajištěny a od sebe navzájem kapalinotěsně odděleny, a dále ústrojí (20, 30) pro sběr permeátu odváděného přes vazače (11; 41, 41'; 61, 6Γ; 141', 15Γ), spojené přímou fluidní komunikací s nižším čelem každého vazače (11; 41, 41'; 61, 61'; 14Γ, 151'), když je membránové zařízení (10) ponořeno do substrátu.
2. 2. Membránové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý vazač (11; 41, 41'; 61, 61'; 14Γ, 151') je hmota zpěvného materiálu ze syntetické pryskyřice, v níž jsou zasazeny koncové části (12') a vlákna (12) jsou vytvořena z organické pryskyřice nebo keramiky a mají diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí od 0,7 kPa do 345 kPa a každé má povrchovou plochu přesahující 1 m², přičemž každé vlákno (12) má vnější průměr v rozmezí od 20 mikrometrů do 3 milimetrů, tloušťku stěny v rozmezí od 5 mikrometrů do 2 milimetrů a velikost pórů v rozsahu od 0,001 mikrometrů do 1,0 mikrometru.
3. 3. Membránové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý vazač (11; 41, 4 T; 61, 6 Γ; 14Γ, 151') je hmota zpěvného materiálu ze syntetické pryskyřice, v níž jsou zasazeny koncové části (12') a vlákna (12) jsou vytvořena z materiálu zvoleného ze skupiny sestávající z přirozených a syntetických polymerů a mají diferenciál tlaku přes membránu v rozmezí od 0,7 kPa do 345 kPa a každé má povrchovou plochu přesahující 1 m , přičemž každé duté vlákno (12) má vnější průměr v rozmezí od 20 mikrometrů do 3 milimetrů, tloušťku stěny

   -22CZ 287841 B6 v rozmezí od 5 mikrometrů do 2 milimetrů a velikost pórů v rozsahu od 0,001 mikrometrů do 1,0 mikrometru.
4. 4. Membránové zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že koncové
5. 5 části (12') vláken (12) jsou zasazeny do hmoty teplem vytvrditelné syntetické pryskyřice do hloubky v rozsahu od 1 centimetru do 5 centimetrů, přičemž vazače (11; 41, 4Γ; 61, 61'; 14Γ, 15Γ) jsou vyjímatelně upevněny v příčném a vertikálním odstupu, diferenciál tlaku přes membránu je v rozmezí od 3,5 kPa do 175 kPa, délka vláken je v rozmezí od 0,5 metru do 5 metrů, koncové části (12') vláken (12) jsou zasazeny do hmoty teplem vytvrditelné syntetické io pryskyřice do hloubky v rozsahu od 1 centimetru do 5 centimetrů, přičemž vazače (11; 41, 41';

   61,61'; 141', 151') jsou upevněny koplanámě a vyjímatelně.

   5. Membránové zařízení podle nároků 1, 2, 3 nebo 4, vyznačující se tím, že je uspořádáno pro použití v substrátu udržovaném na tlaku v rozsahu od 0,1 do 1 MPa, přičemž

   15 vlákna (12) se táhnou jako přadeno (42, 62) směrem nahoru od vlákna (12) držícího čela každého z vazačů (11; 41, 41'; 61, 6Γ; 141', 151'), kde oblouková konfigurace je obecně parabolická, a přičemž vlákna (12) se táhnou směrem dolů přes čelo odvodu permeátu vazačů (11; 41, 41'; 61, 6Γ; 14Γ, 151') pro odvod permeátu směrem dolů vzhledem ke směru, v němž jsou vlákna (12) rozvinuta, a přičemž tato vlákna (12) mají dohromady povrchovou plochu v rozsahu od 10 do 20 10³m².
6. 6. Plynem čištěná sestava obsahující membránové zařízení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že zahrnuje prostředek (50, 51, 51'; 52; 66; 76; 89; 152) pro rozvod plynu k minimalizaci usazování nánosů částic na povrchu dutých membránových vláken

   25 při ponoření membránového zařízení (10) v substrátu, kde prostředek (50, 51, 5 Γ; 52; 66; 76; 89;

   152) pro rozvod plynuje uspořádán v zóně přímo pod přadenem (42, 62) a je opatřen průchozími otvoiy, které jsou uzpůsobené pro průchod plynu pro vytvoření dostatečného množství bublin proudících přadenem (42, 62) a podél vláken (12) pro stálé otírání povrchu vláken (12) bublinami.
7. 7. Plynem čištěná sestava podle nároku 6, vyznačující se tím, že průchozí otvory v prostředku (50, 51, 51'; 52; 66; 76; 89; 152) pro rozvod vzduchu jsou uspořádány pro generování bublin o středním průměru v rozmezí od 1 mm do 50 mm, s výhodou v rozmezí od 1 mm do 25 mm, měřeno relativně blízko vláken (12), které kontaktují vlákna (12), pro udržení

   35 ve vznosu a udržení jejich vnějšího povrchu v zásadě bez nánosů částic látky.
8. 8. Plynem čištěná sestava podle nároku 7, vyznačující se tím, že je ponořena v substrátu, který obsahuje částice obsahující biologicky aktivní mikroorganismy rostoucí v uvedeném substrátu, kde vlákna (12) mají póry o velikosti v rozsahu od 0,001 pm do 0,1 pm,

   40 přičemž plyn je plyn obsahující kyslík, a rychlost toku plynu je v rozmezí od 0,3 m³/den/m² do

   400 m³/den/m² pro omývání celé délky každého vlákna (12) v přadenu (42, 62) bublinami.
9. 9. Systém pro odvádění permeátu z vícesložkového kapalného substrátu, s částicemi v něm rozptýlenými, obsahující plynem čištěnou sestavu podle kteréhokoliv z nároků 6 až 8,

   45 vyznačující se tím, že je ponořen v nádobě (70; 81; 111, 11 Γ, 112) o objemu umožňuj ícímu pojmout alespoň 100 litrů substrátu, z něhož se má odvádět permeát, přičemž dále obsahuje prostředky (93; 98; 155, 155'; 156) pro odvod permeátu.
10. 10. Systém podle nároku 9, vyznačující se tím, že látka ve formě částic je vybrána 50 ze skupiny sestávající z mikroorganismů rostoucích v uvedeném substrátu, a jemně dělených anorganických částic, každý vazač (11; 41, 4Γ; 61, 6Γ; 14Γ, 151') je tuhý materiál ze syntetické pryskyřice, ve kterém je zalito alespoň 100 koncových částí (12'), přičemž každé duté vlákno (12) má vnější průměr v rozmezí od 20 pm do 3 mm, a tloušťku stěny v rozmezí o.d 5 pm do

    -23CZ 287841 B6

    1 mm, zatímco koncové části (12') vláken (12) jsou zality v pryskyřičném materiálu do hloubky v rozmezí od 1 do 5 cm.
11. 11. Způsob udržování vnějšího povrchu dutých vláken v zásadě bez usazování nánosů materiálu ve formě částic při odstraňování permeátu z vícesložkového kapalného substrátu v jímce membránovým zařízením podle nároků 1 až 5 nebo plynem čištěnou sestavou s membránovým zařízením podle nároků 6 až 8, případně systémem pro odvádění permeátu s plynem čištěnou sestavou podle nároků 9 až 10, vyznačující se tím, že zahrnuje ponoření membránového zařízení do substrátu, upevnění vazačů v otevřené fluidní komunikaci s ústrojím pro sběr permeátu, vedení plynu pro čištění vláken přes prostředek pro rozvod plynu uspořádaný poblíž přadena v zóně přímo pod přadenem, a kontaktování povrchu vláken bublinami plynu s dostatečným fyzikálním účinkem pro stálé otírání vláken v přadenu v zásadě po celé délce a pro jejich uchování v zásadě bez nánosů, udržování v podstatě konstantního toku skrz vlákna, v zásadě stejného jako rovnovážný tok získaný na počátku po zahájení separace, sběr permeátu v ústrojí pro sběr permeátu, a odvod permeátu.