ES2317697T3 - Sistema y procedimiento de limpieza por flujo inverso para un elemento de membrana enrollado en espiral. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de limpieza por flujo inverso para un elemento de membrana enrollado en espiral que comprende: un tanque (2'') de alimentación que contiene una solución de alimentación; un tubo de recogida de permeato colocado en el tanque de alimentación, en el que el tubo de recogida de permeato incluye un elemento (15'') de membrana enrollado en espiral que tiene una lámina portadora (72) de permeato, una lámina separadora (70) de alimentación, y una lámina (71) de capas de filtro de membrana con un sustrato de apoyo y una película de membrana superpuesta sobre el sustrato de apoyo; un borboteador (51) que tiene burbujas actuando como promotoras de la turbulencia en la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana para reducir el grosor de la capa límite en la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana, y que crea un flujo convectivo de solución de alimentación desde la parte inferior hasta la parte superior del elemento (15''), y de nuevo hacia la parte inferior; una fuente de fluido presurizado (49) de limpieza por flujo inverso utilizado para forzar al permeato y al fluido de limpieza por flujo inverso hacia el elemento (15''); y un sistema (52) de vacío con vacío para crear la presión motriz para forzar a la solución de alimentación dentro del elemento (15''), creando con ello un permeato.
Description
Sistema y procedimiento de limpieza por flujo
inverso para un elemento de membrana enrollado en espiral.
Se reconoce, en lo general, que el ensuciamiento
de la membrana es el problema más destacado en las separaciones
modernas por membrana. Puede encontrarse una presentación completa,
específicamente asociada con la ultrafiltración en "Fifteen Years
of Ultrafiltration", de Micheals, A. S., en Ultrafiltration
Membranes and Applications, editado por A.R. Cooper (American
Chemical Society Symposium, Washington, 9-14 de
septiembre de 1979, Plenum Press, New York (1980); ISBN
0-306-40548-2),
donde se afirma que "los problemas de rendimiento y capacidad
reducidos, el aumento de consumo de energía, la puesta en peligro de
la capacidad de separación, y la vida útil reducida de servicio
asociados con el ensuciamiento por macropartículas, sustancias
disueltas y coloides en membranas de ultrafiltración han resistido
tenazmente una solución adecuada a pesar de diez años de experiencia
de ingeniería en situaciones piloto e industriales a gran
escala".
Según Micheals, la limpieza por flujo inverso
del permeato en módulos de membrana de fibra hueca contribuye de
manera significativa a la desobturación de los poros de la membrana
y al desprendimiento de los depósitos adheridos. Sin embargo, hay
solo dos ejemplos específicos de la limpieza por flujo inverso del
permeato descritos en ese texto y estos tienen que ver con el
permeato de agua de grifo y de pinturas de electrodeposición
emulsionadas en
agua.
agua.
Como se presenta en las páginas 109 a 227 del
texto anterior, la limpieza por flujo inverso de fibras huecas con
permeato se usa donde las presiones operativas transmembrana son
solo de aproximadamente una atmósfera, para que las partículas no
se enclaven firmemente en los poros de la membrana durante el
proceso de permeato. Como se ha indicado antes, se ha usado la
limpieza por flujo inverso del permeato donde las especies que
provocan el ensuciamiento están en gotitas de emulsión de pintura
líquida, ya que estas especies no se atascan en los poros de las
membranas, como hacen los sólidos. Dado que el flujo transmembrana
es a menudo entre solo cinco y veinte litros por metro cuadrado por
hora (L/m^{2} hr), la velocidad fluida correspondiente es de solo
algunos milímetros por hora, y, por lo tanto, no hay posibilidad
alguna de una acción de limpieza de alta velocidad.
La limpieza por flujo inverso del permeato es,
en esencia, un proceso de reciclado y, por ello, sólo se justifica
un sacrificio de la tasa de producción cuando el efecto de la
limpieza es significativo. Algunos residuos pegajosos naturales
(como los residuos de la elaboración de cerveza, el almidón y el
huevo) no se eliminan en ningún grado apreciable por medio de la
limpieza por flujo inverso. Según Micheals, la limpieza por flujo
inverso del permeato es, por definición, un flujo puramente
hidráulico a través de poros totalmente humedecidos de la membrana
de ultrafiltración.
En la patente U.S. nº 4.767.539, Ford describe
un procedimiento mejorado de filtros de fibras huecas de limpieza
por flujo inverso que usa un medio gaseoso de limpieza por flujo
inverso. La invención de Ford usa el gas de limpieza de flujo
inverso a una presión de aproximadamente 500 kilopascales para
hinchar la fibra desde el interior y salir con fuerza en torno a
las aberturas elásticas. Esta limpieza por flujo inverso mediante
gas resultó en una mejor eliminación de suciedades de la superficie
de la membrana que con la limpieza por flujo inverso estándar del
permeato. La penetración del gas en los poros de la membrana se
encuentra con la resistencia de las fuerzas de la tensión
superficial del líquido contenido que humedece las paredes. De
hecho, la tensión superficial es medida convenientemente mediante
la presión de ruptura necesaria para sacar una burbuja de un
orificio sumergido. Para los sistemas comunes (como el aceite en
poros hidrófobos o el agua en poros hidrófilos), la presión de
ruptura requerida oscila entre diez kilopascales y mil kilopascales.
Las presiones de ruptura son mucho más elevadas que las presiones
habituales de operación del filtro.
En la patente U.S. nº 5.248.424, Cote describe
una disposición de de membranas sin marco de fibras huecas y un
procedimiento para mantener una superficie de fibras limpia mientras
se filtra un sustrato y se retira el permeato. Se usa un gas de
depuración para apartar las fibras que flotan libremente y así se
minimiza o elimina el aumento de suciedades y de organismos
biológicos en la superficie de la membrana.
Históricamente, las soluciones de difícil
suministro con elevada concentración de sólidos orgánicos y
suspendidos se han tratado con diseños de elementos capilares (0,3
- 1,0 mm diámetro) o tubulares. Aunque estos diseños son efectivos,
tienen un número de limitaciones. Notoriamente, los materiales de
construcción deben elegirse no solo por la permeabilidad y el
rechazo de características necesario para realizar las separaciones,
sino también por la resistencia mecánica para soportar las
presiones de alimentación requeridas para la operatoria, incluida
la limpieza por flujo inverso. Las construcciones tubulares y con
fibras huecas también tienen densidades de condensación
relativamente bajas de la superficie de membrana activa, y, por
ende, el costo por unidad de superficie es elevado.
Todos los dispositivos anteriormente mencionados
se fabrican con una configuración de fibra hueca. Aunque este
diseño tiene muchas ventajas, no es tan versátil ni rentable como
los diseños de membrana enrollada en espiral. Los elementos de
permeato de membrana enrollada en espiral con membranas de
microfiltrado (MF), ultrafiltrado (UF), nanofiltrado (NF) y ósmosis
inversa (RO) se usan para tratar el agua potable o de proceso con un
contenido relativamente bajo en sólidos y suciedades orgánicos.
De forma creciente, se están tratando más y más
soluciones de alimentación difícil con elementos enrollados en
espiral. Los elementos enrollados en espiral tienen varias ventajas
con respecto a los elementos tubulares y de fibra hueca. Las
membranas se moldean en un sustrato de apoyo tejido o no tejido que
da resistencia estructural y permite una fácil formación de la
membrana. Los sustratos de género de apoyo permiten que las
membranas se formen como elementos compuestos, proporcionando la
membrana base una superficie de apoyo resistente y libre de
defectos que puede ser recubierta con una capa aislante delgada que
dicta las propiedades de transporte. Además, la configuración
enrollada en espiral tiene una elevada densidad de condensación,
tiene un coste de producción bajo, puede aumentarse de escala a
sistemas grandes, y la sustitución es fácil y barata. En la mayoría
de las aplicaciones comerciales actuales que usan UF, NF y RO en las
que los elementos en espiral puede funcionar de manera efectiva, se
han convertido en el diseño preferente debido a los beneficios
mencionados anteriormente.
Sin embargo, la mayoría de los elementos
enrollados en espiral no pueden limpiarse por flujo inverso debido
a la deficiencia de las sales adhesivas y a la deslaminación de la
película de membrana del sustrato del género de apoyo. En un
estudio reciente de la documentación sobre garantías de fabricantes
de la gran mayoría de filtros de elementos enrollados en espiral
todos contienen fraseología contundente e inequívoca que reafirma
que toda contrapresión dañaría los elementos y que ello sería causa
concluyente para la anulación de la garantía del elemento de
membrana. Se necesita un diseño de elementos enrollados en espiral
que permita que se de una limpieza efectiva por flujo inverso.
El documento
JP-A-11104469 describe un
dispositivo de filtrado constituido por un elemento de membrana
enrollado en espiral. Se enrolla de forma espiral una pluralidad de
membranas planas para proporcionar un intervalo definido de
membrada para evitar la colmatación de la vía de circulación.
El documento
JP-A-10230144 describe un elemento
de membrana en espiral configurado como dispositivo de filtrado
terminal. El elemento de membrana puede ser limpiado por flujo
inverso para eliminar partículas de las membranas de filtrado.
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La presente invención permite un sistema de
limpieza por flujo inverso para un elemento de membrana enrollado
en espiral con las características de la reivindicación 1 y un
procedimiento de limpieza por flujo inverso de un elemento de
membrana enrollado en espiral con las características de la
reivindicación 7.
Un elemento de filtrado de membrana enrollado en
espiral capaz de ser limpiado por flujo inverso tiene
preferiblemente una lámina portadora de permeato y una lámina de
capas de filtro de membrana que está unida de forma adhesiva a una
lámina portadora de permeato. La lámina de capas de filtro de
membrana está normalmente plegada por la mitad, sobre una lámina
separadora de alimentación. Una cara de película de membrana activa
de la lámina de capas de filtro de membrana da a ambas caras de la
lámina separadora de alimentación. La lámina separadora de
alimentación, las láminas de capas de filtro de membrana y la lámina
portadora de permeato están enrolladas alrededor de un tubo de
recogida de permeato.
La lámina de capas de filtro de membrana, por
ejemplo, tiene un sustrato de apoyo con un índice Frazier de
permeabilidad al aire entre 5,07 y 50,7 1/(m^{2}\cdots) (1 y 10
cfm/ft^{2}). La lámina de capas de filtro de membrana puede ser
homogénea o asimétrica. Para una lámina de capas de filtro de
membrana homogénea, una película polimérica puede estar encajada en
torno a un sustrato de apoyo o ser una película polimérica
autoportante. En una lámina de capas de filtro de membrana
asimétrica, la película polimérica se moldea encima de un sustrato
de apoyo, y se une adecuadamente al mismo para eliminar la
deslaminación durante un ciclo de limpieza por flujo inverso.
La lámina de género portadora de permeato actúa
como un conducto que permite que la parte de la solución de
alimentación que impregna la lámina de capas de filtro de membrana
que salga del elemento a través del tubo de recogida de permeato
que está en el centro del elemento. Cada lámina de capas de filtro
de membrana está unida a la lámina de género portadora de permeato
en los tres lados no adyacentes al tubo de recogida de permeato con
un adhesivo capaz de retener la hermeticidad durante una limpieza
por flujo inverso del elemento.
Un procedimiento de hacer un elemento de
filtrado de membrana enrollada en espiral susceptible de ser
limpiado por flujo inverso comprende, por ejemplo, formar una
lámina de capas de filtro de membrana, cortar la lámina de capas de
filtro de membrana a una longitud deseada, colocar un trozo cortado
de una lámina separadora de alimentación encima de la lámina de
capas de filtro de membrana, siendo la anchura de la lámina
separadora de alimentación aproximadamente la mitad del ancho de la
lámina de capas de filtro de membrana; plegar la lámina de capas de
filtro de membrana sobre el separador de alimentación para que la
lámina separadora de alimentación esté encajonada entre dos capas
de la lámina de capas de filtro de membrana; unir una parte lateral
central de la lámina portadora de permeato al tubo de recogida de
permeato; aplicar una sustancia obturadora adhesiva en la lámina
portadora de permeato en lados que no sean la parte lateral central;
colocar el conjunto encajonado de la lámina de capas de filtro de
membrana y la lámina separadora de alimentación sobre la lámina
portadora de permeato de tal modo que la junta adhesiva una la
lámina de capas de filtro de membrana a la lámina portadora de
permeato; y envolver la lámina portadora de permeato, la lámina de
capas de filtro de membrana y la lámina separadora de alimentación
en torno al tubo de recogida de permeato.
Un procedimiento de crear una lámina de capas de
filtro de membrana, por ejemplo, comprende poner una solución de
moldeo de un cierto grosor en un sustrato de apoyo que va pasando;
controlar el grosor de la solución de moldeo en el sustrato de
apoyo mediante el uso de un dispositivo mecánico para distribuir la
solución de moldeo; y sumergir el sustrato con la solución de
moldeo en un baño de enfriamiento brusco para permitir la
eliminación de la solución de moldeo después de un tiempo de
enfriamiento al aire que permite la formación de una capa delgada
sobre el sustrato de apoyo.
La Fig. 1 muestra un sistema de limpieza por
flujo inverso de elemento enrollado en espiral no conforme a la
invención que emplea un tubo de presión de un solo elemento montado
en posición vertical;
la Fig. 2 muestra una vista en corte de filtros
múltiples en un tubo de presión de elementos;
la Fig. 3 muestra la relación del flujo de
permeato con respecto a la secuencia operativa temporal para un
sistema de elemento limpiado por flujo inverso conforme a una
realización de la invención;
la Fig. 4 muestra una vista en perspectiva de
cómo se colocan una lámina de capas de filtro de membrana, una
lámina de género portadora de permeato y una lámina separadora de
alimentación en torno a un tubo de recogida de permeato;
la Fig. 5 muestra una vista lateral de un
sistema de proceso en el que la película de membrana se moldea sobre
un sustrato de apoyo; y
la Fig. 6 muestra una realización del sistema de
limpieza por flujo inverso que usa un elemento sumergido
verticalmente en un tanque, aplicándose un vacío como fuerza motriz
para eliminar el permeato.
Un ejemplo de sistema de limpieza por flujo
inverso de elemento en espiral se muestra en la Fig. 1, en la que
el ejemplo no es una realización de la invención. Un sistema 1 de
limpieza por flujo inverso de elemento en espiral tiene un tanque 2
de alimentación, una bomba 6 de alimentación, un tubo 7 de presión
de elementos y un tanque 20 de gas comprimido. El tubo 7 de presión
de elementos se monta preferiblemente en posición vertical. El
tanque 2 de alimentación contiene una solución 100 de alimentación.
En aplicaciones prácticas el tanque 2 de alimentación puede
sustituirse con una tubería procedente de una corriente de proceso.
En este ejemplo, se muestra un mezclador 3 eléctrico que se usa
para mantener el tanque de alimentación bien mezclado. El mezclador
3 se puede requerir o no para aplicaciones comerciales, dependiendo
de la solución de alimentación. La solución 100 de alimentación se
retira del tanque 2 por medio de una tubería 4 de bomba de succión
que alimenta la bomba 6. La bomba 6 de alimentación bombea la
solución 100 de alimentación mediante el tubo 7 de presión de
elementos por medio a una tubería 13 de alimentación.
Acto seguido, la solución 100 de alimentación
entra en el tubo 7 de presión de elementos, en el que una porción
de la solución 100 de alimentación impregna un elemento 15 de filtro
de membrana, porción que luego sale del tubo 7 de presión a un
tanque de retención o a una corriente 25 de proceso por medio de una
tubería 16 de permeato. La porción de la solución 100 de
alimentación que impregna el elemento 15 es el permeato 101. La
porción de la solución 100 de alimentación que no atraviesa el
elemento 15 de filtro de membrana es un concentrado (o solución de
salmuera) 102. El concentrado 102 que sale del tubo 7 de presión es
dirigido a un tanque de retención o por medio de la tubería 26 de
concentrado de vuelta al tanque 2 de alimentación para que se vuelva
a reciclar a través del filtro 15.
Preferiblemente, la tubería 4 de succión de la
bomba contiene una válvula 5 de cierre que puede usarse para aislar
la bomba 6 con fines de mantenimiento. Durante la operatoria normal,
la solución presurizada de alimentación procedente de la bomba 6 de
alimentación se bombea al tubo 7 de presión de elementos por medio
de una válvula 14 derivadora de la alimentación. El caudal a la
tubería 7 de presión puede controlarse con una válvula 8 de
alimentación y una válvula 9 de concentrado. Se usa un indicador 12
de presión de alimentación en la tubería 13 de alimentación para
medir la presión de alimentación procedente de la bomba 6.
El concentrado 102 se elimina de la parte
superior del tubo 7 de presión de elementos. Por la tubería 26 de
concentrado, pasa el concentrado 102 por una válvula 19 derivadora
del concentrado, una válvula 9 de concentrado y un medidor 10 de
flujo del concentrado. El medidor 10 de flujo del concentrado se
utiliza para medir el flujo de concentrado desde el tubo 7 de
presión a través de la tubería 26 de concentrado.
Se puede eliminar el permeato 101 de la parte
superior o inferior del tubo 7 de presión. En la tubería 16 de
permeato, el permeato 101 pasa a través de un acumulador 17 de
permeato, una válvula derivadora 18 de permeato y un medidor 11 de
flujo del permeato. Se utiliza el medidor 11 de flujo del permeato
para medir el flujo de permeato desde el tubo 7 de presión a través
de la tubería 16 de permeato.
Durante un ciclo de limpieza por flujo inverso,
se libera gas desde un tanque 20 de gas comprimido como un fluido
de limpieza por flujo inverso mediante tanto una tubería 21 como una
tubería 16 de permeato para entrar en el tubo 7 de presión. Al
salir del tanque 20 de gas, el gas pasa a través de un regulador 22
de gas, la tubería 21, a través de la válvula derivadora 18 de
permeato, la tubería 16 de permeato, el acumulador 17 de permeato,
dentro del tubo 7 de presión, y finalmente en un conducto 23 de
descarga del concentrado. La presión sobre el gas de limpieza por
flujo inverso en este ejemplo necesita ser superior a la presión de
alimentación sobre el elemento 15 aproximadamente 69 a 207 kPa, que
en este ejemplo está controlada por un regulador 22 de gas. El
rango de presión de limpieza por flujo inverso va desde 34,5 hasta
690 kPa. Preferiblemente, el rango es de entre 138 y 414 kPa.
Opcionalmente, durante el ciclo de limpieza por
flujo inverso, el permeato 101 (u otro fluido de limpieza por flujo
inverso como un fluido comprimido, nitrógeno comprimido, aire
comprimido y/o una solución de limpieza) puede ser redirigido
mediante una válvula derivadora 14 de alimentación y una válvula
derivadora 19 de concentrado dentro de la parte superior del tubo 7
de presión, que sale por la parte inferior del mismo y entra en el
conducto 23 de descarga del concentrado. El conducto 23 de descarga
del concentrado podría estar dirigido hasta el interior de un
tanque de contención de desechos o hasta un desagüe 24. Cada lámina
71 de capas de filtro de membrana está ligada a la lámina 72 de
género portadora de permeato con un adhesivo capaz de retener la
junta durante la limpieza por flujo inverso del elemento. La junta
entre la lámina de capas de filtro de membrana y la lámina de
género portadora de permeato está hecha en los tres lados que no son
adyacentes al tubo 73 de recogida de permeato, de forma que una
parte del lado central de la lámina portadora 72 de permeato se
corresponde con el tubo 73 de recogida de permeato. Luego se
enrollan las capas alrededor del tubo 73 de recogida de permeato
para formar el elemento enrollado en espiral.
Cuando las tres capas están enrolladas, cada
lámina 72 de género portadora de permeato está encajonada entre la
parte trasera de la lámina 71 de capas de filtro de membrana para
formar una envoltura para el agua filtrada. La lámina separadora de
alimentación puede tener un grosor en el rango de 0,05 cm a 0,25 cm,
pero preferiblemente tiene un grosor de 0,1 a 0,15 cm. La lámina
separadora de alimentación está encajonada por la lámina 71 de
capas de filtro de membrana dando la cara activa 75 de la película
de membrana a ambos lados de la lámina 70 separadora de
alimentación. La junta adhesiva que se coloca alrededor de la lámina
72 de género portadora de permeato permite que el agua filtrada
fluya dentro del tubo 73 de recogida de permeato a la vez que
previene que la solución de alimentación entre en la lámina de
género portadora 72 de permeato sin filtrarse antes a la cara
activa 75 de la película de membrana de la lámina 71 de capas de
filtro de membrana. La lámina separadora de alimentación está
sujetada en su lugar mediante la fricción. Las capas están
enrolladas de manera tan ajustada alrededor del tubo de recogida
que no se puede mover la lámina separadora de alimentación.
Para limpiar por flujo inverso el elemento, se
empuja el permeato que se ha recogido en el acumulador 17 de
permeato y/o el gas del tanque 20 hacia atrás a través del tubo 73
de recogida de permeato y dentro de las capas de filtro del
elemento 15. Se fuerza el fluido de limpieza por flujo inverso en la
lámina 72 de género portadora de permeato. Entonces el fluido de
limpieza por flujo inverso se mueve de nuevo a través de la cara 75
de la película de membrana de la lámina 71 de capas de filtro de
membrana para desplazar cualquier partícula pegada. Entonces el
fluido se desplaza a través de la lámina separadora 70 de
alimentación y sale por la parte inferior del tubo 7 de
presión.
La presión motriz para estas operaciones, que
está presente normalmente como una solución 100 de alimentación
presurizada pero también podría ser aplicada como un vacío en la
corriente 101 de permeato, debe superar la caída de presión a
través de la lámina separadora 70 de alimentación, y además, una vez
una porción de la solución 100 de alimentación se filtra en la
lámina de capas de filtro de membrana, también se debe superar la
caída de presión a través de la lámina 72 de género portadora de
permeato. El elemento 15 mostrado en la Fig. 4 es la configuración
más simple del elemento. Para crear elementos con mayores
capacidades, se deben utilizar múltiples hojas para minimizar la
caída de presión de la solución 101 de permeato a través de la
lámina 72 de género portadora de permeato.
Además de la deslaminación de la película 75 de
membrana del sustrato 76 de apoyo, otra área donde fallarían los
elementos enrollados en espiral de la técnica anterior cuando
estuviesen expuestos a presiones de limpieza de flujo inverso, es
en la junta adhesiva de la membrana. Este problema se da
especialmente cuando se intenta unir la lámina de género portadora
de permeato a las láminas mojadas de capas de filtro de membrana,
porque es difícil para la mayoría de adhesivos de poliuretano
penetrar en un sustrato saturado sin que el grupo funcional de
isocianato reaccione con el agua. Es importante observar que la
presión de alimentación está en realidad comprimiendo la junta
adhesiva en un funcionamiento normal y, por lo tanto, no hay
normalmente un requerimiento para que la junta adhesiva tenga una
buena resistencia al pelado, solo que no permita que cualquier
solución de alimentación se desvíe hacia el tubo de recogida de
permeato.
Para obviar el problema de falta de adhesión
durante la operación de limpieza por flujo inverso de los filtros
del elemento enrollado en espiral, E. V. Roberts de Culver City,
California, ha fabricado un adhesivo, número de modelo 1752. El
adhesivo se formuló a medida para nuestras especificaciones de
rendimiento. El adhesivo es tal que, durante el ciclo de limpieza
por flujo inverso en el que las juntas están tensionadas más que
comprimidas, las láminas 71 de capas de filtro de membrana
permanecen selladas con la lámina 72 de género portadora de
permeato. Este adhesivo proporciona una resistencia superior a la
penetración y al pelado, incluso cuando la lámina 71 de capas de
filtro de membrana se encuentra en una condición mojada, de forma
que se evita la deslaminación bajo las condiciones de limpieza por
flujo inverso.
Las características del adhesivo incluyen ser un
adhesivo de poliuretano de dos partes, ser tixotrópico, tener una
alta viscosidad, tener una buena penetración en el sustrato de
apoyo, no ser demasiado sensible a la humedad (por cuanto puede ser
aplicado a láminas mojadas de capas de filtro de membrana y aún
retener sus propiedades de unión), y ser lo suficientemente grueso
como para recubrir la lámina de género portadora de permeato de
forma que no se dejen huecos. Las especificaciones del adhesivo
varían dependiendo de si la lámina de capas de filtro acabada está
seca o mojada. Por ejemplo, los uretanos son muy reactivos con el
agua. La reacción con los uretanos formará un gas, dejando huecos,
por lo tanto, en la línea de adhesivo. Utilizando distintos grupos
de isocianato para láminas de capas de membrana mojadas no se
formará este gas.
Normalmente, el adhesivo preferido de
poliuretano de dos partes incluye un componente "A" y un
componente "B" que están envasados en recipientes diferentes.
Cuando se mezclan juntos los componentes en las relaciones
adecuadas, estas "dos partes" reaccionan entre sí formando un
adhesivo reticulado que se convierte en gel en aproximadamente una
hora y obtiene una resistencia de trabajo en aproximadamente 6 a 8
horas. En un ejemplo modélico, el adhesivo se mezcla en una
relación de 100 partes por peso de "A" por 173 partes por peso
de "B". La vida útil a 25EC es de aproximadamente 30 a 35
minutos. La viscosidad mezclada del adhesivo a 25EC es de
aproximadamente 50000 mPas. Preferiblemente, después de 254 horas de
curado, el adhesivo tiene una dureza Shore A de entre 75 y 85 y una
resistencia a la cizalla del solape en aluminio de aproximadamente
5520 y 8820, preferiblemente al menos 6900 kPa, y un resistencia a
la cizalla del solape en PVC de entre 2205 y 3450, preferiblemente
al menos 2760 kPa. Estas propiedades garantizan que el adhesivo
mantiene la unión durante la limpieza por flujo inverso.
El procedimiento de fabricación del elemento de
membrana enrollado en espiral susceptible de ser limpiado por flujo
inverso comprende los pasos de formar la lámina de capas de filtro
de membrana, cortar la lámina de capas de filtro de membrana a la
longitud deseada y colocar una pieza cortada de la lámina separadora
de alimentación encima de la lámina de capas de filtro de membrana
y a un lado de la misma. La anchura de la lámina separadora de
alimentación es aproximadamente la mitad de la anchura de la lámina
de capas de filtro de membrana. La lámina de capas de filtro de
membrana está doblada encima de la separadora de alimentación de
forma que la lámina separadora de alimentación está encajonada entre
dos capas de la lámina de capas de filtro de membrana. Entonces se
fija la lámina de género portadora de permeato al tubo de recogida
de permeato por medio de una cinta de doble cara u otro medio
adecuado, y se aplica una junta adhesiva en el género portador de
permeato en el extremo más lejano desde el tubo de recogida de
permeato y en dos lados del mismo. Entonces se coloca el
encajonamiento de lámina de capas de filtro de
membrana-lámina separadora de alimentación encima
de la lámina de género portadora de permeato de forma que la junta
adhesiva une la lámina de capas de filtro de membrana con la lámina
de género portadora de permeato. Entonces se enrollan las capas
alrededor del tubo de recogida de permeato para formar el elemento
15 de filtración de membrana enrollada en espiral.
Hay diversas maneras de crear la lámina de capas
de filtro de membrana que tiene película 75 de membrana y sustrato
76 de apoyo. Véase la Fig. 5. Los polímeros que se utilizan para
crear la película de membrana pueden estar disueltos en disolventes
o aplicados como películas homogéneas fundidas. El procedimiento más
común para fabricar la lámina de capas de filtro de membrana
conlleva recubrir un polímero disuelto en un disolvente adecuado,
como la dimetilformamida, el 1,4 dioxano, la acetona, o la
n-metil pirrolidona, sobre un sustrato de apoyo.
Las láminas de capas de filtro de membrana que pueden soportar
ciclos repetidos de limpieza por flujo inverso deben estar creadas
ya sea para diseños homogéneos o asimétricos. Si se moldea la
película de membrana donde está encerrado el sustrato de apoyo en
la matriz (homogénea) del polímero, se crea una lámina de capas de
filtro de membrana con una resistencia excelente a la limpieza por
flujo inverso. En el ejemplo, la película de membrana está moldeada
encima del sustrato de apoyo para formar una lámina asimétrica de
capas de filtro de membrana. Para la lámina asimétrica, se debe
crear una unión suficiente entre la película de membrana y el
sustrato de apoyo. La Fig. 5 ilustra el sistema de proceso en el que
la película de membrana está moldeada en el sustrato de apoyo como
en la lámina, homogénea o asimétrica, de capas de filtro de
membrana. La lámina homogénea de capas de filtro de membrana tiene
una mayor resistencia que la lámina asimétrica porque el sustrato
de apoyo está encerrado en la matriz del polímero, en vez de estar
el polímero moldeado encima del sustrato. Sin embargo, los procesos
en los que se utilizan láminas homogéneas de capas de filtro de
membrana son limitados. Por ejemplo, las láminas homogéneas de
capas de filtro de membrana funcionan de forma óptima con procesos
de microfiltración y de ultrafiltración.
Se forma una membrana homogénea al recubrir una
solución de moldeo polimérica sobre un sustrato de apoyo, a través
de la cual la porosidad del apoyo y la penetración de la solución de
moldeo permite que la solución de moldeo penetre completamente el
género de apoyo, encapsulando por lo tanto el género de apoyo dentro
del polímero de la membrana. Luego se permite que la película de
membrana recubierta forme una capa durante una cantidad de tiempo,
antes de enfriar bruscamente la película en un baño de fluido,
preferiblemente agua. El disolvente inicial en la parte exterior de
la lámina se elimina rápidamente al insertarse en el baño. Dejar la
lámina en el baño de enfriamiento brusco durante un tiempo permite
que el resto del disolvente, que no se ha difuminado de la
membrana, sea eliminado de la lámina de capas de membrana. Debido a
la química de la solución de moldeo, y a la formación de la capa de
la membrana, la membrana acabada tiene una capa de superficie con
pequeños y uniformes poros. Esta estructura es homogénea en toda la
estructura de la membrana, creando así una mayor resistencia al
flujo de fluido y requiriendo una mayor caída de presión que la de
una membrana asimétrica correspondiente. Al examinar esta lámina de
capas de membrana con un microscopio electrónico de barrido (SEM),
se puede ver que el tamaño del poro en la superficie de la membrana
es pequeño y uniforme, y esta estructura es bastante uniforme en
toda la sección transversal de la membrana. Esta simetría, u
homogeneidad, es de donde estas membranas derivan su nombre de
membranas homogéneas. La porosidad del sustrato de apoyo es de
entre 0,51 y 15,3/(m^{2}\cdots), preferiblemente de entre 2,55 y
5,1, con un grosor de entre 0,0025 y 0,0125 cm, preferiblemente de
entre 0,005 y 0,01 cm, y un peso de entre 0,24 y
1,2 kg/m^{2}, preferiblemente de entre 0,48 y 0,96 kg/m^{2}. La química y las propiedades físicas de la solución de moldeo también son importantes. La viscosidad de la solución de moldeo es de entre 50 y 300 mPas, preferiblemente de entre 100 y 200 mPas, y está controlada controlando el peso molecular del polímero, el porcentaje del polímero disuelto en el disolvente (entre 7% y 18%, dependiendo del polímero utilizado) y la temperatura de la solución de moldeo (entre 0ºC y 70ºC, preferiblemente de entre 15ºC y 40ºC). Para permitir que haya una penetración completa de la solución de moldeo en el género de apoyo, se aplica la solución de moldeo a una tasa de entre 0,015 y 0,15 m/s, preferiblemente entre 0,015 y 0,04 m/s, y con un tiempo de enfriamiento al aire de entre 5 y 60 segundos, preferiblemente de entre 20 y 30 segundos. La ventaja de las membranas homogéneas es que son muy resistentes a la limpieza por flujo inverso debido a su diseño encapsulado. Son más difíciles de fabricar, debido al hecho de que se tiene que diseñar un mecanismo de apoyo externo dentro de la máquina de moldeo (Fig. 5) para soportar el sustrato de apoyo penetrado y para transportar la membrana al tanque de enfriamiento. Esto se puede llevar a cabo girando un calderín de moldeo 83 o soportando la membrana en un transportador continuo y poroso. Esto se requiere porque la solución de moldeo penetrante no permitirá que la membrana se coloque sobre un calderín estacionario antes de ser enfriada.
1,2 kg/m^{2}, preferiblemente de entre 0,48 y 0,96 kg/m^{2}. La química y las propiedades físicas de la solución de moldeo también son importantes. La viscosidad de la solución de moldeo es de entre 50 y 300 mPas, preferiblemente de entre 100 y 200 mPas, y está controlada controlando el peso molecular del polímero, el porcentaje del polímero disuelto en el disolvente (entre 7% y 18%, dependiendo del polímero utilizado) y la temperatura de la solución de moldeo (entre 0ºC y 70ºC, preferiblemente de entre 15ºC y 40ºC). Para permitir que haya una penetración completa de la solución de moldeo en el género de apoyo, se aplica la solución de moldeo a una tasa de entre 0,015 y 0,15 m/s, preferiblemente entre 0,015 y 0,04 m/s, y con un tiempo de enfriamiento al aire de entre 5 y 60 segundos, preferiblemente de entre 20 y 30 segundos. La ventaja de las membranas homogéneas es que son muy resistentes a la limpieza por flujo inverso debido a su diseño encapsulado. Son más difíciles de fabricar, debido al hecho de que se tiene que diseñar un mecanismo de apoyo externo dentro de la máquina de moldeo (Fig. 5) para soportar el sustrato de apoyo penetrado y para transportar la membrana al tanque de enfriamiento. Esto se puede llevar a cabo girando un calderín de moldeo 83 o soportando la membrana en un transportador continuo y poroso. Esto se requiere porque la solución de moldeo penetrante no permitirá que la membrana se coloque sobre un calderín estacionario antes de ser enfriada.
Se forma una membrana asimétrica al recubrir una
solución de moldeo polimérica en un sustrato de apoyo, a través de
la cual la porosidad del apoyo y la penetración de la solución de
moldeo permite que la solución de moldeo penetre la superficie del
género de apoyo pero no permite que la solución de moldeo penetre o
se corra a través de la parte trasera del sustrato de apoyo.
Entonces se permite que la película de membrana recubierta forme
una capa durante una cantidad de tiempo, y luego se enfría
bruscamente en un baño de fluido, preferiblemente agua, que permite
que sea eliminado el resto del disolvente de la lámina de capas de
membrana. Debido a la química de la solución de moldeo, y a la
formación de la capa de la membrana, la membrana acabada tiene una
capa de superficie muy densa con poros muy pequeños y uniformes,
mientras que la capa interna que soporta la membrana de la
superficie es mucho más porosa o esponjosa. Debido a la alta
porosidad de la capa interna, hay muy poca resistencia al flujo de
fluido, y solo se crea una mínima cantidad de caída de presión para
el flujo del permeato a través de la membrana, haciendo preferible
el diseño asimétrico por encima del diseño homogéneo. Al examinar
esta lámina de capas de membrana con un microscopio electrónico de
barrido (SEM), se puede ver que el tamaño del poro en la superficie
de la membrana es muy pequeño y uniforme, mientras que la membrana
polimérica bajo esta capa delgada de la superficie tiene poros muy
grandes que asemejan un material esponjoso. Esta falta de simetría,
o asimetría, es de donde estas membranas derivan su nombre de
membranas asimétricas. La porosidad del sustrato de apoyo es de
entre 5,07 y 50,7 1/(m^{2}\cdots), preferiblemente de entre 7,5
y 15 1/(m^{2}\cdots), con un grosor de entre 0,005 y 0,02 cm,
preferiblemente de entre 0,0075 y 0,0125 cm, y un peso de entre
0,24 y 1,2 kg/m^{2}, preferiblemente de entre 0,84 y 1,08
kg/m^{2}. La química y las propiedades físicas de la solución de
moldeo también son importantes. La viscosidad de la solución de
moldeo es de entre 100 y 1000 mPas, preferiblemente de entre 250 y
350 mPas, y está controlada controlando el peso molecular del
polímero, el porcentaje del polímero disuelto en el disolvente
(entre 15% y 25%, dependiendo del polímero utilizado), y la
temperatura de la solución de moldeo (entre 0ºC y 70ºC,
preferiblemente entre 15ºC y 40ºC). Para permitir algo de
penetración de la solución de moldeo en el género de apoyo, pero
que evita el corrimiento a través del mismo, la solución de moldeo
se aplica a una tasa de entre 0,025 y 0,25 m/s, preferiblemente de
entre 0,025 y 0,05 m/s, y con un tiempo de enfriamiento al aire de
entre 5 y 60 segundos, preferiblemente de entre 20 y 30 segundos.
Para las aplicaciones más tradicionales, las membranas asimétricas
se producen para tener poros de superficie muy uniformes y la
adhesión de la membrana al sustrato de apoyo es una inquietud
secundaria. En la presente invención la adhesión se crea a través
de la selección de polímeros, tanto del género como de la membrana,
que crean una buena unión química, y se permite la penetración del
polímero en la matriz de apoyo del género para crear enclavamientos
mecánicos adicionales para ayudar adicionalmente en la prevención de
la deslaminación durante el ciclo de limpieza por flujo
inverso.
Se describirá ahora el proceso mostrado en la
Fig. 5. Se desenrolla un rollo de sustrato 82 y se lo trata con una
solución polimérica 81 de moldeo. El grosor de la película de
membrana se controla a través del uso de un dispositivo mecánico,
ya sea una hoja raspadora o una revestidora de precisión por ranura,
a través del cual se aplica la solución 81 de moldeo de
polímero-disolvente como se muestra en la Fig. 5.
Para efectuar una unión suficiente, es preferible permitir entre 5
y 60 segundos de tiempo de enfriamiento al aire (contacto con el
aire de la solución 81 mientras está en el sustrato de apoyo) antes
de la inmersión en un baño 80 de enfriamiento brusco.
Preferiblemente, el tiempo de enfriamiento al
aire es de entre 20 y 30 segundos. La matriz del sustrato de
apoyo-polímero-disolvente se enfría
primero en aire para permitir la formación de una capa fina, y luego
se enfría bruscamente en un fluido 80 adecuado, preferiblemente
agua, para permitir la eliminación del disolvente en la solución
81, produciendo así una película de membrana permeable. Una vez se
ha eliminado el disolvente de la película de membrana, la película
de membrana puede ser tratada adicionalmente con calor o un aclarado
adicional, secado, o un recubrimiento adicional, para obtener las
propiedades finales de filtración deseadas. En el caso de las
membranas compuestas, también se puede aplicar un recubrimiento
secundario sobre la película de membrana para conseguir membranas
de tipo nanofiltración o de tipo ósmosis inversa.
Preferiblemente, la capacidad de limpieza por
flujo inverso se lleva a cabo utilizando una película de membrana
hecha a partir de polímeros como el polietileno, polipropileno o la
polisulfona. Sin embargo, las películas de membrana que se pueden
emplear incluyen poliamidas, ésteres de polifenileno,
polietersulfona, polisulfonamidas, fluoruro de polivinilideno,
acetato de celulosa, celulosa, poliacrilonitrilo u otros polímeros
formadores de películas.
Preferiblemente, el sustrato 76 de apoyo
comprende un género no tejido. Las características del sustrato de
apoyo varían dependiendo de si la película de membrana está moldeada
encima del sustrato de apoyo o encerrada dentro de la matriz del
polímero. Para láminas homogéneas de capas de filtro de membrana, un
sustrato de apoyo con un grosor de 0,0025 - 0,0125 cm, pero
preferiblemente de 0,005 - 0,01 cm de grosor, tiene un índice
Frazier de permeabilidad al aire de 5,07 y 50,7
1/(m^{2}\cdots), preferiblemente 15 a 30 1/(m^{2}\cdots) y
un peso desde 0,24 a 1,2 kg/m^{2}. Para las láminas asimétricas de
capas de filtro de membrana, un sustrato de apoyo con un grosor de
0,005 - 0,02 cm, pero preferiblemente 0,0075 - 0,0125 cm de grosor,
tiene un índice Frazier de permeabilidad al aire de 5,07 y 50,7
1/(m^{2}\cdots), preferiblemente de 7,5 a 151/(m^{2}\cdots),
y un peso desde 0,24 a 1,2 kg/m^{2}.
Para mejorar aún más la penetración de la
solución de moldeo en el sustrato 76 de apoyo, la solución de moldeo
se aplica a una temperatura elevada en el rango de 0ºC a 70ºC, pero
preferiblemente entre 15ºC y 40ºC. Para una adhesión apropiada de
la película 75 de membrana al sustrato 76 de apoyo, la viscosidad
de la solución de moldeo debe de encontrarse en el rango de 100 a
1000 mPas, pero preferiblemente entre 250-300
mPas.
Se han desarrollado varias condiciones químicas,
mecánicas y de proceso mejoradas para conseguir una buena unión
mecánica y química entre la película 75 de membrana y el sustrato 76
de apoyo. Las altas presiones inversas durante la limpieza por
flujo inverso son esenciales para permitir un flujo inverso
suficiente para permitir y asegurar una efectividad en la limpieza
de la membrana. Una combinación de las condiciones de solución de
moldeo del polímero de la membrana y de las propiedades del sustrato
76 de apoyo resulta en un material compuesto firmemente unido, lo
suficiente como para resistirse a la deslaminación bajo dichas altas
presiones de flujo inverso. Normalmente, las membranas de
ultrafiltración tienen un tiempo de enfriamiento al aire de
1-2 segundos para minimizar el corrimiento a través
de la solución de moldeo a través del sustrato de apoyo. En la
presente invención, el tiempo de enfriamiento al aire es de entre 5
y 60 segundos, pero preferiblemente entre 20 y 30 segundos. Si el
tiempo es demasiado prolongado, habrá corrimiento en la película 75
de membrana. La combinación de un sustrato poroso 76 de apoyo que
no está demasiado calandrado, una solución calentada de moldeo y de
baja viscosidad relativamente, y un mayor tiempo de enfriamiento al
aire, crea una película 75 de membrana de ultrafiltración con una
unión mecánica y química suficiente con el sustrato 76 de apoyo para
permitir miles de ciclos de limpieza por flujo inverso de hasta 690
kPa sin afectar de manera adversa a las propiedades de transporte
de la película de membrana. En la presente invención, la lámina 71
de capas de filtro de membrana es capaz de soportar presiones de
flujo inverso de hasta 690 kPa sin que la película 75 de membrana se
deslamine del sustrato 76 de apoyo, mientras que mantiene la junta
adhesiva, y con ningún otro efecto adverso sobre la lámina 71 de
capas de filtro de membrana o propiedades de rendimiento del
elemento 15.
En la Fig. 6 se muestra una realización de la
presente invención. Un sistema 1' de limpieza de flujo inverso del
elemento en espiral tiene un tanque 2' de alimentación, una bomba 46
de aire, un elemento 15', un sistema 52 de vacío y un tanque 49 de
gas comprimido. El elemento 15' está montado preferiblemente en una
posición vertical. El tanque 2' de alimentación contiene una
solución 100' de alimentación que se mantiene bien mezclada por
medio de un agitador 3' mecánico. La presión motriz para forzar la
solución 100' de alimentación en el elemento 15' es mediante el
sistema 52 de vacío. La bomba 46 de aire se utiliza para promover la
turbulencia en la superficie de las láminas 71 de capas de filtro
de membrana. El tanque 49 utiliza gas comprimido para limpiar por
flujo inverso el elemento 15'.
La bomba 46 comprime el gas, preferiblemente
aire, a través de una tubería 55 de alimentación, una válvula 44 de
control de la presión de alimentación y, finalmente, en el
borboteador 51. Se utiliza un indicador 45 de presión en la tubería
55 para medir la presión procedente de la bomba 46. El borboteador
51 crea una distribución uniforme de burbujas finas 43 que se
dirigen mediante un colector 42 hasta dentro de la parte inferior
del elemento 15 de filtro de membrana. Las burbujas 43 actúan como
promotoras de turbulencia en la superficie de la lámina 71 de capas
de filtro de membrana (véase la Fig. 6) y ayudan a reducir el grosor
de la capa límite en la superficie de la lámina 71 de capas de
filtro de membrana. Las burbujas 43 también crean un flujo
convectivo de la solución 100 de alimentación desde la parte
inferior a través de la parte superior del elemento 15', y de nuevo
hacia la parte inferior.
Durante un funcionamiento normal, se aplica un
vacío 52 en el tubo 73 de recogida de permeato a través de una
primera válvula derivadora 53 de permeato y a través de una tubería
54 de permeato hasta el elemento 15'. La tubería 54 de permeato
incluye preferiblemente un acumulador 50 de permeato. El sistema 52
de vacío crea una presión motriz a través de la lámina 71 de capas
de filtro de membrana dando como resultado la producción de un
permeato 101'. El sistema 52 de vacío puede ser creado por medio de
una bomba de vacío, la parte de succión de una bomba centrífuga, o
un aspirador. El vacío está preferiblemente en el rango de 0,007 a
0,04 bares.
En esta realización, la porción de la solución
100' de alimentación que se filtra en el elemento 15' es el
permeato 101'. El permeato 101' pasa a través del acumulador 50 de
permeato, una primera válvula derivadora 53 de permeato, y luego, a
través del sistema 52 de vacío. El concentrado 102' se define como
la porción de la solución 100' de alimentación que no pasa a través
del elemento 15' de filtro de membrana y permanece en el tanque 2'
de alimentación para ser reciclado de nuevo a través del filtro
15'.
Como se muestra en la Fig. 6, el fluido de
limpieza por flujo inverso es una combinación de gas nitrógeno
desde el tanque 49 y permeato 101'. El fluido de limpieza por flujo
inverso puede ser aire, nitrógeno o algún otro gas adecuado, solo o
en combinación con el fluido de permeato. El sistema 1' también
puede estar diseñado para utilizar únicamente el permeato en el
paso de la limpieza por flujo inverso. Esta realización preferida
tiene los beneficios de no requerir un tubo de presión para el
elemento 15', utiliza una bomba de aire para circular la solución
100' de alimentación en vez de una bomba, y puede resultar en un
menor ensuciamiento de la membrana debido a la menor presión de
alimentación y a la turbulencia creada por las burbujas 43 de
aire.
Durante el ciclo de limpieza por flujo inverso,
se activa la válvula derivadora 53 de permeato permitiendo que el
fluido de limpieza por flujo inverso entre en el tubo 73 de recogida
de permeato. El nitrógeno, del tanque 49 de gas comprimido, se
alimenta a través de un regulador 47 de presión. Después de pasar a
través del regulador 47 de presión, el nitrógeno se mueve a través
de una tubería 48 de gas, la válvula derivadora 53 de permeato, y
hasta dentro de la tubería 54 de permeato. Preferiblemente, el
fluido inicial de limpieza por flujo inverso sería permeato 101'
almacenado en el acumulador 50, seguido de gas nitrógeno. El uso del
gas nitrógeno como fluido de limpieza por flujo inverso da como
resultado una mayor turbulencia en la superficie de la lámina 71 de
capas de filtro de membrana, ayudando aún más en la eliminación de
suciedades. Después de un periodo de tiempo establecido, la válvula
derivadora 53 de permeato se activa de nuevo y el sistema 1' vuelve
a funcionar de manera normal. Este proceso de crear permeato 101' a
través del sistema 52 de vacío y la limpieza periódica por flujo
inverso se repite de forma regular para mantener una tasa de flujo
de estado estable a través del elemento 15' de filtro de
membrana.
Los siguientes ejemplos sirven para ilustrar
adicionalmente la invención, pero no se deberían ser interpretados
de ninguna forma como limitantes de los aspectos más amplios de la
misma.
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Ejemplo
1
Se moldea en un sustrato de apoyo una película
de membrana de ultrafiltración que va a ser utilizada en un sistema
conforme a la presente invención que es lo suficientemente poroso
para permitir una buena penetración de la solución de moldeo en la
estructura de sustrato de apoyo para garantizar una buena unión
mecánica, pero no demasiado poroso como para permitir un
corrimiento excesivo a través de la solución de moldeo. El polímero
del sustrato también tenía que tener una buena afinidad química por
la solución de moldeo de la membrana. Aunque puede haber otros
sustratos que podrían llevar a cabo esta función, los inventores
obtuvieron resultados excelentes con un sustrato no tejido de
poliéster colocado en seco, con un peso de 0,96 kg/m^{2}, 0,01 cm
de grosor, y un índice Frazier de permeabilidad al aire de 7,5 a 15
l/(m^{2}\cdots). El índice Frazier de permeabilidad al aire es
una medida de la porosidad del sustrato. Estos sustratos están
producidos utilizando fibras cortas de poliéster que están
"cardadas" dando fieltros que son relativamente gruesos, y
luego son "calandrados" entre un rodillo de acero y fieltro a
alta presión y temperatura para obtener la porosidad, grosor y peso
apropiados. Muchos de los sustratos utilizados en estas aplicaciones
están altamente "calandrados" dando como resultado un sustrato
de apoyo que tiene un acabado similar al papel. Aunque este tipo de
acabado proporciona una superficie de recubrimiento uniforme con
pocos defectos y pequeños poros, el acabado denso similar al papel
hace difícil que la solución de moldeo penetre, y como resultado, la
película de membrana se deslamina fácilmente.
En este ejemplo, los inventores moldearon una
película de membrana de ultrafiltración utilizando un 18% de
polímero de polietersulfona BASF disuelto en 23% DMF y 55% NMP, para
dar una viscosidad mixta de 320 mPas. Esta formulación dio buena
penetración y adhesión al sustrato de apoyo, y se recubrió con un
grosor de 0,007 cm.
Para mejorar aún más la penetración de la
solución de moldeo en el sustrato de apoyo, se aplicó la solución
de moldeo a una temperatura elevada de 30ºC. Luego se permitió un
tiempo de enfriamiento al aire de 26 segundos a la solución de
moldeo antes de la inmersión en el baño de extracción de disolvente
que estaba enfriado a 10ºC. Se moldeó la lámina de capas de filtro
de membrana a 0,04 m/s. Luego se alimentó la lámina de capas de
filtro de membrana en un tanque de tratamiento térmico llenado con
agua a 65ºC para templar y termofijar la lámina de capas de filtro
de membrana. Se sometió a prueba la lámina de capas de filtro de
membrana bajo 207 kPa de presión con 500 ppm de una solución de
dextrano de 76.000 PM. La lámina de capas de filtro de membrana
exhibió un flujo de 30 GFD a 97% de rechazo.
Entonces se enrolló esta lámina de capas de
filtro de membrana en dos elementos espirales con un diámetro de
6,25 cm y una longitud de 35 cm utilizando el adhesivo formulado a
medida.
Entonces se colocó el elemento en un tubo de
presión FRP sometido a prueba con una solución de agua desionizada
y una mezcla de hexametileno tetramina y de sulfato de hidracina.
Esta mezcla forma partículas suspendidas uniformes y bien
distribuidas en el rango de 1-5 micrómetros y se
utiliza como un estándar para las mediciones de turbidez. Se
mantuvo la turbidez de alimentación entre 50 y 100 NTU. Esta
solución de alimentación se presurizó con una bomba de alimentación
a 207 kPa y se alimentó a los dos elementos 2514. Los elementos
exhibieron un flujo combinado de permeato de 1,2 litros por minuto
y produjeron una turbidez de permeato de 0,1 NTU. Se utilizó la
turbidez de permeato como un indicador de la integridad de la
membrana. Si la integridad de la membrana se hubiese visto
comprometida durante los ciclos de limpieza por flujo inverso,
hubiese aumentado la turbidez del permeato. Luego se hizo pasar por
el elemento agua estándar de grifo a 207 kPa durante la
alimentación. Cada 30 segundos, se limpió el elemento por flujo
inverso con nitrógeno a 103 kPa durante 15 segundos. Este ciclo se
repitió 2030 ciclos. Luego se volvió a someter a prueba al elemento
con el estándar de turbidez de hexametileno tetramina y sulfato de
hidracina y exhibió un flujo combinado de permeato de 1,1 lpm y una
turbidez del permeato de 0,1 NTU. Esta prueba indica que la lámina
de capas de filtro de membrana y el elemento mantuvieron su
integridad durante esta prueba y no se deslaminaron.
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Ejemplo
2
Se moldeó en un sustrato de apoyo una película
de membrana de microfiltración como en el Ejemplo 1. Sin embargo,
en este ejemplo, un polímero de fluoruro de polivinilideno BASF se
disolvió en 80% DMF, para dar una viscosidad mixta de 350 mPas.
Esta formulación dio buena penetración y adhesión al sustrato de
apoyo.
Para mejorar aún más la penetración de la
solución de moldeo en el sustrato de apoyo, se aplicó la solución
de moldeo a una temperatura elevada de 30ºC. Luego se permitió un
tiempo de enfriamiento al aire a la solución de moldeo de 20
segundos antes de la inmersión en el baño de extracción del
disolvente. Se sometió a prueba la lámina de capas de filtro de
membrana a 69 kPa de presión con 500 ppm de estándar de turbidez de
hexametileno tetramina y sulfato de hidracina. La lámina de capas de
filtro de membrana exhibió un flujo de 35 GFD a 69 kPa y el
permeato producido tuvo una turbidez de < 0,1 NTU.
Luego se enrolló esta lámina de capas de filtro
de membrana en dos elementos de espiral con un diámetro de 6,25 cm
y una longitud de 35 cm utilizando un adhesivo E. V. Roberts 1752.
Luego se colocó el elemento en un tubo de presión FRP sometido a
prueba con una solución de estándar de turbidez de hexametileno
tetramina y sulfato de hidracina a 207 kPa. El elemento exhibió un
flujo de 35 (l/m^{2}h) GFD y una turbidez del permeato de 0,2
NTU. Luego se hizo pasar por el elemento agua estándar de grifo a 69
kPa en un ciclo de limpieza por flujo inverso. Cada 30 segundos, se
limpió el elemento por flujo inverso con nitrógeno a 207 kPa durante
15 segundos. Este ciclo se repitió durante 1236 ciclos. Luego se
volvió a someter a prueba al elemento con el estándar de turbidez
de hexametileno tetramina y sulfato de hidracina a 69 kPa y exhibió
34 GFD y una turbidez del permeato de < 0,1 NTU. Este ejemplo
indica que la lámina de capas de filtro de membrana y el elemento
mantuvieron su integridad durante esta prueba y no se
deslaminaron.
Ejemplo
3
Se repitió la prueba del Ejemplo 1 utilizando el
mismo elemento pero con una presión superior de limpieza por flujo
inverso de 207 kPa. Luego se colocó el elemento en un tubo de
presión FRP sometido a prueba con una solución de agua desionizada
y una mezcla de hexametileno tetramina y sulfato de hidracina. Se
mantuvo la turbidez de alimentación entre 50 y 100 NTU. Los
elementos exhibieron un flujo combinado de permeato de 1,4 litros
por minuto y produjeron una turbidez del permeato de 0,1 NTU. Este
ciclo fue repetido durante 1400 ciclos. Luego se volvió a someter a
prueba el elemento con el estándar de turbidez de hexametileno
tetramina y sulfato de hidracina y exhibió un flujo combinado de
permeato de 1,5 lpm y una turbidez del permeato de 0,2 NTU. Esta
prueba indica que la lámina de capas de filtro de membrana y el
elemento mantuvieron su integridad durante esta prueba y no se
deslaminaron.
Ejemplo
4
Se repitió la prueba del Ejemplo 1 utilizando el
mismo elemento pero con una mayor presión de limpieza por flujo
inverso de 311 kPa. Luego se colocó el elemento en un tubo de
presión FRP sometido a prueba con una solución de agua desionizada
y una mezcla de hexametileno tetramina y sulfato de hidracina. Se
mantuvo la turbidez de alimentación entre 50 y 100 NTU. Los
elementos exhibieron un flujo combinado de permeato de 1,7 litros
por minuto y produjeron una turbidez del permeato de 0,5 NTU. Este
ciclo fue repetido durante 1000 ciclos. Luego se volvió a someter a
prueba al elemento con el estándar de turbidez de hexametileno
tetramina y sulfato de hidracina y exhibió un flujo combinado de
permeato de 1,6 lpm y una turbidez del permeato de 0,15 NTU. Esta
prueba indica que la lámina de capas de filtro de membrana y el
elemento mantuvieron su integridad durante esta prueba y no se
deslaminaron.
Ejemplo
5
Se repitió la prueba del Ejemplo 1 utilizando el
mismo elemento pero con una mayor presión de limpieza por flujo
inverso de 414 kPa. Luego se colocó el elemento en un tubo de
presión FRP sometido a prueba con una solución de agua desionizada
y una mezcla de hexametileno tetramina y sulfato de hidracina. Se
mantuvo la turbidez de alimentación entre 50 y 100 NTU. Los
elementos exhibieron un flujo combinado de permeato de 1,6 litros
por minuto y produjeron una turbidez del permeato de 0,1 NTU. Este
ciclo fue repetido durante 620 ciclos. Luego se volvió a someter a
prueba al elemento con el estándar de turbidez de hexametileno
tetramina y sulfato de hidracina y exhibió un flujo combinado de
permeato de 1,6 lpm y una turbidez del permeato de 0,10 NTU. Esta
prueba indica que la lámina de capas de filtro de membrana y el
elemento mantuvieron su integridad durante esta prueba y no se
deslaminaron. Al finalizar esta prueba, se perforaron tres poros en
uno de los elementos de filtro de membrana para determinar la
sensibilidad de la prueba de turbidez. Se volvió a someter a prueba
al elemento con una solución de agua desionizada y una mezcla de
hexametileno tetramina y sulfato de hidracina con una turbidez de
alimentación de 55 NTU y la turbidez del permeato fue de 7,7 NTU.
Esto indica que la prueba de turbidez es un indicador sensible de
la integridad del elemento.
Ejemplo
6
Se produjo un elemento de 10 cm de diámetro y
100 cm de longitud utilizando la lámina preferida de capas de
filtro de membrana y el adhesivo preferido como en el Ejemplo 1. Se
colocó el elemento en un tanque bien mezclado que contenía una
mezcla de 0,5% de tierra de diatomeas y 500 ppm de dextrano con un
peso molecular de entre 5-20 millones de dalton
como una solución sintética de ensuciamiento, que tenía una turbidez
superior a 100 NTU. Se conectó el tubo de recogida de permeato a un
sistema de vacío que mantuvo un vacío de 40 cm de mercurio para
proporcionar la presión motriz para la filtración de la solución de
alimentación a través de la lámina de capas de filtro de membrana.
El elemento exhibió un flujo inicial de 13 GFD y la turbidez del
permeato fue < 0,1 NTU, indicando una buena integridad mecánica.
Bajo el elemento, como se muestra en la Fig. 6, se produjeron
burbujas de aire utilizando una placa metálica sinterizada porosa.
Se suministró aire utilizando un ventilador de baja presión que
funcionaba a una presión de 5 cm de agua (en H_{2}O) para circular
la solución de alimentación a través de la superficie de la lámina
de capas de filtro de membrana y promover la turbulencia para
minimizar el grosor de la capa límite. El elemento estuvo en
funcionamiento durante 30 minutos y luego se limpió por flujo
inverso con permeato durante 5 segundos seguido de aire durante 15
segundos. Esta operación se repitió durante 14 días de
funcionamiento. El elemento exhibió un flujo de 12 GFD después de
los 14 días de funcionamiento. La turbidez del permeato fue < 0,1
NTU indicando que la integridad del elemento no había sido
comprometida. Luego se hizo funcionar el mismo elemento bajo las
mismas condiciones pero sin el ciclo de limpieza por flujo inverso.
Después de 5 días de funcionamiento, el flujo había disminuido
hasta 4 GFD. Este ejemplo indica que el ciclo de limpieza por flujo
inverso es beneficioso para eliminar suciedades de la superficie de
la lámina de capas de filtro de membrana.
Ejemplo
7
No conforme a la
invención
Se produjo un elemento de 10 cm de diámetro y
100 cm de longitud utilizando la lámina preferida de capas de
filtro de membrana y el adhesivo preferido como en el Ejemplo 1. Se
colocó el elemento en un tubo de presión montado verticalmente con
la solución de alimentación entrando por la parte inferior del tubo
de presión y siendo el concentrado eliminado por la parte superior
del tubo de presión como se muestra en la Fig. 1. El elemento
exhibió un flujo inicial de 8 GFD y la turbidez del permeato era
< 0,1 NTU, indicando una buena integridad mecánica. Se presurizó
la alimentación a 104 kPa durante la prueba. El elemento funcionó de
este modo durante 30 minutos y luego se limpió por flujo inverso
con permeato durante 5 segundos seguido de una limpieza por flujo
inverso de 15 segundos con nitrógeno. Durante la limpieza por flujo
inverso se activaron las válvulas tridireccionales, permitiendo que
las suciedades que son limpiadas por flujo inverso desde el
elemento salgan por la parte inferior del tubo de presión y
permitiendo también que la solución de alimentación entre por la
parte superior del tubo de presión. Este flujo inverso permite que
la gravedad ayude a eliminar las suciedades y los sólidos
suspendidos del elemento y del tubo de presión durante el ciclo de
limpieza por flujo inverso. Esta operación fue repetida durante 14
días de funcionamiento. El elemento exhibió un flujo de 7 GFD
después de 14 días de funcionamiento. La turbidez del permeato fue
< 0,1 NTU indicando que la integridad del elemento no había sido
comprometida. Luego se utilizó el mismo elemento bajo las mismas
condiciones pero sin el ciclo de limpieza por flujo inverso.
Después de 4 días de funcionamiento, el flujo había disminuido
hasta 3 GFD. Este ejemplo indicó que el ciclo de limpieza por flujo
inverso es beneficioso para eliminar suciedades de la superficie de
la lámina de capas de filtro de membrana.
La anterior descripción indica las realizaciones
preferidas de la presente invención, pero no está limitada a los
diseños mostrados. Por lo tanto, no se pretende que la presente
invención esté limitada a las realizaciones de trabajo descritas
anteriormente. De esta manera, se comprenderá que dentro del ámbito
de las siguientes reivindicaciones, esta invención se puede poner
en práctica de otra manera que como se ha descrito
específicamente.
Claims (13)
1. Un sistema de limpieza por flujo inverso para
un elemento de membrana enrollado en espiral que comprende:
- \quad
- un tanque (2') de alimentación que contiene una solución de alimentación;
- \quad
- un tubo de recogida de permeato colocado en el tanque de alimentación, en el que el tubo de recogida de permeato incluye un elemento (15') de membrana enrollado en espiral que tiene una lámina portadora (72) de permeato, una lámina separadora (70) de alimentación, y una lámina (71) de capas de filtro de membrana con un sustrato de apoyo y una película de membrana superpuesta sobre el sustrato de apoyo;
- \quad
- un borboteador (51) que tiene burbujas actuando como promotoras de la turbulencia en la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana para reducir el grosor de la capa límite en la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana, y que crea un flujo convectivo de solución de alimentación desde la parte inferior hasta la parte superior del elemento (15'), y de nuevo hacia la parte inferior;
- \quad
- una fuente de fluido presurizado (49) de limpieza por flujo inverso utilizado para forzar al permeato y al fluido de limpieza por flujo inverso hacia el elemento (15'); y
- \quad
- un sistema (52) de vacío con vacío para crear la presión motriz para forzar a la solución de alimentación dentro del elemento (15'), creando con ello un permeato.
2. El sistema de limpieza por flujo inverso de
la reivindicación 1 que comprende además:
- \quad
- una bomba (46) de aire para comprimir gas para el borboteador (51), y
- \quad
- una válvula derivadora (53) de permeato, en el que la válvula derivadora de permeato es capaz de controlar el flujo de permeato e invertir el flujo de permeato para limpiar por flujo inverso cualesquiera suciedades de la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana.
3. El sistema de limpieza por flujo inverso de
la reivindicación 2 que comprende además un ciclo de limpieza por
flujo inverso;
- \quad
- en el que la duración del ciclo de limpieza por flujo inverso es de 5 a 30 segundos;
- \quad
- en el que entre los ciclos de limpieza por flujo inverso, se activa la válvula derivadora de permeato para que el sistema vuelva a extraer permeato de la solución de alimentación.
4. El sistema de limpieza por flujo inverso de
la reivindicación 1 en el que el fluido de limpieza por flujo
inverso comprende al menos uno de entre gas comprimido, aire,
nitrógeno, permeato y solución de limpieza.
5. El sistema de limpieza por flujo inverso de
la reivindicación 1 en el que el fluido de limpieza por flujo
inverso comprende permeato seguido de aire comprimido.
6. El sistema de limpieza por flujo inverso de
la reivindicación 1 en el que el vacío se encuentra en el rango de
0,007 a 0,04 bares.
7. Un procedimiento para limpiar por flujo
inverso un elemento de membrana enrollado en espiral por medio de
un sistema de limpieza por flujo inverso conforme a la
reivindicación 1 que comprende:
- \quad
- colocar un elemento de membrana enrollado en espiral dentro de un tanque de alimentación;
- \quad
- promover turbulencias en una superficie de la lámina de capas de filtro de membrana por medio de un borboteador que tiene burbujas que son capaces de:
- reducir el grosor de una capa límite en la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana;
- crear un flujo convectivo de solución de alimentación desde la parte inferior hasta la parte superior del elemento; y
- hacer regresar la solución de alimentación hacia la parte inferior del elemento; e
- \quad
- introducir de forma periódica un fluido presurizado de limpieza por flujo inverso, con una presión que supera la presión de alimentación, dentro del elemento en una dirección desde la parte superior hasta la parte inferior del elemento para desplazar una porción sustancial de los sólidos de la solución de alimentación retenidos en los poros de la lámina de capas de filtro de membrana.
\newpage
8. El procedimiento de la reivindicación 7 que
comprende además:
- \quad
- comprimir gas para el borboteador utilizando una bomba de aire;
- \quad
- crear la presión motriz para forzar a la solución de alimentación dentro del elemento, creando con ello permeato utilizando un sistema de vacío con vacío;
- \quad
- dirigir el caudal de permeato fuera del acumulador de permeato y el caudal de gas fuera del tanque mientras se limpia por flujo inverso utilizando una válvula derivadora de permeato;
- \quad
- activar una válvula derivadora de permeato permitiendo que el fluido de limpieza por flujo inverso entre en el elemento para limpiar por flujo inverso las suciedades de las soluciones de la solución de alimentación de la superficie de la lámina de capas de filtro de membrana en el elemento.
9. El procedimiento de la reivindicación 7 en el
que la presión sobre el gas de limpieza por flujo inverso está
controlada por un regulador de gas; y la presión de limpieza por
flujo inverso es superior a la presión de alimentación sobre el
elemento entre 0,7 y 2,1 bares.
10. El procedimiento de la reivindicación 7 en
el que la presión del fluido de limpieza por flujo inverso sobre el
elemento es de entre 0,34 y 6,7 bares.
11. El procedimiento de la reivindicación 10 en
el que la presión del fluido de limpieza por flujo inverso sobre el
elemento es de entre 1,4 y 4,1 bares.
12. El procedimiento de la reivindicación 7 en
el que el fluido de limpieza por flujo inverso comprende al menos
uno de entre gas comprimido, aire, nitrógeno, permeato y solución de
limpieza.
13. El procedimiento de la reivindicación 7 en
el que el fluido de limpieza por flujo inverso comprende permeato
seguido de aire comprimido.
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