DE69636948T2

DE69636948T2 - Filtersystem mit gewickelter membran

Info

Publication number: DE69636948T2
Application number: DE69636948T
Authority: DE
Inventors: Georges Slingerlands BELFORT
Original assignee: Rensselaer Polytechnic Institute
Current assignee: Rensselaer Polytechnic Institute
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2016-08-03
Also published as: ES2116251T1; ATE355887T1; JP3349515B2; CA2201603A1; EP0784502B1; CN1166792A; KR100430871B1; WO1997005946A1; CA2201603C; DE784502T1; DE69636948D1; JPH10501742A; EP0784502A1; AU6768196A; US5626758A; USRE37759E1; CN1094067C; ES2116251T3; AU690037B2

Description

GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Filtrationsmodule oder -elemente und insbesondere auf ein neues und nützliches Verfahren und eine Vorrichtung, die eine gekrümmte oder gewickelte röhrenförmige Membran benutzt, die aufgebaut ist, um die Bildung von Dean-Wirbeln an der Lösung-Membran-Grenzfläche zu maximieren, um die Filtrationwirkung zu verbessern.
Die meisten modularen Ausgestaltungen für druckgetriebene Membran-Prozesse, wie beispielsweise Umkehrosmose, Ultrafiltration und Mikrofiltration, basieren auf dem Maximieren der Membranfläche je Einheitsvolumen und auf der Handhabungszweckmäßigkeit des Moduls. Viele Verfahren existieren zum Verringern von CP und von Fouling, einschließlich chemischer Modifikation der Membranoberfläche und physikalischen Verfahren, wie beispielsweise Scouring. Hydrodynamische Verfahren sind ebenfalls bekannt, die sich auf Wirbelströme während turbulenter Strömung oder induzierte Strömungsinstabilitäten stützen. Derartige Gleichgewichtsabweichungen oder Instabilitäten können durch Einführen von Einsatzstücken in den Strömungsweg erzeugt werden. Die instabile bzw. turbulente Strömung über Membranen wurden von einem der Miterfinder der vorliegenden Anmeldung ebenfalls benutzt, um Solut-Aufbau an der Lösung-Membran-Grenzfläche zu verringern (siehe G. Belfort, „Fluid mechanics in membrane filtration: recent developments", J. Membrane Sci., 40, 123–147 (1989).
Unterschiedliche Arten von Instabilitäten, einschließlich Wirbeln und auf rauen Membranoberflächen, Strömungs-Pulsationen und schwingenden Membranoberflächen beruhenden Instabilitäten wurden verwendet. Zusätzlich zur rauen Membranoberfläche etc. wurden Instabilitäten ebenfalls durch ein rotierendes Plattensystem induziert, das (i) in den 1970igern durch Fred Littmand and Jerry Kroopnick bei Dresser Industries, TX, und davor bei Stanford Research Laboratories, CA, und (ii) in den 1990igern durch Brown Boveri Co. in Malmo, Schweden, entwickelt wurden. Eines der erfolgreichsten Depolarisationsverfahren hat Taylor-Wirbel verwendet, die in einem rotierenden ringförmigen Filtermodul aufgebaut wurden. Die Haupteinschränkungen dieser Ausgestaltung sind die Schwierigkeit beim maßstäblichen Vergrößern der Membranfläche und ein hoher Energieverbrauch. Wirbel wurden ebenfalls in membranausgelegten (membran-lined) Kanälen durch häufiges Umkehren von turbulenter Strömung (bei 8 Hz) in einem gewellten Kanal erzeugt (siehe J. W. Stairmand und B. J. Bellhouse, „Mass transfer in a pulsating turbulent flow with deposition into furrowed walls", Int. Heat Mass Transfer, 27, 1405 (1985)). Dies wurde ebenfalls erreicht, in dem das Fluid gezwungen wurde, in einem spiralförmigen Halbzylinder-Kanal über eine flache Membran herum zu strömen (siehe die PCT-Patentanmeldung WO 90/09229 vom 23. August 1990 an Winzeler). Beide dieser Vorgehensweisen zeigen eine erhöhte Leistung in Anwesenheit von Wirbeln, wobei jedoch jede einige Schwierigkeiten, einschließlich maßstäblichen Vergrößerns und Dichtungsprobleme, zeigt. Die Verwendung von Abstandshaltern bei einer spiralförmigen gewickelten Einheit, um Mischen zu induzieren, wurde vielfach empfohlen. Leider ist diese Vorgehensweise bei niedrigen axialen Reynolds-Zahlen, die typischerweise bei der Poiseuille-Strömung für die meisten spiralgewickelten Einheiten verwendet werden, größtenteils unwirksam gewesen (siehe die spiralförmigen Strömungsfilter von Toray Industries, Inc., die beispielsweise in ihrer Broschüre mit dem Titel "Romembra Toray Reverse Osmosis Elements" offenbart werden).
Die wirksame Verwendung von Fluid-Instabilitäten, wie beispielsweise Wirbeln, beim Depolarisieren und Reinigen von synthetischen Membranen für druckgetriebene Membrananwendungen wurde vielfach in der Literatur bestätigt (siehe H. B. Winzeler und G. Belfort, (1993), Enhanced performance for pressure-driven membrane processes: The argument for fluid instabilities, J. Membrane Sci., in 80, 35–47). Die Erfindung hat ausgezeichnete Flussverbesserungen in der Anwesenheit von Dean-Wirbeln gezeigt, die aus einer Strömung um einen gekrümmten Kanal mit Mikrofiltrations-Membranen resultiert.
PROC. 3TH INT. SYMP. ON FRESH WATER FROM THE SEA, Bd. 2, 1970, Athen, Griechenland, Seiten 587–600, XP002016252 S. SRINIVASAN: "Reverse Osmosis in a curved tubular duct" bezieht sich auf die Wirkungen von Massentransfer in einem Umkehrosmose-System, das einen gekrümmten röhrenförmigen Membran-Kanal benutzt. Für dieses System wurde eine Zunahme in dem Massentransfer aufgrund der Coriolis-Kraft beobachtet. Gemäß diesem Stand der Technik wird die Existenz einer sekundären Strömung bei Umkehrosmose-Anwendungen benutzt, um die Konzentrationspolarisation zu verringern.
TRANS. AMERICAN SOC ARTIFICIAL INTERNAL ORGANS, Bd. XXI, April 1975, WASHINGTON, USA, Seiten 216–223, XP002016255, K. TANISHITA: „Tightly wound coils of microporous tubing: progress with secondary-flow blood oxygenator design" bezieht sich auf den Transfer über eine Membran eines in Wasser aufgelösten Gases, das sich durch ein gewendeltes Rohr bewegt. Diese Simulation eines Blut-Oxygenators verwendet die gewendelte Rohrgeometrie, um eine sekundäre Strömung in dem Fluid zu erzeugen, und vergleicht die Transferkoeffizienten mit jenen, die bei einem geraden Rohrsystem in Erfahrung gebracht wurden.
MED. & BIOL. ENG. & COMPUT, Bd. 15, Nr. 2, 1977, STEVENAGE, UK, Seiten 106–117, XP002016254, U. BAUMEISTER: „Blood oxygenation in coiled silicone-rubber tubes of complex geometry", bezieht sich auf die Wirkung von Gastransfer beim Bewegen eines Fluids mit einem aufgelösten Gas durch komplexe Spulensysteme mit alternierenden Orientierungen. Die Reorientierung der gewickelten Rohre bewirkt, dass sekundäre Strömung fortwährend neu aufgebaut wird, wobei das Mischen der Flüssigkeit weiter verstärkt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Defouling und eine Vorrichtung zum Bewirken eines druckgetriebenen Filtrationsprozesses mit verbesserten Filtrationswirkungen bereitzustellen, die angepasst sind, um die oben erwähnten Nachteile zu überwinden.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Ein Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbauen von Wirbeln, insbesondere Dean-Wirbeln, die von dem Einsetzen einer instabilen Strömung in einen gekrümmten Weg resultieren.
Außerdem umfasst ein Aspekt der Erfindung das Verwenden von Dean-Wirbeln, zum Defoulen, d.h. zum Entfernen von Ablagerungen, und zum Depolarisieren, d.h. gelöste Schwebstoffe in der Nähe der Membran und Solute weg von der Membran zu entfernen. Die Erfindung umfasst ebenfalls ein spiralförmiges oder anderweitig gewickeltes Membran-Rohr zur Verwendung bei der:

(i) Umkehrosmose – hauptsächlich zum Zurückhalten von Salz oder organischen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht verwendet;
(ii) Nanofiltration – hauptsächlich zur Fraktionierung von Salz und organischen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht verwendet;
(iii) Ultrafiltration – hauptsächlich zur Fraktionierung von organischen Stoffen mit mittlerem Molekulargewicht und zum Transportieren von Salz und organischen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht verwendet;
(iv) Mikrofiltration – hauptsächlich zum Zurückhalten von Kolloiden, kleinen Teilchen und zum Transportieren von Salz, organischen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht und anderen aufgelösten organischen Stoffen und Soluten verwendet.

Die Dean-Wirbelströmung der Erfindung weist nicht nur ähnliche Vorteile wie Taylor-Wirbel- und schwingende Strömungen auf, sondern ist ebenfalls für das maßstäbliche Vergrößern geeignet.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer Betriebsvorteile und spezifischen Aufgaben, die durch ihre Verwendungen erreicht werden, wird Bezug auf die begleitenden Zeichnungen und die Beschreibung genommen, wo die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine graphische Darstellung, die das Radiusverhältnis gegen die kritische Reynolds-Zahl für eine „Narrow-Gap"-Theorie, die in gestrichelter Linie gezeigt ist, und eine „Wide-Gap"-Theorie, die in durchgezogener Linie gezeigt ist, aufträgt;
2 eine schematische Darstellung der Geometrie eines helixförmigen Rohrs, das in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird;
3 eine schematische Schnittansicht einer linearen Multirohrausgestaltung, die verwendet wird, um zu helfen, die Wirksamkeit der Erfindung zu verifizieren;
4 eine schematische Schnittansicht einer umwickelten Multirohr-Hohlfaser-Ausgestaltung, die verwendet wird, um die Wirksamkeit der Erfindung zu bestätigen;
5 ein vergrößertes Detail von 4;
6 ein schematisches Diagramm des experimentellen Systems, das verwendet wird, um die Erfindung zu bestätigen;
7 eine graphische Darstellung, die den axialen Druckverlust je Einheitslänge als eine Funktion des Dean-Zahlverhältnisses mit Di-Wasser als den Feed darstellt;
8 eine graphische Darstellung, die den Solut-Fluss einer MgSO₄ enthaltenen Salzlösung in den linearen und spiralförmigen Nanofiltrationsmodulen bei einem Transmembrandruck von 1700 kPa, einem Dean-Verhältnis von 3,84 und einer Temperatur von 298 K zeigt (entspricht nicht der Erfindung);
9 eine 8 ähnliche graphische Darstellung, wobei die Konzentration von MgSO₄ von 1000 ppm in 2000 ppm geändert wurde, der Druck auf 1800 kPa erhöht wurde und das Dean-Verhältnis 7,69 bei der gleichen Temperatur von 289 K ist (entspricht nicht der Erfindung);
10, 11, 12 und 13 graphische Darstellungen, die Permeabilitäts-Koeffizienten gegen Solut- oder Suspensionskonzentrationen auftragen, die die Wirksamkeit der Erfindung zeigen (10 und 11 entsprechen nicht der Erfindung);
14 eine schematische Schnittansicht, die Membranrohre zeigt, die bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu verwenden sind, wobei sich die Spulen der Wicklungen sowohl in axialer als auch radialer Richtung erstrecken; und
15 eine 14 ähnliche Ansicht eines noch weiteren Membranrohres, das bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu verwendet ist, wobei die Spulen gewickelt sind, sodass sie sich in radialer Richtung erstrecken.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Bedingungen, unter denen Wirbel in gekrümmter Kanalströmung auftreten, wurden durch W. R. Dean, „Fluid motion in a curved channel", Pro. Roy. Sco A 121 (1928) 402–420, bestimmt. Das Auftreten von Wirbeln hängt von der Geschwindigkeit des Fluids ab, die durch eine Reynolds-Zahl gekennzeichnet wird, und von dem Verhältnis der inneren und äußeren Radien des gekrümmten Kanals. Eine Gleichung, die die kritische Reynolds-Zahl in Verhältnis zu den Radien setzt, wurde durch Reid für die „Narrow-Gap"-Theorie angegeben:
wobei η das Verhältnis des inneren Radius r_i und des äußeren Radius r_o eines gekrümmten Kanals und k = 35,94 ist (siehe W. H. Reid, „On the stability of viscous flow in a curved channel", Proc. Roy. Sco. A, 244 (1958) 186–198).
Bei dem US-Patent 5 204 002 wurde die lineare und schwach lineare Stabilitätsanalyse für Re_c für die „Narrow- Gap"-Theorie offenbart. Die Ergebnisse der beiden Theorien werden in 1 gezeigt. Beide wurden für einen gekrümmten Schlitz hergeleitet. Sie basieren jedoch auf Dean-Gleichungen, die keine Kanalgeometrie spezifizieren. Für die Erfindung sei eine geeignete Anpassung der „Narrow-Gap"-Theorie für ein gekrümmtes Rohr angenommen. 1 offenbart, dass die „Narrow-Gap"-Theorie (gestrichelte Linie) eine gute Näherung des Ergebnisses des „Wide-Gap" (durchgezogene Linie) ist, wenn η > 0,90 ist.
Die Beziehung zwischen der kritischen Dean-Zahl und der kritischen Reynolds-Zahl wird gegeben durch:
wobei k = (r_o + r_i)/2 und d = r_o – r_i, der Innendurchmesser des Rohres ist. Um die unterschiedlichen Radien eines Kreises und einer Spirale zu berücksichtigen, verwendeten wir den Krümmungsradius, der durch M. Germano, „The Dean equations extended to a helical pipe flow", J. Fluid Mech. 203 (1989) 289–305, gegeben wurde.
wobei r = drod/2 + t + d/2 (4)
wobei t die Wanddicke der Rohrmembran und m die Anzahl der nebeneinander liegenden Rohren ist (siehe 2).
Mit der Definition für das Krümmungsverhältnis erhalten wir
Durch Einsetzen von Gleichungen (4) und (5) in (3) und dann (3) in (6) erhalten wir
Diese Gleichung wird nachstehend untersucht.
Zwei hohle Fasermembranmodule wurden ausgestaltet und gebaut, um den Unterschied in der Leistung für die Nanofiltration in der Anwesenheit und Abwesenheit von Wirbeln zu vergleichen. Das erste Modul, eine lineare Rohrausgestaltung 10 in 3, enthielt 26 gerade hohle Fasern 12, die mit einem Dichtungsmittel 16, 18 in einer äußeren CPVC-Hülle abgedichtet wurden. Einlässe 20 liefern Feed zu den Rohren und wirken ebenfalls als Auslässe. Ein Permeat-Auslass 22 wird ebenfalls bereitgestellt. Das zweite Modul, eine spiralförmige Rohrausgestaltung 30 in 4 und 5, enthielt ebenfalls 26 Stäbe 32, von denen jeder mit einer hohlen Faser 34 in einer spiralförmigen Konfiguration umwickelt war. Die hohlen Fasern und die Stäbe wurden an beiden Enden 36 und 38 einer äußeren Kunststoffhülle 40 abgedichtet. Ein Feed-Einlass/Auslass 42 und ein Permeat-Auslass 44 sind mit der Hülle 40 verbunden. Das Rohr muss jedoch nicht auf einem Stab gewickelt sein, um noch Teil der Erfindung zu sein.
Das lineare Rohrmodul 10 weist eine Gesamtlänge von 815 mm und einen Durchmesser von ungefähr 90 mm auf. Die aktive Faserlänge betrug 790 mm, und die Oberfläche betrug 147 cm². Es gab einen Auslass 22 für die Permeat-Erfassung. Die Stäbe 32 des Moduls 30 hatten einen Durchmesser von 3,175 mm, und die Fasern 34 wurden eng um sie gewickelt. Aufgrund des größeren Querschnitts des spiralförmigen Rohrmoduls 30 waren die äußeren Fittings der Hülle 40 nicht imstande, dem maximalen Betriebsdruck von 280 kPa zu widerstehen. Um sie vom Platzen zu schützen, wurde eine aus zwei Metallplatten von 10 × 10 cm und vier Schrauben hergestellte Klammer installiert, um das Modul zu umschließen. Für Einfachheit und Reproduzierbarkeit wurde ein konstanter Stabdurchmesser für alle Stäbe gewählt. Da jedoch die Feed-Strömungsrate durch das Modul abnahm und daher die Geschwindigkeit des Fluids ebenfalls abnahm, konnten die Wirbel zu dem Auslass des Moduls hin schwächer werden und sogar verschwinden. Erfindungsgemäß versucht man immer, so zu arbeiten, dass die Reynolds-Zahl (oder Strömungsrate) größer als die kritische Reynolds-Zahl (oder kritische Strömungsrate) ist.
Der kleinste Durchmesser d_rod, mit dem die Fasern umwickelt werden konnten, ohne sie zu beschädigen, wurde mit 3 mm bestimmt.
Für die Optimierung von η und um die beste Leistung in einem spiralförmigen Rohrmodul zu erhalten, sollte das Verhältnis der höchsten möglichen Dean-Zahl und der kritischen Dean-Zahl maximiert sein, d.h. max D = De/Dec = Re/Rec (8)
Da die maximale Strömungsrate (oder maximale Dean-Zahl) durch einen maximalen Druckabfall von 280 kPa in dem spiralförmigen Rohrmodul begrenzt war, wurde entschieden, die kritische Reynolds-Zahl und somit η gemäß 1 zu verringern. Dies würde uns ermöglichen, De zu maximieren.
Um die optimale Ausgestaltung eines spiralförmigen Rohrmoduls zu bestimmen, trugen wir η von Gleichung (7) als Funktion des Innendurchmessers der hohlen Faser d und des Durchmessers der Stäbe d_rod auf. Je kleiner d_rod und die Anzahl der um einen Stab gewickelten Fasern war, desto mehr kann man η verringern. Ein größerer Durchmesser der hohlen Faser würde ebenfalls bewirken, dass η abnimmt. Eine derartige Faser wird jedoch schwächer und somit weniger druckwiderstandsfähig sein. Daher würde der maximale Druckabfall und die maximale Strömungsrate ebenfalls abnehmen.
Der kleinste Durchmesser d_rod, mit denen die Fasern umwickelt werden konnten, ohne sie zu beschädigen, wurde dann wie oben bemerkt, mit 3 mm bestimmt.
Berechnungen für die kritische Reynolds-Zahl und die kritische Dean-Zahl folgen. Mit den gegebenen Abmessungen der hohlen Fasern (d = 0,270 mm, t = 0,175) und der Stäbe (d_rod = 3 mm) erhalten wir aus Gleichung (7) η = 0,867. Aus Gleichung (1) erhalten wir Re_c = 45,89, und aus Gleichung (3) bekommen wir r_ic = 1,77 mm und r_oc = 2,04 mm.
Daher erhalten wir aus Gleichung (2) De_c = 17,28. Berechnungen der kritischen Geschwindigkeit und der kritischen Feed-Strömungsrate folgen. Dean-Zahlen und Reynolds-Zahlen wurden indirekt von der volumetrischen Strömungsrate durch die Module gemessen. Eine konstante Strömungsrate wurde im Vergleich mit der Feed-Strömungsrate als vernachlässigbar angesehen. Die kritische Volumenströmung durch eine hohle Faser wird gegeben durch
wobei v_c, die kritische Geschwindigkeit, gegeben wird durch
wobei für Wasser die Viskosität μ = 9,855 10^–3 kg/m – s und die Dichte ρ = 1000 kg/m³ bei 25°C ist. Somit vc = 0,0145 m/s Qc-fiber = 8,32 × 10–6 dm3/soder für 26 Fasern
Q_c = 26 Q_c-Faser = 2,16 10^–4 dm³/s = 12,98 ml/min für die kritische Volumetrische Strömungsrate durch jedes Modul.
Das maximale Dean-Verhältnis Dmax = Demax/Dec = Remax/Rec = Vmax/Vc = Qmax/Qc wird aus Gleichung (8) erhalten.
Für das spiralförmige Rohrmodul wurde die maximale volumetrische Strömungsrate für Salzlösungen und Silica-Suspensionen experimentell mit D_max-salt _solution = 13,1 bzw. D_max _{silica
suspensions = 11,6 bestimmt.}
Mehrere hohle Fasern wurden in jedem Modul installiert, um die Unterschiede jeder einzelnen Faser auszumitteln. Die hohlen Faser-Membranen hatten einen Innendurchmesser von 0,270 mm und einen Außendurchmesser von 0,620 mm. Das Trägermaterial wurde aus Polyethersulfon hergestellt, die Beschichtung bestand aus grenflächenmäßig polymerisiertem Polyamid. Siehe S. McCray (24. Okt. 1989), US-Patent 4 876 009, "Tetrakis-amido high flux membranes". Sie wurden spezifisch für die Nanofiltration mit einem Temperaturbereich von 0–60°C und einem pH-Bereich von 3–9 hergestellt. Der durchschnittliche Berstdruck betrug 320 kPa.
Um ähnliche Bedingungen der Temperatur, der Feed-Lösung etc. während des Prüfens der beiden Modulen zu gewährleisten, wurde ein experimentelles System entwickelt, um sowohl das spiralförmige Rohrmodul 30 als auch als Bezug das lineare Rohrmodul 10 gleichzeitig zu betreiben. Das experimentelle System wird bei 50 in 6 dargestellt. Es bestand aus einem 19,5 1 Nalgen-Tank 52, einer Diaphragmapumpe 54 (Wanner Hydracell, NY, Mod#M 03), die durch einen Elektromotor mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wurde (Baldor, NY, Mod#CDP 3330) und durch einen Controller (SECO, NY, Mod#160SRC) geregelt wurde, und den beiden Membranmodulen.
Ein Reservoir mit großem Volumen in der Form eines Tanks 52 wurde verwendet, um die Pulsation des Fluids innerhalb der experimentellen Vorrichtung zu verringern und Temperaturerhöhungen aufgrund der Pumpe und der Mischvorrichtung in dem System zu vermeiden. Die verbleibende Pulsation wurde durch eine Pulsations-Dämpfungseinrichtung 56 (Cat Pump, Mod#6029) gedämpft und in der Abflussleitung der Pumpe 54 so nahe wie möglich an den Membranmodulen installiert. Die Dämpfungseinrichtung wurde mit 133 kPa (195 psi), dem 0,5-fachen des maximalen Einlassdrucks der Module, vorgeladen. Aus diesem Grund begann sie effizient bei 136 kPa (200 psi) zu arbeiten. Die Pumpe und die Dämpfungseinrichtung wurden über einen biegsamen Metallschlauch 58 (0,5'' Swagelok, Länge 900 mm, 316SS) verbunden. Die Pumpe war imstande, einen Druck von bis zu 680 kPa (1000 psi) zu erzeugen. Der während des Verlaufs des Experiments erzeugte Druck war mit bis zu 270 kPa viel geringer als dieser. Da die Mindestströmungsrate der Pumpe mit 104 ml/min höher war, als für unser Experiment erforderlich, und weil die Pumpe bei niedrigen Strömungsraten sehr grob lief, wurde eine Umgehungsleitung 60 mit einem Nadelventil 62 (Swagelok, NY, Mod#SS-3NRS4) installiert und die Pumpe hauptsächlich bei 800 ml/min (d.h. 40% auf dem Controller-Maßstab) betrieben. Die Temperatur des Feed wurde durch ein Temperaturmessgerät 64 (Thermoelement) an der Leitung 66 direkt nach dem Pulsations-Dämpfungseinrichtung gemessen.
Nach der Umgehungsleitung wurde die Feed-Strömung in zwei parallele Leitungen 67, 68 mit dem gleichen Querschnitt, eine für jedes Modul, aufgeteilt. Es war ebenfalls möglich, die Module getrennt durch Schließen der am Anfang jeder Leitung installierten Kugelventile 69 und 70 (Swagelok, NY, Mod#SS-4254) zu betreiben. Der Einlassdruck der Module, der Transmembrandruck und der Druckabfall über den Modulen wurde mit Druckmessgeräten 72 (McMaster Carr, Mod#4088k999, Monel-Körper, Glyzerinfüllung) gemessen. Sie waren an dem Einlass und dem Auslass jedes Moduls lokalisiert. Die Feed-Strömungsrate durch die Module und der Auslassdruck wurden durch ein Regelventil (Rückschlagventil) 73, 74 (Swagelok, Mod#SS-MS4-VH) stromabwärts von jedem Modul gesteuert. Die Permeat-Ströme liefen durch Strömungsmesser 75, 76 (Gilmont, Mod#GF1200), um das Konzentrat zu bestimmen, und die Permeat-Ströme wurden vor dem Eintreten in den Tank 52 gut gemischt. Es war außerdem einfacher, die Feed-Strömungsraten zu erhalten, ohne das Konzentrat zu den Permeat-Strömungsraten hinzufügen zu müssen. Die Feed-Strömungsraten wurden mit zwei Strömungsmessern 77, 78 (Gilmont, Mod#GF2360) vor den Strömen des Systems gemessen, wobei die Kosten für die Strömungsmesser bedeutend verringert wurden. Um Proben der Permeat- und Konzentratströme jedes Moduls zu nehmen, wurde eine Probenleitung 80, 82 zu jedem Strom hinzugefügt und mit einem Ventil 84, 85 geschlossen. Alle Verbindungen und Fittings stromaufwärts der resultierenden Ventile wurden aus 1/2'' und 1/4'' 316 rostfreiem Stahlrohr und rostfreien Stahl-Fittings (Swagelok) hergestellt. Stromabwärts von den Regelventilen 73, 74 wurden 3/16'' Kunststoffrohr und Kunststoff-Fittings verwendet. Um die Feed-Lösung in dem Reservoir homogen zu halten, wurde eine Mischvorrichtung 90 installiert und während der Experimente ungefähr alle 5 Minuten für eine Dauer von 3 Minuten betrieben.
Um das Potential von Dean-Wirbeln beim Verhindern von Konzentrationspolarisation und Membran-Fouling zu untersuchen, wurden das spiralförmige Rohrmodul und das lineare Rohrmodul gleichzeitig mit unterschiedlichen Salzlösungen und Salz enthaltenen Silica-Suspensionen geprüft.
Die Flüssigkeitserfordenisse für alle Experimente bestanden aus ultrareinem Wasser. Dieses Wasser wurde durch Leiten von Leitungswasser durch ein Kohlenstoff-Filter, eine RO-Einheit (Filmtech, Minneapolis, MN, Model#FT30), einen Ionentauscher und einen UV-Sterilisator erzeugt. Der spezifische Widerstand des ultrareinen Wassers wurde kontinuierlich durch einen Leitfähigkeitsmesser geprüft und betrug immer zwischen 18 und 19 MΩ/cm. Obwohl der spezifische Widerstand lediglich ein Indikator für anorganische Verunreinigungen ist, wurden die anorganische Verunreinigungen aufgrund des Kohlenstoff-Filters, der RO-Einheit und des UV-Sterilisators als sehr niedrig angesehen.
Für die Salzlösungen wurde Magnesiumsulfat (MgSO₄) verwendet; die Silica-Suspensionen wurden mit 20 μm Silica-Teilchen (Degussa, Deutschland, Sipernat 22) erstellt.
Vier unterschiedliche Suspensionen wurden geprüft: 0, 20, 40 und 80 ppm Silica (mit 1–4 gekennzeichnet). Jede der Suspensionen wurde in Kombination mit unterschiedlichen Salzlösungen (genannt Feed-Types) geprüft: (1) mit 1000 ppm, 1500 ppm und 2000 ppm MgSO₄; (2) und (3) mit 1000 ppm und 2000 ppm MgSO₄; und (4) mit 1000 ppm MgSO₄. Der osmotische Druck für unterschiedliche molare MgSO₄-Lösungen wird nachstehend angegeben.
Für jeden Feed-Typ wurde mindestens vier unterschiedliche Strömungsraten, jede von ihnen bei vier unterschiedlichen Einlassdrücken, geprüft. Die Strömungsraten waren: 50, 80, 110, 130, 150 und 170 ml/min. Die Einlassdrücke wurde aus 167 kPa (245 psi), 190 kPa (280 psi), 211 kPa (310 psi) 231 kPa (340 psi) und 252 kPa (370 psi) gewählt. Die niedrigen Einlassdrücke konnten für die hohen Strömungsraten (130 ml/min und höher) nicht erhalten werden, da der durch das spiralförmige Rohrmodul eingeführte Druckabfall größer als der Einlassdruck in diesen Fällen war. Ein Auslassdruckablesewert von mindestens 10 kPa (15 psi) war erforderlich, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
Vor dem Starten der Experimente wurde das Reservoir mit 0–15 l ultrareinem Wasser gefüllt. Die Gewichte von MgSO₄ und Silica wurden mit einer Feinwaage von Satorius (Deutschland, Model#K#4030) gemessen. Während des Mischens der Feed-Lösung wurde das Salz zuerst und dann die Silica-Teilchen hinzugefügt. Die Lösung wurde gründlich für 10 Minuten gemischt. Nach dem Starten der Pumpe wurde die erste Kombination aus Einlassdruck und Feed-Strömungsrate eingestellt. Es wurden etwa 80 Minuten benötigt, um einen stationären Zustand für die erste Druck/Strömungskombination zu erreichen, da die Membranmodule ursprünglich mit ultrareinem Wasser gefüllt waren. Die Ablesewerte für die folgenden Kombinationen aus Druck/Strömung konnten nach 30 Minuten mit weniger als 5% Diskrepanz von dem stationären Zustand genommen werden.
Um einen gewünschten Einlassdruck und eine gewünschte Strömungsrate aufzubauen, wurde das Umgehungsventil geschlossen, bis der Einlassdruck den gewünschten Wert erreichte. Dann wurden die Feed-Strömungsraten mit den Regelwerten eingestellt. Aufgrund von Änderungen in dem Einlassdruck, der durch Drehen der Regelventile eingeführt wurde, waren mehrere Einstellungen notwendig, die zwischen dem Umgehungsventil und den Regelventilen alternierten, um einen stationären Druck und stationäre Strömungsraten aufzubauen.
Sobald eine neue Kombination von Einlassdruck und Feed-Strömungsraten installiert war, wurden Ablesewerte der Druckmessgeräte und Strömungsmesser alle 3 bis 5 Minuten genommen. Proben der Permeat-Ströme wurden alle 5 bis 10 Minuten genommen, und ihre Leitfähigkeit wurde gemessen (Leitfähigkeitsmesser, Cole Parmer). Proben von den Konzentratströmen wurden alle 10 bis 15 Minuten genommen, und ihre Leitfähigkeit wurde ebenfalls gemessen. Danach wurden die Proben zurück in den Tank gespült. Die Leitfähigkeit der Feed-Lösung wurde ebenfalls regelmäßig geprüft.
Die Druckmesser wurden durch den Hersteller mit einer Genauigkeit von ± 0,15 kalibriert. Die Kalibrierung der Strömungsmesser wurde mit einer Stoppuhr und gewogenen Reagenzgläsern geprüft. Die Genauigkeit betrug ± 1% für die Permeat-Strömungsmesser und ± 2% für die Feed-Strömungsmesser. Der Leitfähigkeitsmesser wurde mit zwei Standard-Prüflösungen von 718 μS und 2070 μS geprüft, die von Cole Parmer bereitgestellt wurden.
Nach jedem Tag von Experimenten wurden das System und die Membran mit ultrareinem Wasser für 30 Minuten gespült, um Salzmoleküle, Silica und andere Teilchen aus den Membranen zu spülen. Als nächstes wurde eine 0,05% Zitronensäurelösung durch das System für 30 Minuten gespült, um metallische Ionen von den Membranen zu lösen. Dann wurde ein Reinigungsschritt von 30 min mit Natronlauge (NaOH-Lösung) bei einem pH von 10,5 durchgeführt. Der erhöhte pH führte zu einer erhöhten Löslichkeit von Silica-Teilchen. Schließlich wurde das System mit ultrareinem Wasser für 4 bis 6 Stunden gespült. Nach Experimenten mit Silica-Suspensionen musste der dritte und vierte Schritt für 4 bis 10 mal wiederholt werden, um koagulierte Silica-Teilchen von der Membran zu entfernen. Die Wasser-Permeabilitäten der Membran wurde nach jedem Schritt geprüft. Einmal pro Woche wurden die Membranmodule, die Rohre und Fittings auseinandergebaut und mit druckbeaufschlagtem ultrareinen Wasser gespült.
Während des Durchführens von Experimenten mit Silica-Suspensionen lagerten sich Silica-Teilchen in dem Kunststoffrohr stromabwärts von den Regelventilen ab. Das Problem wurde durch Austauschen des 3/8''-Rohrs mit einem 3/16''-Rohrs und daher durch Erhöhen der mittleren Geschwindigkeit in den Rohren um einen Faktor von etwa dem Vierfachen gelöst.
Der osmotische Druck von Magnesiumlösungen wurde durch die folgende Näherung für eine schwache Lösung berechnet:
wobei R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, M_A das Molargewicht des Lösungsmittels, V_A das molale Partialvolumen des Lösungsmittels, v die Anzahl von Molen von Ionen, die von einem Mol von Elektrolyt gebildet wurden, Φ der molale osmotische Koeffizient und m die Molalität des gelösten Stoffes ist.
Sowohl lineare als auch spiralförmige hohle Fasermodule wurden auf Wasser-Permeabilität geprüft. Die Permeabilität für beide Module wurde bestimmt, und war 0,09 l/(m²-hr-kPa) ohne Rücksicht auf das Dean-Verhältnis.
Der axiale Druckabfall in beiden Modulen wurden als eine Funktion des Dean-Verhältnisses gemessen. Die Ergebnisse sind in 7 aufgetragen. Die Hagen-Poiseuille-Gleichung gilt für das lineare Modul, und folglich wird eine gerade Linie erhalten. Wenn die Navier-Stokes-Gleichungen, die auf helixförmige Strömung erweitert wurden, betrachtet werden, ist ersichtlich, dass der axiale Druckabfall eine komplexe Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist. Mindestens ein Glied in der Gleichung für den axialen Druckabfall enthält das Produkt aus zwei Geschwindigkeitskomponenten. Die Dean-Wirbel sind ebenfalls ein Zentrifugaleffekt, und die Zentrifugalkraft ist proportional zu dem Quadrat der Geschwindigkeit. Basierend auf diesen Überlegungen werden die axialen Druckabfalldaten für das spiralförmige Modul mit einer quadratischen Gleichung angepasst. Die ausgezeichnete Anpassung legt nahe, dass dieser Ansatz ziemlich zutreffend ist. Diese Ergebnisse sind jenen ähnlich, die zuvor für einen gekrümmten Schlitzkanal erhalten wurden.
Leistungseigenschaften beider Module wurden für die Nanofiltration von MgSO₄-Salzlösungen gemessen. Es sollte erwähnt werden, dass sich die Erfindung auf Salzlösungen bezieht, die zusätzlich feste Teilchen enthalten. Daher entsprechen die nachstehend beschriebenen Tests, die sich auf Salzlösungen beziehen, die keine Silica-Teilchen enthalten, nicht dem beanspruchten Verfahren. Bei niedriger Konzentration (1000 ppm MgSO₄) wurden mehrere Effekte beobachtet: (i) es gab eine bedeutende Verbesserung in der Leistung mit Dean-Wirbeln; (ii) die Flussverbesserung nahm mit zunehmender treibenden Kraft für eine gegebene Dean-Zahl zu; und (iii), obwohl es bei dieser Konzentration nicht deutlich sichtbar war, nahm die Flussverbesserung mit zunehmender Dean-Zahl zu.
Nanofiltrations-Ergebnisse mit 1500 ppm MgSO₄-Lösungen zeigten die gleichen Wirkungen. Die Zunahme bei der Flussverbesserung mit zunehmender Dean-Zahl war offensichtlicher. Die Wirkung war noch ausgeprägter, wenn die Konzentration auf 2000 ppm zunahm. Es war ebenfalls ersichtlich, dass die Nettoverbesserung im Fluss mit zunehmender Konzentration zunahm, obwohl die absoluten Flüsse abnahmen.
Bei niedrigen Solut-Konzentrationen erwartete man, dass die Flussverbesserung aufgrund der Dean-Wirbel klein ist. Dies basierte auf den Ergebnissen des Wasserflusses. Bei sehr hohen Konzentrationen wurde die Wirksamkeit von Dean-Wirbeln aufgrund von Massenviskositätseffekten verringert. Eine maximale Flussverbesserung wird bei einer Zwischenkonzentration auftreten.
Proben-Solut-Flusskurven werden in 8 und 9 gezeigt. Der höhere Solut-Fluss für das spiralförmige Modul bedeutet eine niedrigere Rejektion. Mindestens zwei konkurrierende Effekte tragen dazu bei: (i) ein niedrigerer Solut-Fluss aufgrund von Wirbel-Depolarisation der Konzentration der Grenzschicht, und (ii) ein höherer Solut-Fluss aufgrund erhöhtem Permeations-Fluss. Beim Vergleichen von 8 und 9 ist ersichtlich, dass ein Erhöhen der Dean-Zahl und Solut-Konzentration die Wirksamkeit der Wirbel-Depolarisation beim Verringern des Solut-Flusses erhöhte. Mit anderen Worten werden bei höheren Konzentrationen und Querströmungsraten die Solut-Rejektionen mit der Anwesenheit von Wirbeln verbessert.
Der wesentliche Punkt für einen echten Leistungsvergleich der beiden Modulen ist die Flussverbesserung mit Bezug auf Energieverbrauch oder axialen Druckverlust. Die Reynolds-Zahlen (oder das äquivalente Dean-Zahl-Verhältnis für den Zweck des Vergleichs), bei denen die Flussergebnisse beider Module verglichen seien sollten, können von 7 erhalten werden. Beispielsweise sollte der Fluss, der ohne Wirbel bei einem äquivalenten Dean-Verhältnis von 10 erhalten wurde, mit Fluss mit Wirbeln bei einem Dean-Verhältnis von 5,7 verglichen werden. Der Fluss bei einem Dean-Verhältnis von 10 bei einer treibenden Kraft von 1900 kPa verglichen mit dem Fluss bei einem Dean-Verhältnis von 3,84 (anstatt von 5,7) bei der gleichen treibenden Kraft gibt einen konservativen Schätzwert der Flussverbesserung, die erreicht werden kann (etwa 35%). Dies zeigt deutlich, dass für die gleiche Energiezufuhr die Leistung mit Dean-Wirbeln derjenigen des linearen Moduls überlegen ist. Die Wirkung ist viel beeindruckender, wenn die Konzentration des Solut erhöht wird. Eine Verbesserung von etwa 55% kann erhalten werden. Die graphischen Darstellungen von 12 und 13 zeigen die vorteilhaften Ergebnisse der Erfindung. Die folgende Tabelle tabelliert diese Ergebnisse, um die Vorteile der Erfindung zusätzlich zu zeigen.
14 zeigt Membranrohre, die bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu verwenden sind, mit Spulen, die gewickelt sind, um sich sowohl in axialer als auch radialer Richtung sehr in der Art zu erstrecken, wie eine Schnur auf einen Spulenkern gewickelt wird.
15 zeigt ein Membranrohr, das bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu verwenden ist, mit Spulen, die gewickelt sind, um sich nur in radialer Richtung zu erstrecken, wobei jede Spule über die vorhergehende Spule in der radialen Richtung gewickelt wird.
Die folgenden Schlussfolgerungen wurden basierend auf diesen Ergebnissen gemacht:

(i) Die erfinderische Ausgestaltung und der Aufbau eines spiralförmigen rohrförmigen Nanofiltrations-Elements ist beim Erzeugen von Dean-Wirbeln wirksam, die die Membran depolarisieren und reinigen.
(ii) Die Anwesenheit von Dean-Wirbeln verbessert verglichen mit einer Querströmung ohne Dean-Wirbeln die Leistung von Membranen wesentlich.
(iii) Die Verbesserung in der Leistung nahm mit zunehmender treibender Kraft und mit zunehmender Solut-Konzentration (MgSO₄-Konzentration) (für niedrige Konzentrationen) zu.
(iv) Die Solut-Rejektion nahm für das spiralförmige Modul mit zunehmender Dean-Zahl und Solut-Konzentration zu.
(v) Für den gleichen Energieverbrauch ist die Leistung des spiralförmigen Moduls um 35 bis 55% gegenüber der des linearen Moduls für relativ niedrige Salzkonzentrationen besser. Dies ist eine entscheidende Vorraussetzung für erfolgreichen Betrieb in einer spiralförmigen Vorrichtung mit Dean-Wirbeln.

Claims

Verfahren zum Defouling einer inneren Oberfläche einer hohlen gekrümmten, röhrenförmigen Membran und Depolarisieren einer Suspension und eines gelösten Soluts von der Oberfläche während eines druckgetriebenen Filtrationsprozesses, mit den folgenden Schritten: Bewegen einer fluiden Lösung, die ein gelöstes Solut und feste Teilchen enthält, durch die gekrümmte röhrenförmige Membran (34), wobei die Membran eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wodurch ein Teil der fluiden Lösung gefiltert wird, indem sie von der inneren Oberfläche durch die äußere Oberfläche der Membran läuft, wobei die fluide Lösung durch die gekrümmte röhrenförmige Membran mit einer Rate geleitet wird, die ausreicht, um Dean-Wirbel in der fluiden Lösung zu erzeugen, die sich über die innere Oberfläche der röhrenförmigen Membran bewegen und mindestens teilweise die innere Oberfläche der Membran defoulen, d.h. Ablagerungen davon entfernen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die gekrümmte röhrenförmige Membran (34) Spulen umfasst, die sich in Axialrichtung erstrecken.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem es einen geringen oder keinen Abstand zwischen benachbarten Spulen gibt, wenn sie sich in Axialrichtung erstrecken.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die gekrümmte röhrenförmige Membran (34) Spulen umfasst, die gewickelt sind, um sich sowohl in Axial- als auch Radialrichtung zu erstrecken.
Verfahren gemäß Anspruch 1, mit dem Erzeugen von Dean-Wirbeln mit einer ausreichend hohen Dean-Zahl zum Reinigen der Membran und Depolarisieren einer Konzentrationspolarisation der Membran ohne übermäßigem Druckabfall der gewickelten gekrümmten, röhrenförmigen Membran und Maximieren eines Verhältnisses zwischen der ausreichend hohen Dean-Zahl und einer kritischen Dean-Zahl, wobei die kritische Dean-Zahl eine Funktion der Fluidströmungsrate, des Innendurchmessers des Rohres und der Membrandicke und eines Radius einer Wicklung der gewickelten gekrümmten röhrenförmigen Membran ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die fluide Lösung an der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Membran mit einer Geschwindigkeit vorbei geleitet wird, die größer als eine kritische Geschwindigkeit ist, die durch die Gleichung
bestimmt wird, wobei Re_c die kritische Reynold-Zahl für die fluide Lösung, μ die Viskosität der fluiden Lösung, d der Innendurchmesser der gekrümmten röhrenförmigen Membran und ρ die Dichte der fluiden Lösung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die fluide Lösung ein Kolloid umfasst.
Vorrichtung (30) zum Ausführen einer druckgetriebenen Filtration einer fluiden Lösung, die ein gelöstes Solut und feste Teilchen enthält, mit: a) einer äußeren Hülle (40) mit einem Feed-Einlass (42), einem Feed-Auslass (42) und einem Permeat-Auslass (44); und b) einer oder mehreren gekrümmten hohlen, röhreförmigen Membranen (34), die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche innerhalb der äußeren Hülle (40) aufweisen, wobei die röhrenförmigen Membranen (34) mit dem Feed-Einlass (42) und dem Feed-Auslass (42) verbunden sind, um die Strömung der fluiden Lösung von dem Feed-Einlass (42) zu dem Feed-Auslass (42) durch die röhrenförmigen Membranen (34) über die innere Oberfläche und die Bildung von Dean-Wirbeln in der fluiden Lösung zu ermöglichen, wobei ein Teil der fluiden Lösung von der inneren Oberfläche zu der äußeren Oberfläche der röhrenförmigen Membranen laufen kann, wobei die äußere Oberfläche in Kommunikation mit dem Permeat-Auslass (44) ist; und c) einem Mittel zum Bewegen der fluiden Lösung mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, so dass beim Gebrauch Dean-Wirbel in der fluiden Lösung erzeugt werden, die sich über die innere Oberfläche der Membranen bewegen und die innere Oberfläche defoulen, d.h. Ablagerungen davon entfernen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die gekrümmten röhrenförmigen Membranen (34) Spulen umfassen, die sich in Axialrichtung erstrecken, oder Spulen, die gewickelt sind, um sich in Radialrichtung zu erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der sich die gekrümmten röhrenförmigen Membranen (34) entlang der gleichen Achse erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die gekrümmten röhrenförmigen Membranen (34) im Wesentlichen keinen Abstand zwischen benachbarten Spulen aufweisen, wenn sich die Spulen in Axialrichtung erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die gekrümmten röhrenförmigen Membranen (34) Spulen umfassen, die gewickelt sind, um sich sowohl in Axial- als auch Radialrichtung zu erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die röhrenförmigen Membranen (34) parallel mit dem Feed-Einlass und dem Feed-Auslass verbunden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die röhrenförmigen Membranen (34) für die Umkehrosmose, Nanofiltration, Ultrafiltration oder Mikrofiltration geeignet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, mit einem Mittel zum Bewegen der fluiden Lösung an der inneren Oberfläche der Membran vorbei mit einer Rate über einer kritischen Geschwindigkeit gemäß der Gleichung
wobei Re_c die kritische Reynold-Zahl für die fluide Lösung, μ die Viskosität der fluiden Lösung, d der Innendurchmesser der gekrümmten röhrenförmigen Membran und ρ die Dichte der fluiden Lösung ist.