EP2158024A1 - Systeme de purification de liquide par membrane a moyenne pression - Google Patents

Systeme de purification de liquide par membrane a moyenne pression

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EP2158024A1
EP2158024A1 EP08763260A EP08763260A EP2158024A1 EP 2158024 A1 EP2158024 A1 EP 2158024A1 EP 08763260 A EP08763260 A EP 08763260A EP 08763260 A EP08763260 A EP 08763260A EP 2158024 A1 EP2158024 A1 EP 2158024A1
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liquid
branch
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chamber
supply
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EP08763260A
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Jean-François TREYVAUD
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SWISS FRESH WATER SA
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SWISS FRESH WATER SA
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    • B01D—SEPARATION
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
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    • B01D—SEPARATION
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the present invention relates to the field of the purification of a liquid by passage through membranes.
  • the present invention relates to the field of desalination of water, in particular for example seawater.
  • Reverse osmosis is one of the processes used, especially for desalination of seawater. This process is extensively described in the literature (for example in the Degrémont Water Survey).
  • Reverse osmosis is a system for purifying water by passing it through a semi-permeable membrane which preferentially retains the dissolved compounds while allowing water to pass under the effect of the pressure applied.
  • the disadvantages of reverse osmosis are: the lifetime of the membranes (usually about 3 to 5 years) water losses: indeed, the concentrate that contains all the salts that have not crossed the membrane or membranes contains too much salt and represents a loss; the energy consumed by the pressurizing pump: the applied pressure must be greater than the osmotic pressure.
  • the osmotic pressure is about 29 bar and the pressure usually applied to cause a flow of reverse osmosis is usually of the order of 50 to 60 bars;
  • US Pat. No. 6,187,200 describes a device using reverse osmosis to desalt seawater.
  • the water to be desalinated is injected under pressure (by a pump) into a first stage of which outputs a first diluted stream and a first concentrated stream.
  • This first concentrated stream is injected under pressure (by a pump) into a second stage which in turn exits a second diluted stream and a second concentrated stream.
  • the second flow diluted and mixed with the first diluted stream and the second concentrated stream is used in an energy recovery system.
  • An object of the invention is to improve the methods and devices known for the purification of water or other liquids by reverse osmosis.
  • one of the objects of the invention is to propose a liquid purification system and method that optimizes energy consumption, even without resorting to a mechanical recovery device.
  • Another object of the invention is to provide a system and a method that are simple to implement and inexpensive.
  • the system according to the invention uses reverse osmosis and a flow distribution in a particular way to purify water at a lower pressure than that usually used, which has the effect of reducing the energy consumption and allowing a more rudimentary construction that optimizes the costs of building the system.
  • the use of the system according to the invention is particularly ideal for the desalination of seawater.
  • One of the principles of the invention is to carry out the purification in several stages, the first stage being dedicated to a predilution of the flow of raw water.
  • the predilution is carried out by feeding the semi-permeable membrane not only on the concentrate side (side A), but also on the permeate side (side B) with a liquid of the same concentration or a concentration close to to separate.
  • the concentration of compounds to be separated is then similar on both sides of the membrane.
  • the osmotic pressure is greatly reduced and the pressure to be applied to cause a flow of water through the membrane is greatly reduced.
  • the liquid thus obtained on the permeate side (side B) is a mixture between a highly charged portion of solute that comes from the feed and the liquid with very little solute that has passed through the membrane.
  • the resulting average concentration is highly diluted relative to the raw water supply and can be easily processed at medium pressure in a conventional reverse osmosis system.
  • the system according to the invention also functions with liquids of different concentration
  • the system according to the invention can be mounted in combination (in series and / or in parallel) with each other and / or with other conventional reverse osmosis stages.
  • the overall energy consumption of a system comprising a predilution stage implementing the principle of the invention is significantly reduced.
  • a mechanical energy recovery system is an additional possibility to optimize energy consumption.
  • Figure 1 shows a first embodiment
  • Figure 2 shows a second embodiment.
  • Figure 3 shows a third embodiment.
  • Figure 4 shows a fourth embodiment.
  • a liquid for example salt water with a concentration of 36 g / l
  • a separation element 3 which uses the principle of reverse osmosis.
  • the liquid is separated into two flows, one of the flows arriving directly in the separating element (B side) and the other flow being pressurized, for example by a pump 4 or other equivalent means, before entering the separating element on the other side of the membrane (side A).
  • a pump 4 or other equivalent means for example by a pump 4 or other equivalent means
  • the pump 3 is placed upstream of the separation of the fluid flows and a pressure reducer 7 is then added to the feed on the B side in order to obtain a pressure difference in the separating element 2 according to the principle of reverse osmosis.
  • a pressure reducer 7 is then added to the feed on the B side in order to obtain a pressure difference in the separating element 2 according to the principle of reverse osmosis.
  • FIG. 4 a two-stage embodiment of the device according to the invention is shown.
  • this mode (on the left of the figure) there is represented as a first stage a processing device corresponding to that of FIG. 1 (with the same references) and the description made above of this mode applies in a corresponding.
  • This first stage which is used as a predilution stage, is followed downstream of a second dilute liquid treatment stage, comprising a pressurizing means 4 '(for example a pump), a separation element 3' (with the chambers A 'and B') providing on the one hand a concentrated liquid 5 'and on the other a diluted liquid 6'.
  • a pressurizing means 4 ' for example a pump
  • a separation element 3' with the chambers A 'and B'
  • the first stage used in the mode of FIG. 4 can be that of FIG. 1, or 2 or 3 in an equivalent manner and FIG. 4 only serves to illustrate an embodiment possibility.
  • Other possibilities may include a cascade of several successive elements.
  • the invention can be used for other applications than desalination of water and for liquids other than water.

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Abstract

Le système de purification par osmose inverse comprend au moins une alimentation en liquide (1 ) fournissant un liquide à traiter simultanément dans deux chambres (A1B) d'un élément de séparation (3), lesdites chambres étant séparées par une membrane semi perméable, le liquide étant amené dans l'une des chambres à une pression supérieure à celle du liquide dans l'autre chambre, ledit élément de séparation (3) fournissant en sortie un liquide concentré (5) et un liquide dilué (6).

Description

Système de purification de liquide par membrane à moyenne pression-
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine de la purification d'un liquide par passage au travers de membranes.
En particulier, la présente invention concerne le domaine du dessalement de l'eau, notamment par exemple de l'eau de mer.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique de nombreux systèmes de purification de l'eau.
L'osmose inverse est l'un des procédés utilisés, en particulier pour le dessalement de l'eau de mer. Ce processus est abondamment décrit dans la littérature (par exemple dans le Mémento de l'eau Degrémont).
L'osmose inverse est un système de purification d'eau par passage sous pression au travers d'une membrane semi-perméable qui retient préférentiel lement les composés dissous tout en laissant traverser l'eau sous l'effet de la pression appliquée.
Si l'on considère de l'eau comportant des solutés, particulièrement du sel et si l'on met deux solutions de concentrations différentes de chaque côté d'une membrane filtre, l'eau franchit celle-ci jusqu'à ce que les concentrations s'équilibrent : c'est le phénomène de l'osmose. En exerçant une pression hydrostatique en sens opposé, on contre la pression osmotique et on force l'eau à franchir la membrane dans le sens inverse, ce qui permet d'obtenir d'un côté de l'eau dont les solutés sont plus dilués (donc une eau plus pure), appelé perméat, et de l'autre côté une eau plus concentrée appelé concentrât.
Les inconvénients de l'osmose inverse sont : la durée de vie des membranes (usuellement environ 3 à 5 ans ) les pertes en eau : en effet, le concentrât qui contient tous les sels qui n'ont pas traversé la ou les membranes contient trop de sel et représente une perte ; l'énergie consommée par la pompe de mise en pression : la pression appliquée doit être supérieure à la pression osmotique. Par exemple, dans le cas de l'eau de mer contenant environ 36 g/l de sel, la pression osmotique est d'environ 29 bars et la pression appliquée usuellement pour provoquer un flux d'osmose inverse est habituellement de l'ordre de 50 à 60 bars ;
II existe des dispositifs techniques qui permettent d'optimiser la consommation d'énergie. Il est notamment possible d'utiliser des systèmes mécaniques de récupération d'énergie, comme par exemple des turbines Pelton, qui permettent de récupérer l'énergie contenue dans le concentrât pour mettre en pression l'eau brute. Ces systèmes sont couramment mis en œuvre dans des installations de taille industrielle, mais sont difficiles à mettre en œuvre dans des installations de petite taille.
Il est également possible d'optimiser la consommation d'énergie et les pertes en eau en assemblant plusieurs étages d'osmose inverse, combinés en série ou en parallèle.
A titre d'exemple, le brevet US 6,187,200 décrit un dispositif utilisant l'osmose inverse pour dessaler l'eau de mer. Dans le système illustré, l'eau à dessaler est injectée sous pression (par une pompe) dans un premier étage duquel sort un premier flux dilué et un premier flux concentré. Ce premier flux concentré est injecté sous pression (par une pompe) dans un deuxième étage duquel sort à son tour un deuxième flux dilué et un deuxième flux concentré. Le deuxième flux dilué et mélangé au premier flux dilué et le deuxième flux concentré est utilisé dans un système de récupération d'énergie.
Principe général
Un but de l'invention est d'améliorer les procédés et dispositifs connus pour la purification d'eau on d'autres liquides par osmose inverse.
Plus particulièrement, un des buts de l'invention est de proposer un système et un procédé de purification de liquide qui optimise la consommation d'énergie, même sans avoir recours à un dispositif mécanique de récupération.
Un autre but de l'invention est de proposer un système et un procédé qui soient simples à mettre en œuvre et peu coûteux.
Le système selon l'invention utilise l'osmose inverse et une répartition des flux de manière particulière pour purifier de l'eau à une pression plus basse que celle utilisée usuellement, ce qui a pour effet de réduire la consommation d'énergie et de permettre une construction plus rudimentaire qui optimise les coûts de construction du système. L'utilisation du système selon l'invention est notamment idéale pour le dessalement d'eau de mer.
Description détaillée
L'un des principes de l'invention est de réaliser la purification en plusieurs étages, le premier étage étant dédié à une prédilution du flux d'eau brute.
Dans ce premier étage, la prédilution est réalisée en alimentant la membrane semi-perméable non seulement du côté concentrât (côté A) , mais également du côté perméat (côté B) avec un liquide de même concentration ou d'une concentration proche en composés à séparer. La concentration en composés à séparer est alors similaire de part et d'autre de la membrane. Par rapport à tous les systèmes traditionnels qui ne réalisent pas d'alimentation du côté perméat, la pression osmotique est ainsi grandement réduite et la pression à appliquer pour provoquer un flux d'eau au travers de la membrane est ainsi grandement réduite.
Le liquide ainsi obtenu du côté perméat (coté B ) est un mélange entre une partie fortement chargée en soluté qui provient de l'alimentation et le liquide très peu chargé en soluté qui a traversé la membrane. La concentration moyenne résultante est fortement diluée par rapport à l'alimentation en eau brute et peut être facilement traitée à moyenne pression dans un système d'osmose inverse traditionnel.
Le système selon l'invention fonctionne également avec des liquides de concentration différente,
Le système selon l'invention peut être monté en combinaison ( en série et/ou en parallèle) entre eux et/ou avec d'autres étages d'osmose inverse traditionnels.
La consommation d'énergie globale d'un système comportant un étage de prédilution mettant en œuvre le principe de l'invention est réduite de manière significative.
Un système de récupération mécanique d'énergie est une possibilité additionnelle pour optimiser la consommation d'énergie.
Les figures annexées représentent différentes configurations possibles du système, à titre d'exemples non-limitatifs.
La figure 1 montre un premier mode d'exécution.
La figure 2 montre un deuxième mode d'exécution. La figure 3 montre un troisième mode d'exécution.
La figure 4 montre un quatrième mode d'exécution.
Dans le premier mode (figure 1 ), un liquide, par exemple de l'eau salée avec une concentration de 36 gr/l, est contenu dans un réservoir 1. Depuis ce réservoir, le liquide est amené par une alimentation 2, 2' dans un élément de séparation 3 qui utilise le principe de l'osmose inverse. Avant d'arriver dans cet élément 3, le liquide est séparé en deux flux, l'un des flux arrivant directement dans l'élément de séparation (côté B) et l'autre flux étant mis sous pression, par exemple par une pompe 4 ou un autre moyen équivalent, avant d'entrer dans l'élément de séparation de l'autre côté de la membrane (côté A). Ainsi, dans cet élément, on trouve des deux côtés du filtre d'osmose inverse le même liquide, mais d'un coté (A) le liquide est sous une pression plus élevée par rapport à l'autre côté (B). Grâce au principe de l'osmose inverse, à la sortie de l'élément de séparation 3 on obtient d'une part un liquide concentré 5 et d'autre part un liquide dilué 6.
Dans le deuxième mode (figure 2), on utilise deux sources de liquide dans deux réservoirs 1 et 1 '. Ceci permet, entre autres, l'emploi de liquides avec des concentrations différentes. Comme précédemment, l'un des liquides est mis sous pression par rapport à l'autre, par exemple au moyen d'une pompe 4. Les autres éléments similaires à ceux décrits en référence à la figure 1 sont référencés de manière identique et la description donnée ci-dessus s'applique de façon équivalente. Bien entendu, d'autres moyens équivalents peuvent être utilisés pour effectuer cette mise sous pression. En outre, on pourrait aussi utiliser deux pompes (une pour chaque liquide), fournissant du liquide à des pressions différentes dans l'élément de séparation 3 selon le principe de l'invention. Dans le troisième mode (figure 3), on place la pompe 3 en amont de la séparation des flux de fluide et on rajoute alors un réducteur de pression 7 sur l'alimentation du coté B afin d'obtenir une différence de pression dans l'élément de séparation 2 selon le principe de l'osmose inverse. Les autres éléments similaires aux modes d'exécution des figures 1 et 2 sont référencés de manière identique.
Dans le quatrième mode (figure 4), on montre un mode d'exécution à deux étages du dispositif selon l'invention. Dans ce mode, (sur la gauche de la figure) on a représenté comme premier étage un dispositif de traitement correspondant à celui de la figure 1 (avec les mêmes références) et la description faite ci- dessus de ce mode s'applique de façon correspondante. Ce premier étage, qui est utilisé comme étage de prédilution, est suivi en aval d'un deuxième étage de traitement du liquide dilué, comprenant un moyen de mise en pression 4' (par exemple une pompe), un élément de séparation 3' (avec les chambres A' et B') fournissant en sortie d'une part un liquide concentré 5' et d'autre part un liquide dilué 6'.
Comme on le comprend, le premier étage utilisé dans le mode de la figure 4 peut être celui de la figure 1 , ou 2 ou 3 de façon équivalente et la figure 4 ne sert qu'à illustrer une possibilité de réalisation. D'autres possibilités peuvent comprendre une cascade de plusieurs éléments successifs.
Bien entendu, les exemples indiqués sont donnés à titre indicatif, non-limitatif, et des variations sont possibles dans la mise en œuvre de l'étage de prédilution. On peut également utiliser le système selon l'invention en série et / ou en parallèle en employant plusieurs étages.
De même, l'invention peut être utilisée pour d'autres applications que le dessalement de l'eau et pour d'autres liquides que l'eau.

Claims

Revendications
1. Système de purification par osmose inverse comprenant au moins une alimentation en liquide (1 ) fournissant un liquide à traiter simultanément dans deux chambres (A1B) d'un élément de séparation (3), lesdites chambres étant séparées par une membrane semi perméable , le liquide étant amené dans l'une des chambres à une pression supérieure à celle du liquide dans l'autre chambre, ledit élément de séparation (3) fournissant en sortie un liquide concentré (5) et un liquide dilué (6).
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel l'alimentation en liquide comprend une alimentation en deux branches (2,2'), dont l'une au moins est mise sous pression par un moyen de mise en pression (4) et l'autre comprend un bypass (2') dudit moyen, chaque branche alimentant une chambre (A1B) dudit élément de séparation (2).
3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'alimentation en liquide comprend une alimentation en deux branches indépendantes (2,2'), dont l'une au moins est mise sous pression par un moyen de mise en pression (4), chaque branche alimentant une chambre (A1B) dudit élément de séparation (2) et chaque branche étant reliée à un réservoir (1 , 1 ').
4. Système selon l'une des revendication 1 ou 2, dans lequel l'alimentation comprend une première branche (2) mise sous pression par un moyen de mise en pression (4) pour l'alimentation de la première chambre (A) et une deuxième branche (2') issue de ladite première branche en aval dudit moyen de mise en pression (4), ladite deuxième branche comprenant un réducteur de pression (7) pour l'alimentation de la deuxième chambre (B) à une pression réduite par rapport à celle de la première chambre (A).
5. Système comprenant comme étage de prédilution un système selon l'une des revendications précédentes et comprenant de plus au moins un deuxième étage (3') de séparation à membrane semi perméable dans lequel le liquide dilué (6) est amené, afin d'être séparé d'un côté en un liquide purifié (6') et de l'autre un liquide concentré (5').
6. Dispositif de traitement de liquides, par exemple de l'eau, comprenant plusieurs systèmes selon l'une des revendications 1 à 5.
7. Procédé de traitement utilisant au moins un système selon l'une des revendications 1 à 5 ou un dispositif selon la revendication 6.
8. Procédé de traitement de liquide chargé en composés dissous comprenant les étapes suivantes:
-) on amène le liquide à traiter dans deux chambres d'un élément de séparation, lesdites chambres étant séparées par une membrane semi- perméable et ledit liquide étant sous pression dans l'une desdites chambres de façon à réaliser un effet d'osmose inverse,
-) on récupère en sortie du l'élément de séparation un liquide concentré et un liquide dilué.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on effectue plusieurs étapes successives d'osmose inverse.
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