ES2871870T3 - Elemento de membrana de fibra hueca y módulo de membrana para ósmosis directa - Google Patents
Elemento de membrana de fibra hueca y módulo de membrana para ósmosis directa Download PDFInfo
- Publication number
- ES2871870T3 ES2871870T3 ES14855020T ES14855020T ES2871870T3 ES 2871870 T3 ES2871870 T3 ES 2871870T3 ES 14855020 T ES14855020 T ES 14855020T ES 14855020 T ES14855020 T ES 14855020T ES 2871870 T3 ES2871870 T3 ES 2871870T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- hollow fiber
- fiber membrane
- membrane
- wound
- turns
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
- B01D63/02—Hollow fibre modules
- B01D63/025—Bobbin units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/002—Forward osmosis or direct osmosis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Un elemento de membrana de fibra hueca para ósmosis directa que comprende una tubería de distribución porosa y un cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada que consiste en una membrana de fibra hueca abierta por ambos extremos dispuesta en intersección arrollando las membranas de fibra hueca alrededor de la tubería de distribución porosa de forma helicoidal, en donde a) el número de espiras por longitud del elemento en una zona desde una capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un octavo a tres cuartos del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es de 0,33 a 1,75; b) el número de espiras por longitud del elemento en una zona desde una capa más interna del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un cuarto del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es mayor que 1,75, y el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada tiene una longitud de 0,2 a 1,6 m.
Description
DESCRIPCIÓN
Elemento de membrana de fibra hueca y módulo de membrana para osmosis directa
Campo técnico
La presente invención se refiere a un elemento de membrana de fibra hueca y a un módulo de membrana para ósmosis directa que tienen una excelente resistencia al ensuciamiento, poca pérdida de presión en el flujo en el orificio de la membrana de fibra hueca y un alto caudal de permeación de agua a través de la membrana. Más específicamente, la presente invención es capaz de reducir el volumen por concentración o recuperación de materia orgánica o concentración de agua descargada, desalinizar agua de mar o generar energía al hacer que el agua dulce permee debido a la diferencia de concentración entre una solución acuosa de baja concentración y una solución acuosa de alta concentración a presión como fuerza impulsora, y hacer girar la turbina por el caudal y la presión en el lado de la solución acuosa de alta concentración a presión que aumentan con el agua dulce que ha penetrado. En particular, la presente invención se puede usar para un tratamiento de generación de agua dulce con el fin de generar energía, tal como energía eléctrica, utilizando la presión osmótica debida a la diferencia de concentración entre el agua de mar o el agua de mar concentrada y el agua dulce.
Estado de la técnica
La separación y concentración de una mezcla líquida mediante un método de separación por membrana, que no implica cambio de fase, ahorra energía en comparación con técnicas de separación convencionales, como la destilación, y se utiliza ampliamente en diversos campos, incluyendo campos de la alimentación, como la concentración de zumos de frutas, y la separación de levadura de cerveza, y la recuperación de materia orgánica de aguas residuales industriales, ya que no implica cambio de estado de una sustancia. El tratamiento del agua mediante membrana se ha consolidado como un proceso fundamental para respaldar la tecnología de vanguardia.
Un tratamiento de agua de este tipo mediante una membrana se lleva a cabo utilizando un módulo de membrana en el que un elemento de membrana que consiste en un conjunto de membranas como un componente se cambia en un recipiente a presión. En particular, un elemento de membrana de fibra hueca es ventajoso porque se logra un alto caudal de permeación de agua en conjunto y la eficiencia de volumen es muy alta, ya que se puede asegurar una gran área de membrana por volumen del módulo de membrana, aunque el caudal de permeación de agua por unidad de área de membrana no es alto en comparación con un elemento de membrana en espiral, y es excelente en compacidad. Además, cuando en el módulo se introducen tanto una solución acuosa de alta concentración como agua dulce y éstas se ponen en contacto entre sí a través de una membrana semipermeable, la polarización de la concentración en la superficie de la membrana se puede controlar a un nivel bajo.
En el caso de una membrana de ósmosis inversa de fibra hueca se emplea una membrana abierta por ambos extremos desde el punto de vista de la eficiencia (véanse las Bibliografías de Patente 1 y 2). Como se muestra en la ilustración de la Figura 1, por ejemplo, la corriente del agua que ha permeado la membrana en ese caso fluye al interior la membrana de fibra hueca (dentro del orificio) desde el exterior de la misma, y fluye hacia afuera a través de la parte de apertura de cada extremo. La longitud del flujo que recorre el agua que ha permeado la membrana en el orificio es aproximadamente la mitad de la longitud total de la membrana de fibra hueca, como se puede ver en la Figura 1. En este caso, dado que el agua de mar fluye fuera de la membrana de fibra hueca, y el exterior de la membrana de fibra hueca está sometido a presión, la corriente se produce en la dirección de la aplicación de presión para adherir los contaminantes contra la superficie de la membrana, y los componentes de contaminación del agua de mar se capturan y depositan entre las membranas de fibra hueca cercanas contaminando el elemento de membrana. Esto tiende a influir negativamente en el rendimiento.
También en el caso de una membrana de ósmosis directa de fibra hueca se emplea una membrana abierta por ambos extremos (véase la Bibliografía de Patente 3). La corriente del agua que ha permeado la membrana fluye en este caso desde el interior (dentro del orificio) hacia el exterior de la membrana de fibra hueca, por ejemplo tal como se muestra en la ilustración de la Figura 2. Por ejemplo, en el caso en el que una solución de extracción (SE; agua de mar) de alta presión osmótica fluye fuera de la membrana de fibra hueca, y un líquido de alimentación (SA; agua dulce) de baja presión osmótica fluye por el orificio de la membrana de fibra hueca, el agua que ha permeado la membrana fluye desde el interior hacia el exterior de la membrana de fibra hueca. En este caso, el agua dulce, que es la fuente del agua que ha permeado la membrana, fluye por el orificio de la membrana de fibra hueca como se puede ver en la Figura 2, y fluye de un extremo al otro extremo de la membrana de fibra hueca, y su longitud de flujo es equivalente a la longitud total de la membrana de fibra hueca. Por lo tanto, la pérdida de presión en el flujo en el orificio en el caso de la membrana de ósmosis directa (membrana de OD) es significativamente mayor que en el caso de la membrana de ósmosis inversa (membrana de OI).
En el caso de una membrana de OI, para evitar la contaminación de la membrana por el agua que ha permeado la membrana de la membrana de fibra hueca, la resistencia al ensuciamiento se mejora disponiendo las membranas de fibra hueca que constituyen el elemento de membrana en intersección, por ejemplo en la Bibliografía de Patente 1. Específicamente, mediante la formación de una parte de intersección de las membranas de fibra hueca se produce un espacio vacío entre las membranas de fibra hueca y, por lo tanto, se evita la aparición de un flujo de canalización o
polarización de concentración, y es difícil que los componentes fangosos del agua de mar se reúnan en la superficie exterior de las membranas de fibra hueca. En este caso es preferible un mayor número de espiras por longitud del elemento de las membranas de fibra hueca dispuestas en intersección y, como resultado de ello, el número de partes de intersección de las membranas de fibra hueca aumenta y la resistencia al ensuciamiento se mejora (véanse también los documentos WO97/30779 y WO99/22851). En la Bibliografía de Patente 1, como se desprende de un dibujo, se describe una membrana de OI que tiene dos espiras. En la Bibliografía de Patente 2 también se describe específicamente una membrana de OI que tiene dos espiras.
Cuando se emplea la estructura de una disposición en intersección con dos espiras en el caso de una membrana de OD, la pérdida de presión de la SA que fluye en el orificio es grande y el rendimiento de permeación de agua que posee la membrana de fibra hueca no se ejerce de forma satisfactoria. Esto se debe a que la pérdida de presión en el flujo de SA que fluye en el orificio de la membrana de fibra hueca es grande y, en particular en el caso de la ósmosis directa, la influencia en la pérdida de presión en el flujo por un mayor número de espiras es de aproximadamente el doble que el caso de la membrana de OI. Por lo tanto, la disposición en intersección de las membranas de fibra hueca empleada en la membrana de OI no se puede emplear directamente en la membrana de OD.
Tal como se ha descrito más arriba, en el estado actual de la técnica no se ha encontrado ningún medio útil para mejorar la resistencia al ensuciamiento de las membranas de fibra hueca para OD, y la medida para lograr la resistencia al ensuciamiento mientras se asegura un rendimiento suficiente de permeación de agua no se ha realizado, ni siquiera si se tiene en cuenta la disposición en intersección de las membranas de fibra hueca para OI.
Lista de citas
Documento de patente
PTD 1: Publicación de Patente n° 3-14492
PTD 2: Patente Japonesa Abierta la Inspección Pública n° 2003-290632
PTD 3: WO2012/002263
Compendio de la invención
Problema técnico
La presente invención se concibió a la luz del estado actual de la técnica convencional arriba mencionado, y un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un elemento de membrana de fibra hueca para ósmosis directa que tenga una excelente resistencia al ensuciamiento y poca pérdida de presión en el flujo (es decir, suficiente caudal de permeación de agua), y un módulo de membrana que incluye el mismo.
Solución al problema
Los presentes inventores examinaron además diligentemente la disposición en intersección empleada en una membrana de OI para lograr el objeto arriba mencionado. Como resultado de ello comprobaron que, cuando las membranas de fibra hueca para ósmosis directa se disponen en intersección, el deterioro de la resistencia al ensuciamiento es significativamente menor en comparación con el caso de la ósmosis inversa, incluso cuando el número de espiras de la parte de capa externa de un cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada de la membrana de fibra hueca larga se reduce en cierta medida porque la dirección del flujo del agua que ha permeado la membrana es inversa a la de la membrana de ósmosis inversa, y de esta manera comprobaron que la influencia de la reducción del caudal de permeación de agua por una alta pérdida de presión en el flujo se puede reducir a un nivel inevitable, y llevaron a cabo la presente invención.
Es decir, la presente invención tiene los siguientes aspectos (1) a (6).
(1) Un elemento de membrana de fibra hueca para ósmosis directa, que comprende una tubería de distribución porosa y un cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada que consiste en una membrana de fibra hueca abierta por ambos extremos dispuesta en intersección arrollando las membranas de fibra hueca alrededor de la tubería de distribución porosa de forma helicoidal, en donde
a) el número de espiras por longitud del elemento en una zona desde una capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un octavo a tres cuartos del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es de 0,33 a 1,75;
b) el número de espiras por longitud del elemento en una zona desde una capa más interna del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un cuarto del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es mayor que 1,75, y el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada tiene una longitud de 0,2 a 1,6 m.
(2) El elemento de membrana de fibra hueca según (1), en donde el elemento de membrana de fibra hueca tiene
un diámetro exterior mayor o igual que 130 mm.
(3) El elemento de membrana de fibra hueca según (1) o (2), en donde la membrana de fibra hueca está formada por al menos una resina seleccionada entre el grupo que consiste en una resina de acetato de celulosa, una resina de poliamida y una resina de polisulfona sulfonada.
(4) El elemento de membrana de fibra hueca según uno cualquiera de (1) a (3), en donde la membrana de fibra hueca tiene un diámetro exterior de 160 a 270 gm.
(5) El elemento de membrana de fibra hueca según uno cualquiera de (1) a (4), en donde el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada tiene un diámetro exterior de 130 a 420 mm.
(6) Un módulo de membrana de fibra hueca que comprende un recipiente y al menos un elemento de membrana de fibra hueca según uno cualquiera de (1) a (5) cargado en el recipiente.
Efectos ventajosos de la invención
En el elemento de membrana de fibra hueca y el módulo de membrana de fibra hueca de la presente invención, dado que el número de espiras por longitud del elemento es considerablemente menor que el convencional para ósmosis inversa, en particular en la parte de la capa externa donde la membrana de fibra hueca es larga, es posible reducir la influencia de la pérdida de presión en el flujo de un fluido en el orificio durante la operación de ósmosis directa y, como resultado de ello, es posible obtener un alto caudal de permeación de agua a través de la membrana. Además, cuando el número de espiras se reduce dentro del intervalo definido por la presente invención, se mantiene una alta resistencia al ensuciamiento durante la operación de ósmosis directa en comparación con el caso de la ósmosis inversa.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama que ilustra la corriente de agua que ha permeado la membrana en el caso de una membrana de ósmosis inversa de fibra hueca.
La Figura 2 es un diagrama que ilustra la corriente de agua que ha permeado la membrana en el caso de una membrana de ósmosis directa de fibra hueca.
La Figura 3 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención.
La Figura 4 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un módulo de membrana de fibra hueca de la presente invención.
La Figura 5 es una imagen que muestra un ejemplo de una disposición en intersección configurada por un haz de membranas de fibra hueca como una unidad.
La Figura 6 es un diagrama esquemático que muestra los estados de una membrana de fibra hueca cuando el número de espiras es de 2,0, 1,5 y 1,0.
La Figura 7 es un gráfico que muestra la influencia del número de espiras con respecto a la relación entre el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención y la resistencia al ensuciamiento.
La Figura 8 es un gráfico que muestra la influencia del diámetro del elemento con respecto a la relación entre el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención y la resistencia al ensuciamiento.
La Figura 9 es un gráfico que muestra la influencia de la longitud del elemento con respecto a la relación entre el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención y la resistencia al ensuciamiento.
La Figura 10 es un gráfico que muestra la influencia del diámetro exterior de la membrana de fibra hueca con respecto a la relación entre el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención y la resistencia al ensuciamiento.
Descripción de realizaciones
A continuación se describirán específicamente el elemento de membrana de fibra hueca y el módulo de membrana para ósmosis directa de la presente invención.
La ósmosis directa en la que se usa el elemento de membrana de la presente invención es un método de tratamiento de agua que utiliza el fenómeno consistente en que, cuando una solución acuosa de alta concentración con alta presión osmótica y una solución acuosa de baja concentración con baja presión osmótica se ponen en contacto entre sí a través de una membrana semipermeable, el agua dulce se mueve desde la solución acuosa con baja presión
osmótica hasta la solución acuosa con alta presión osmótica. Por ejemplo, cuando la solución acuosa de alta concentración con alta presión osmótica fluye fuera de la membrana de fibra hueca, y la solución acuosa de baja concentración con baja presión osmótica fluye en el orificio de la membrana de fibra hueca, la cantidad de agua que fluye dentro el orificio se reduce y el caudal de permeación de agua a través de la membrana se reduce si la pérdida de presión en el flujo dentro del orificio es grande. Cuando el agua de mar fluye fuera de la membrana de fibra hueca como solución acuosa de alta concentración con alta presión osmótica, los contaminantes se adhieren o se depositan entre las membranas de fibra hueca o en la superficie de la membrana, y el caudal de permeación del agua se reduce con el tiempo.
El elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención puede asegurar un área de membrana más grande por elemento en comparación con una membrana plana en espiral. Para los elementos que tienen prácticamente el mismo tamaño, la membrana de fibra hueca puede tener un área de membrana correspondiente a aproximadamente 10 veces la de la membrana en espiral, aunque difiere dependiendo del tamaño de la membrana de fibra hueca. Por lo tanto, la membrana de fibra hueca requiere una cantidad de tratamiento muy pequeña por unidad de área de membrana para obtener el mismo caudal de permeación de agua, y puede reducir la contaminación en la superficie de la membrana que se produce en el momento en que el agua de alimentación permea la membrana en comparación con la membrana en espiral, y así puede ampliar el tiempo de operación hasta la limpieza de la membrana. Además, dado que es poco probable que se produzca un flujo de canalización en el elemento, es preferible llevar a cabo un tratamiento de agua utilizando la diferencia de concentración como fuerza impulsora.
El material para la membrana de fibra hueca de la presente invención no está particularmente limitado siempre que se obtenga un alto rendimiento de separación del nivel comparable al de la membrana de ósmosis inversa y, por ejemplo, se pueden utilizar resinas tales como resinas de acetato de celulosa, resinas de poliamida, resinas de alcohol polivinílico y resinas de polisulfona sulfonada. Entre éstas, son preferibles las resinas de acetato de celulosa y las resinas de polisulfona sulfonada como la polisulfona sulfonada y la poliéter sulfona sulfonada, ya que son tolerantes al cloro, que es un antiséptico, y pueden suprimir fácilmente la proliferación de microorganismos En particular, pueden suprimir eficazmente la contaminación microbiana en la superficie de la membrana. Como acetato de celulosa es preferible el triacetato de celulosa en vista de su durabilidad.
El diámetro exterior de la membrana de fibra hueca de la presente invención es preferiblemente de 160 a 270 pm. Si el diámetro exterior es menor que el intervalo anteriormente mencionado, el diámetro interior es necesariamente pequeño y, por tanto, se puede producir el mismo problema que en el caso del diámetro interior anteriormente mencionado. Por el contrario, si el diámetro exterior es mayor que el intervalo anteriormente mencionado, el área de la membrana por unidad de volumen en el módulo no puede ser grande y la compacidad, que es una de las ventajas del módulo de membrana de fibra hueca, resulta afectada negativamente.
La proporción de oquedad de la membrana de fibra hueca de la presente invención es preferiblemente de un 20 a un 42%. Si la proporción de oquedad es menor que el intervalo anteriormente mencionado, la pérdida de presión en el flujo del orificio es grande y puede que no se obtenga un caudal de permeación de agua deseado. Por el contrario, si la proporción de oquedad es mayor que el intervalo anteriormente mencionado, puede que no se asegure una resistencia a la presión suficiente incluso para su uso en el tratamiento de ósmosis directa.
La proporción de oquedad (%) se puede determinar mediante la siguiente fórmula.
Proporción de oquedad (%) = (diámetro interior/diámetro exterior)2 x 100
Sólo es necesario que el diámetro interior de la membrana de fibra hueca de la presente invención esté dentro del intervalo que satisfaga la proporción de oquedad para el diámetro exterior preferido anteriormente mencionado. El diámetro interior es preferiblemente de 70 a 175 pm. Si el diámetro interior es menor que el intervalo anteriormente mencionado, la pérdida de presión del fluido que fluye en el orificio es generalmente grande y, por lo tanto, cuando se establece una longitud relativamente larga de la membrana de fibra hueca, se requiere una presión excesivamente alta para que fluya un cantidad deseada de agua dulce, y esto puede causar la pérdida de energía. Por el contrario, si el diámetro interior es mayor que el intervalo anteriormente mencionado, se produce una relación de compensación entre la proporción de oquedad y el área de la membrana del módulo, y puede surgir la necesidad de sacrificar bien la durabilidad a la presión de trabajo, bien el área de la membrana por unidad de volumen.
En el elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención, después de sellar ambos extremos del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada con una resina, se corta parte de la resina para abrir ambos extremos de la membrana de fibra hueca, y el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada se forma arrollando membranas de fibra hueca o haces de membranas de fibra hueca en espiral alrededor de una tubería de distribución porosa para apilar membranas de fibra hueca en la dirección radial. En ese caso, las membranas de fibra hueca están dispuestas en intersección. La Figura 3 es una vista esquemática de un ejemplo del elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención, en el que las membranas de fibra hueca están dispuestas en intersección. Mediante el empleo de la disposición en intersección se forman regularmente espacios vacíos en las partes de intersección entre membranas de fibra hueca. La existencia de estos espacios vacíos regulares evita que los componentes insolubles o los componentes en forma de partículas en el fluido que fluye fuera de la membrana de fibra hueca sean capturados entre las membranas de fibra hueca e impide que aumente la pérdida de presión. Por el contrario, cuando las membranas
de fibra hueca están dispuestas en paralelo, es probable que surjan variaciones entre los espacios vacíos de la membrana de fibra hueca cuando no se logra el empaquetamiento más estrecho, y los componentes insolubles o los componentes en forma de partículas en el fluido son capturados entre las membranas de fibra hueca, y esto puede provocar un aumento de la pérdida de presión y la aparición de un flujo de canalización. Por lo tanto, mediante la disposición de las membranas de fibra hueca en intersección, la cantidad admisible de contaminantes compuestos por componentes insolubles del fluido que fluye fuera de la membrana de fibra hueca es mayor en comparación con el caso de la disposición en paralelo y, como resultado de ello, la resistencia al ensuciamiento del elemento de membrana de fibra hueca mejora. Con respecto a la formación de la disposición en intersección, cuando la membrana de fibra hueca es delgada y tiene una resistencia insuficiente, se obtiene un efecto similar formando la disposición a partir de un haz de membranas de fibra hueca como una unidad.
La tubería de distribución porosa es un miembro tubular que tiene la función de distribuir el fluido introducido a través de una entrada de fluido de alimentación en el conjunto de membranas de fibra hueca al suministrar un líquido de alimentación fuera de las membranas de fibra hueca. La tubería de distribución porosa se sitúa preferiblemente en la parte central del conjunto de membranas de fibra hueca. Si el diámetro de la tubería de distribución porosa es demasiado grande, la zona del módulo de membrana ocupada por las membranas de fibra hueca se reduce y, por lo tanto, el área de la membrana del elemento de membrana o del módulo de membrana se reduce, y esto puede deteriorar el caudal de permeación de agua por volumen. Por el contrario, si el diámetro de la tubería de distribución porosa es demasiado pequeño, la pérdida de presión es grande cuando el fluido de alimentación fluye en la tubería de distribución porosa y, como resultado de ello, se reduce la presión diferencial efectiva sobre las membranas de fibra hueca, y la eficacia del tratamiento puede disminuir. La resistencia también disminuye y la tubería de distribución porosa puede resultar dañada por la tensión de las membranas de fibra hueca cuando el fluido de alimentación fluye en la capa de la membrana de fibra hueca. Es importante establecer un diámetro óptimo teniendo en cuenta estas influencias de forma exhaustiva. La proporción de área del área de la sección ocupada por la tubería de distribución porosa en el área de la sección del elemento de membrana de fibra hueca es preferiblemente de un 4 a un 20%.
El diámetro exterior del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es preferiblemente de 130 a 420 mm. Si el diámetro exterior es demasiado grande, la operatividad en el mantenimiento, tal como la operación de sustitución de la membrana, puede verse afectada negativamente. Si el diámetro exterior es demasiado pequeño, el área de la membrana por unidad de elemento de membrana se reduce y la cantidad de tratamiento disminuye y, por lo tanto, esto no se prefiere en términos económicos.
La longitud del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es de 0,2 a 1,6 m. Si esta longitud es demasiado grande, la pérdida de presión en el flujo en el interior hueco de la membrana de fibra hueca es grande, y se puede deteriorar el rendimiento de la ósmosis directa. Si la longitud es demasiado pequeña, el área de la membrana por unidad de elemento de membrana se reduce y la cantidad de tratamiento disminuye y, por lo tanto, esto no se prefiere en términos económicos.
La densidad de empaquetamiento de las membranas de fibra hueca en el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es preferiblemente de un 40 a un 65%. Si la densidad de empaquetamiento es demasiado grande, el espacio vacío entre las membranas de fibra hueca es demasiado pequeño y es difícil que se produzca el efecto de la disposición en intersección. Si la densidad de empaquetamiento es demasiado pequeña, el número de membranas de fibra hueca es pequeño y el área de la membrana es pequeña y, por lo tanto, la cantidad de tratamiento es pequeña. Esto es desfavorable en términos económicos. La densidad de empaquetamiento es un porcentaje del área total ocupada por el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca en relación con el área de la sección transversal del cuerpo arrollado en la sección transversal que es perpendicular al eje central del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada, y se puede calcular mediante la siguiente fórmula.
Densidad de empaquetamiento (%) = (diámetro exterior (m) de membrana de fibra hueca)2 x p/4 x número de membranas de fibra hueca/área de sección transversal (m2) del cuerpo arrollado x 100
El elemento de membrana de fibra hueca de la presente invención se caracteriza principalmente por que el número de espiras por longitud del elemento de las membranas de fibra hueca dispuestas en intersección es de 0,33 a 1,75 en la zona desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta de un octavo a tres cuartos del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada (parte de la capa externa). El número de espiras es preferiblemente de 0,5 a 1,5. El número de espiras utilizado en la presente memoria significa el número de espiras realizadas durante el desplazamiento desde un extremo hasta el otro extremo del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada para formar la disposición en intersección anteriormente mencionada. Cuanto mayor es el número de espiras, mayor es el número de partes en intersección entre las membranas de fibra hueca. Por ejemplo, cuando el número de espiras es 1,0, la posición axial de la parte en intersección es la parte central del cuerpo arrollado. Cuando el número de espiras es 1,5, se forman dos partes en intersección en la dirección axial, y cuando el número de espiras es 2,0, se forman tres partes en intersección en la dirección axial. El ángulo formado entre una membrana de fibra hueca y el eje central del cuerpo arrollado es pequeño en la capa interna del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada, y es mayor en una parte más cercana a la parte de la capa externa. El ángulo está determinado por la longitud y el diámetro exterior del cuerpo arrollado.
La zona de la parte de la capa externa donde el número de espiras es pequeño es más eficaz cuando está en el lado
exterior, donde la longitud de la membrana de fibra hueca es grande, y se establece como una parte al menos un octavo del grosor del cuerpo arrollado desde la capa más externa. Por ejemplo, cuando el diámetro del elemento es de aproximadamente 130 mm, el número de espiras se puede ajustar en un valor pequeño en la parte desde la capa más externa hasta aproximadamente un octavo del grosor del cuerpo arrollado. Por el contrario, en caso de un elemento con un diámetro relativamente grande, como un elemento que tiene un diámetro exterior de 420 mm, es preferible que el número de espiras sea pequeño en la parte desde la capa más externa hasta un cuarto, un tercio o como máximo tres cuartos del grosor del cuerpo arrollado. Por lo tanto, la forma en la que el número de espiras disminuye gradualmente hacia el exterior del cuerpo arrollado de tal manera que el número de espiras se establece en el intervalo de 0,33 a 0,75 en la parte desde la capa más externa hasta un cuarto del grosor del cuerpo arrollado, el número de espiras se establece en el intervalo de 0,75 a 1,25 en la parte de más de un cuarto a la mitad del grosor del cuerpo arrollado desde la capa más externa, y el número de espiras se establece en el intervalo de 1,25 a 1,75 en la parte de más de la mitad a tres cuartos del grosor del cuerpo arrollado desde la capa más externa, también está dentro del alcance de la presente invención. Aunque cuando la presente invención se aplica a un elemento de pequeño diámetro no surge ningún problema significativo, es preferible aplicar la presente invención a un elemento que tenga un diámetro mayor o igual que 130 mm, ya que el efecto de la presente invención aparece claramente.
En cambio, cuando la zona con un número bajo de espiras se extiende hasta la parte de la capa interna donde la longitud de la membrana de fibra hueca es pequeña, el efecto de reducción de la pérdida de presión es pequeño y la resistencia al ensuciamiento puede deteriorarse. Por lo tanto, es preferible que el número de espiras de la parte de la capa interna sea superior a 1,75.
Si bien el elemento de membrana de fibra hueca en el que las membranas de fibra hueca están dispuestas en intersección se ha propuesto convencionalmente para su uso en la ósmosis inversa, en cualquiera de las propuestas convencionales el número de espiras es mayor que el intervalo definido por la presente invención y, más concretamente, el número de espiras es 2. Cuando la disposición en intersección de la membrana de fibra hueca convencional en la que el número de espiras es 2 se emplea directamente en el elemento de membrana de fibra hueca para ósmosis directa de la presente invención, es imposible asegurar un caudal de permeación de agua suficiente, ya que la pérdida de presión en el flujo del fluido que fluye en el orificio es demasiado grande, aunque se puede lograr una alta resistencia al ensuciamiento. Esto se debe a que, como se desprende de la comparación entre la Figura 1 y la Figura 2, existe una diferencia de aproximadamente el doble en la longitud del flujo del fluido que fluye en el orificio de la membrana de fibra hueca entre la ósmosis inversa y la ósmosis directa, y la ósmosis directa está muy influenciada por la pérdida de presión en el flujo causada por el aumento del número de espiras. En particular, la influencia aumenta en la parte de la capa externa del elemento de membrana de fibra hueca, donde la longitud de la membrana de fibra hueca es grande. Por lo tanto, es necesario establecer un número de espiras en la parte de la capa externa tan pequeño que entre dentro del límite superior del intervalo de la presente invención arriba definido para que no haya una influencia grande por la pérdida de presión en el flujo. Por el contrario, cuando el número de espiras es pequeño, la resistencia al ensuciamiento se deteriora significativamente para el uso en la ósmosis inversa; sin embargo, en el uso en la ósmosis directa, el deterioro de la resistencia al ensuciamiento debido a la reducción del número de espiras es significativamente menor que en el uso en la ósmosis inversa. Esto se atribuye a la diferencia en la dirección de flujo del agua que ha permeado la membrana entre la ósmosis inversa y la ósmosis directa. Más concretamente, como se desprende de la Figura 1 y la Figura 2, en el caso de la ósmosis inversa, al someter a presión el agua de mar que fluye fuera de la membrana de fibra hueca, el agua dulce del agua de mar penetra en la membrana, por lo que es probable que los contaminantes sean capturados y depositados entre membranas de fibra hueca. Por el contrario, una característica de la ósmosis directa consiste en que es difícil que los contaminantes se depositen en la superficie de la membrana, ya que el agua dulce en el fluido que fluye en el orificio de la membrana de fibra hueca pasa a través de la membrana de fibra hueca, aunque el agua de mar fluye fuera de la membrana de fibra hueca de la misma manera. Se ha de señalar que se requiere que el número de espiras sea mayor o igual que el límite inferior del intervalo de la presente invención tal como se ha definido más arriba, ya que un número demasiado pequeño de espiras deteriora la resistencia al ensuciamiento incluso en el uso en la ósmosis directa.
La membrana de fibra hueca de la presente invención se puede producir, por ejemplo, de la manera descrita en la Publicación de Patente Japonesa n° 3591618, que incluye expulsar una solución formadora de membrana compuesta por triacetato de celulosa, etilenglicol (EG) y N-metil-2-pirrolidona (NMP) desde una boquilla de tripartición, lo que hace que la solución se sumerja en un coagulante líquido compuesto por agua/EG/NMP después de pasar a través de la parte de desplazamiento de aire para obtener una membrana de fibra hueca, lavar la membrana de fibra hueca con agua y realizar un tratamiento térmico para producir una membrana de fibra hueca de acetato de celulosa. También se puede producir una membrana de fibra hueca de poliamida purificando una poliamida copolimerizada obtenida por polimerización en solución a baja temperatura a partir de dicloruro de tereftaloílo, 4,4'-diaminodifenilsulfona y piperazina, disolviendo luego la poliamida copolimerizada purificada en una solución de dimetilacetamida que contiene CaCl2 y diglicerina para preparar una solución formadora de membrana, expulsando la solución formadora de membrana desde una boquilla de tripartición en un coagulante líquido a través de una parte de desplazamiento de aire, lavando la membrana de fibra hueca obtenida con agua y realizando un tratamiento térmico para producir una membrana de fibra hueca de poliamida.
La membrana de fibra hueca de la presente invención obtenida de la manera arriba descrita se incorpora en un elemento de membrana de fibra hueca mediante un método convencionalmente conocido. Para incorporar membranas de fibra hueca, por ejemplo tal como se describe en las Patentes Japonesas n° 4412486, 4277147, 3591618, 3008886,
etc., se recogen de 45 a 90 membranas de fibra hueca para obtener un conjunto de membranas de fibra hueca, una pluralidad de los conjuntos de membranas de fibra hueca se disponen lateralmente para obtener un haz plano de membranas de fibra hueca, y el haz resultante se arrolla sobre una tubería de distribución porosa que tiene muchos poros mientras es recorrida. Al ajustar la longitud y la velocidad de rotación de la tubería de distribución porosa, y la velocidad transversal del haz de membranas de fibra hueca en este momento, el haz se arrolla de modo que la parte en intersección está situada en una posición específica en la cara circunferencial del cuerpo arrollado. A continuación se pegan ambos extremos del cuerpo arrollado, luego se cortan los dos lados para formar partes abiertas de las membranas de fibra hueca, y así se fabrica el elemento de membrana de fibra hueca.
Uno o más elementos de membrana de fibra hueca para ósmosis directa de la presente invención fabricados de la manera arriba descrita pueden constituir un módulo de membrana de fibra hueca para ósmosis directa al cargarlos en un recipiente, en particular un recipiente a presión que tiene resistencia a la presión frente a la presión de operación. El módulo de membrana de fibra hueca para ósmosis directa tiene cuatro boquillas, tal como se muestra en la Figura 4. Dos de ellas son una boquilla de entrada y una boquilla de salida para una solución de alta concentración con alta presión osmótica, y la solución de alta concentración está en comunicación con el espacio que está en contacto líquido con el exterior de la membrana de fibra hueca, la boquilla de entrada está en comunicación con una entrada de la tubería de distribución porosa del elemento, y la boquilla de salida está en comunicación con el espacio que está en contacto líquido con la parte de la capa más externa del elemento de membrana de fibra hueca. En cambio, las dos boquillas restantes son una boquilla de entrada y una boquilla de salida de agua dulce de baja concentración que tiene baja presión osmótica, y están en comunicación con el espacio que está en contacto líquido con los extremos abiertos del orificio de la membrana de fibra hueca.
Sobre la base del resultado de los ejemplos que se describirán más adelante, en la Figura 7 se muestra un gráfico que indica la relación entre el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana y la resistencia a la suciedad (tasa de aumento de la presión diferencial). Como se desprende de este gráfico, se puede leer que el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana y la tasa de aumento de la presión diferencial aumentan exponencialmente a medida que el número de espiras de la parte de la capa externa se reduce con respecto al elemento de membrana convencional para OI (el número de espiras (NE) es 2). Por ejemplo, cuando se cambia el número de espiras de 2 a 1,5, el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana es aproximadamente 1,2 veces mayor que el primero, y cuando se cambia la cantidad de espiras a 0,5, el caudal de permeación de agua es aproximadamente tan alto como 1,7 veces el primero. Mientras tanto, la tasa de aumento de la presión diferencial tiende a aumentar rápidamente alrededor del punto en el que el número de espiras es menor que 1. Considerando la inclinación de la curva, es de esperar que la variación en el rendimiento entre los elementos de la membrana aumente cuando el número de espiras es demasiado pequeño. Por esta razón, en la presente invención, el número de espiras del elemento de membrana capaz de suprimir la tasa de aumento de la presión diferencial tanto como sea posible, mientras asegura un caudal de permeación de agua más alto, se establece en el intervalo de 0,33 a 1,75, preferiblemente en el intervalo de 0,5 a 1,5. Los propios valores numéricos del caudal de flujo de permeación de agua por elemento de membrana y la tasa de aumento de la presión diferencial no son particularmente significativos porque dependen del rendimiento de las membranas de fibra hueca.
Como parámetros que influyen en el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana y la tasa de aumento de la presión diferencial, también se examinaron las relaciones con el diámetro del elemento de membrana, la longitud del elemento de membrana y el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca. Los resultados se muestran en los gráficos de las Figuras 8 a 10. Aunque las variaciones en estos parámetros no influyen en la tasa de aumento de la presión diferencial, sí influyen en el caudal de permeación de agua por elemento de membrana. Por ejemplo, la Figura 8 ilustra la influencia por cambio del diámetro del elemento de membrana y, a medida que aumenta el diámetro del elemento de membrana, el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana disminuye gradualmente y finalmente casi se nivela. En otras palabras, es preferible un diámetro más pequeño del elemento de membrana porque aumenta el caudal de permeación de agua por elemento de membrana. Sin embargo, cuando el diámetro del elemento de membrana es pequeño, no se ejerce el efecto pretendido de la presente invención de reducir la pérdida de presión en el flujo del orificio de la membrana de fibra hueca y, por lo tanto, el diámetro del elemento de membrana es preferiblemente mayor o igual que 130 mm. Además, es preferible un diámetro mayor del elemento de membrana porque el efecto de la presente invención se vuelve dominante, sin embargo, desde el punto de vista de la facilidad de producción del elemento de membrana, sería de aproximadamente 420 mm a lo sumo.
La Figura 9 ilustra la influencia de la longitud del elemento de membrana. A medida que aumenta la longitud del elemento de membrana, el caudal de permeación de agua por volumen del elemento de membrana alcanza un pico en una longitud específica y, a medida que aumenta la longitud, el caudal de permeación de agua tiende a disminuir gradualmente. Aquí se puede comprobar que, como la longitud del elemento de membrana que expresa el rendimiento mejor que la del módulo de OI convencional (Ejemplo Comparativo 1), es preferible una longitud de aproximadamente 0,2 m a 1,6 m.
La Figura 10 ilustra la influencia del diámetro exterior de la membrana de fibra hueca. El caudal de permeación de agua aumenta a medida que aumenta el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca; sin embargo, el caudal de permeación de agua disminuye gradualmente a medida que el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca supera un valor específico. Esto se atribuye al hecho de que para un volumen fijo del elemento de membrana, el área de la membrana disminuye a medida que aumenta el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca. Al leer en la Figura
10 el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca en la que se ejerce el efecto de la presente invención, se puede observar que aquellas membranas de fibra hueca que tienen un diámetro exterior que varía de aproximadamente 160 pm a 270 pm expresan el rendimiento por encima del módulo de OI convencional (Ejemplo Comparativo 1).
El módulo de membrana de fibra hueca para ósmosis directa fabricado de esta manera puede producir un caudal de permeación de agua como un flujo osmótico a partir de la diferencia de presión osmótica producida por la diferencia en la concentración de sal del agua que fluye por fuera y por dentro (orificio) de la membrana de fibra hueca. Como resultado de ello, mediante la extracción de agua dulce de un líquido de alimentación de baja concentración o la extracción agua dulce, es posible concentrar el líquido de alimentación de baja concentración o recuperar la energía del flujo osmótico. Más concretamente, al poner una solución acuosa de alta presión osmótica (agua de mar) a alta presión y agua dulce de baja presión osmótica a baja presión en contacto entre sí a través de una membrana de ósmosis directa, el agua dulce a baja presión fluye hacia la solución acuosa de alta presión osmótica a alta presión a través de la membrana, y la solución acuosa a presión hace girar una turbina o similar, y de este modo se puede recuperar energía.
Ejemplos
Los valores característicos de los ejemplos se midieron de acuerdo con los siguientes métodos.
(1) Medición de diámetro interior, diámetro exterior y proporción de oquedad
El diámetro interior y el diámetro exterior de la membrana de fibra hueca se pueden obtener insertando varias membranas de fibra hueca en un orificio de f3 mm perforado en el centro de un portaobjetos de vidrio de tal manera que las membranas de fibra hueca no se deslicen a través del mismo, cortando las membranas de fibra hueca a lo largo de las superficies superior e inferior del portaobjetos de vidrio con una cuchilla para obtener una muestra de la sección transversal de la membrana de fibra hueca, y midiendo el eje corto y el eje largo de la sección transversal de la membrana de fibra hueca mediante el uso de un proyector Nikon PROFlLE PROJECTOR V-12. Para una sección transversal de la membrana de fibra hueca se midieron los ejes cortos y los ejes largos en dos direcciones, y los valores medios aritméticos de éstos se determinaron en cada caso como el eje corto y el eje largo de una sección transversal de la membrana de fibra hueca. Para cinco secciones transversales, la medición se llevó a cabo de la misma manera y los valores medios se tomaron como el diámetro interior y el diámetro exterior.
La proporción de oquedad se calculó mediante (diámetro interior/diámetro exterior)2 x 100
(2) Medición de la longitud del elemento
Se preparó un elemento de membrana de fibra hueca sellando ambos extremos de un cuerpo de membrana de fibra hueca arrollado con una resina y cortando parte de la resina para abrir ambos extremos de la membrana de fibra hueca. Se midió y determinó una distancia lineal paralela al eje central desde un extremo abierto al otro extremo abierto del elemento de membrana de fibra hueca.
(3) Medición del diámetro del elemento
Se midió el diámetro del extremo abierto formado mediante sellado del elemento de membrana de fibra hueca con una resina.
(4) Medición del área de la membrana por elemento
El área de la membrana se determinó a partir del diámetro exterior de la membrana de fibra hueca, el número de membranas de fibra hueca existentes en el elemento de membrana de fibra hueca y la longitud media efectiva de la membrana de fibra hueca.
Área de membrana (m2) = p x diámetro exterior (m) de membrana de fibra hueca x número de membranas de fibra hueca x longitud media efectiva (m) de membrana de fibra hueca
La longitud media efectiva de la membrana de fibra hueca se calculó de la siguiente manera.
Se midieron la distancia entre el interior de las resinas en los extremos del elemento, en concreto la longitud efectiva aparente (LE) de la membrana de fibra hueca, el diámetro exterior (DO) de la parte de cuerpo del elemento y el diámetro exterior (DI) de la tubería de distribución porosa, y estos valores medidos junto con el número de espiras (WD) se sustituyeron en la siguiente fórmula, y de este modo se puede calcular la longitud media efectiva.
LO2 = (LE)2 (p x DO x WD)2
LI2 = (LE)2 (p x DI x WD)2
Longitud media efectiva = ((LO2)05 (LI2)05)/2
(5) Medición del volumen del elemento
El volumen del elemento se determinó a partir del diámetro del elemento de membrana y la longitud del elemento de membrana.
Volumen del elemento (m3) = p x (diámetro exterior (m) del extremo del elemento)2/4 x longitud del elemento (m) (6) Medición del número de espiras
El número de espiras se determinó a partir del número de veces de espiras (número de veces de vueltas) con respecto al eje central de un extremo al otro extremo de la membrana de fibra hueca del cuerpo arrollado.
(7) Medición de la densidad de empaquetamiento
La densidad de empaquetamiento se determinó dividiendo el volumen total de las membranas de fibra hueca existentes en el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada (sobre la base del diámetro exterior de la membrana de fibra hueca) por el volumen del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada.
Densidad de empaquetamiento (%) = p x (diámetro exterior de membrana de fibra hueca)2/4 (m2) x longitud total de membrana de fibra hueca (m)/volumen de cuerpo de membrana fibra hueca arrollada (m3) x 100%
Volumen de cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada = p x (DO)2 x (LE) Longitud total de membrana de fibra hueca = longitud media efectiva x número de membranas de fibra hueca (8) Medición del caudal de permeación del agua
En un recipiente a presión se cargó un elemento de membrana de fibra hueca para fabricar un módulo de membrana de fibra hueca y, desde una de las boquillas que comunicaban con partes de aberturas respectivas de la membrana de fibra hueca, se suministró agua dulce con una concentración de cloruro de sodio de 0,2 g/l mediante una bomba de alimentación, y el agua dulce se descargó por la otra boquilla. Mientras tanto, una solución acuosa de alta concentración con una concentración de cloruro de sodio de 70 g/l se suministró a la tubería de distribución porosa que comunicaba con el exterior de la membrana de fibra hueca por medio de una bomba de alimentación, se hizo pasar a través del exterior de la membrana de fibra hueca, y luego se descargó desde la boquilla dispuesta en la superficie lateral del recipiente a presión que comunicaba con el exterior del conjunto de membranas de fibra hueca, y la presión y el caudal se ajustaron mediante la válvula de ajuste del caudal. Dejando que la presión de alimentación de la solución acuosa de alta concentración fuera PDS1 (MPa), que el caudal de alimentación fuera QDS1 (l/min), que la cantidad de descarga de la solución acuosa de alta concentración fuera QDS2 (l/min), que el caudal de alimentación de agua dulce fuera QFS1 (l/min), que el caudal de descarga de agua dulce fuera QFS2 (l/min) y que la presión de descarga de agua dulce fuera PFS2 (kPa), el incremento del caudal de la solución acuosa de alta concentración (QDS2 - QDS1) se midió en estas condiciones como el caudal de permeación de agua del módulo. La temperatura se ajustó a 25 °C.
PDS1 = 2,2 MPa
PFS2 = menor o igual que 10 kPa
QDS1/(QDS2 - QDS1) = 2
QFS2/QDS2 - QDS1) = 0,1
La presión de entrada de agua dulce se ajustó en 0,1 MPa y, cuando superaba 0,1 MPa, QFS1 se ajustaba de modo que fuera 0,1 MPa.
La tasa de aumento del caudal de permeación de agua sobre la base del caudal de permeación de agua del Ejemplo Comparativo 1 (módulo de OI de tipo convencional) se calculó para cada ejemplo de acuerdo con la siguiente fórmula.
Ejemplo) Tasa de aumento del caudal de permeación de agua (%) = (caudal de permeación de agua del Ejemplo 1 - caudal de permeación de agua del Ejemplo Comparativo 1)/caudal de permeación de agua del Ejemplo Comparativo 1 x 100
(9) Medición de la resistencia al ensuciamiento
Se llevó a cabo una operación continua en las mismas condiciones de operación que en la medición del caudal de permeación del agua, excepto que se usó agua de mar simulada altamente contaminada para medir la resistencia al ensuciamiento en lugar de la solución acuosa de alta concentración, y se midió el cambio en la presión diferencial (PDS1 - PDS2) entre la presión de alimentación (PDS1) y la presión de salida (PDS2) de la solución acuosa de alta concentración o similar. La relación entre la presión diferencial después de 100 horas y la presión diferencial en el caso de la solución acuosa de alta concentración se consideró como una tasa de aumento de la presión diferencial, y se midió el estado de contaminación del elemento de membrana de fibra hueca. La composición del agua de mar
simulada altamente contaminada era de 70 g/l de cloruro de sodio, 0,8 g/l de alginato de sodio, sílice coloidal (PL-7) 90 mg-SiO2/l, y 10 mg/l de cloruro de hierro (II) hexahidrato en agua de tratamiento con membrana de ósmosis inversa.
(Ejemplo 1)
Se obtuvo una solución madre formadora de membrana disolviendo un 41% en peso de triacetato de celulosa (CTA, DAICEL CHEMICAL INDUSTRIES, LTD., LT35), un 50% en peso de N-metil-2-pirrolidona (NMP, Mitsubishi Chemical Corporation), un 8,7 % en peso de etilenglicol (EG, Mitsubishi Chemical Corporation) y un 0,3% en peso de ácido benzoico (NACALAI TESQUE, INC.) uniformemente a 180 °C. La solución madre formadora de membrana obtenida se despumó a presión reducida, se expulsó a un espacio aislado del aire exterior a 163 °C desde una boquilla en forma de arco (tripartición), se retuvo en el aire durante 0,33 segundos y luego se sumergió en un baño de coagulación de NMP/EG/agua = 4,25/0,75/95 a 12 °C. Posteriormente, la membrana de fibra hueca se lavó en un método de lavado con agua de cubeta basculante de múltiples etapas y se sacudió en estado húmedo. La membrana de fibra hueca obtenida se sumergió en agua a 90 °C y se trató con agua caliente durante 20 minutos.
La membrana de fibra hueca obtenida tenía un diámetro interior de 85 gm y un diámetro exterior de 175 gm.
Las membranas de fibra hueca obtenidas se dispusieron en intersección alrededor de una tubería de distribución porosa para formar un conjunto de membranas de fibra hueca. Las membranas de fibra hueca se dispusieron en intersección mediante arrollamiento de las mismas alrededor de la tubería de distribución porosa recorriendo un haz de membranas de fibra hueca mientras la tubería de distribución porosa se giraba alrededor de su eje. Ambos extremos del conjunto de membranas de fibra hueca se fijaron mediante encapsulado con resina epoxi y luego se cortaron ambos extremos de las partes de resina para abrir los orificios de las membranas de fibra hueca, y de este modo se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca.
El elemento de membrana de fibra hueca obtenido tenía un número de espiras por longitud del elemento de 0,5 en la zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta tres cuartos del grosor del cuerpo arrollado (parte de la capa externa), y un número de espiras por longitud del elemento de 2,0 en la parte restante (parte de la capa interna), y tenía una longitud de aproximadamente 70 cm, un diámetro exterior de 130 mm, una densidad de empaquetamiento de membranas de fibra hueca de un 51% y un área de membrana de 67 m2. El elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo 2)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca usando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el número de espiras de la parte de la capa externa se cambió a 1,0. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo 3)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca utilizando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el número de espiras de la parte de la capa externa se cambió a 1,5. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo de Referencia 4)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca utilizando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el número de espiras por longitud del elemento en la parte de la capa externa (la zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un octavo del grosor del cuerpo arrollado) se cambió a 1,0, y el número de espiras en la parte restante (parte de la capa interna) se cambió a 2,0. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo 5)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca utilizando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el diámetro exterior del elemento se cambió a 420 mm, el número de espiras por longitud del elemento en la parte de la capa externa (la zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta tres cuartos del grosor del cuerpo arrollado) se cambió a 1,0, y el número de espiras en la parte restante (parte de la capa interna) se cambió a 2,0. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias
pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo Comparativo 1)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca utilizando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el número de espiras se cambió a 2,0 tanto en la parte de la capa interna como en la parte de la capa externa. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo Comparativo 2)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca utilizando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el número de espiras de la parte de la capa externa se cambió a 0,25. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo Comparativo 3)
Se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca utilizando membranas de fibra hueca similares a las del Ejemplo 1 de la misma manera que en el Ejemplo 1, excepto que el número de espiras en la parte de la capa externa (la zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta una décima parte del grosor del cuerpo arrollado) se cambió a 1,0, y el número de espiras en la parte restante (parte de la capa interna) se cambió a 2,0. Este elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo 6)
Después de purificar una poliamida copolimerizada obtenida a partir de dicloruro de tereftaloílo, un 70% en moles de 4,4'-diaminodifenilsulfona y un 30% en moles de piperazina mediante un método de polimerización en solución a baja temperatura, se disolvieron 36 partes en peso de la poliamida copolimerizada a 80 °C en una solución de dimetilacetamida que contenía 4 partes en peso (con respecto al polímero) de CaCl2 y 3,6 partes en peso (con respecto al polímero) de diglicerina, para preparar una solución formadora de membrana. Después de despumar la solución resultante, la solución se expulsó desde una boquilla de tripartición, se dejó desplazar en el aire y luego se sumergió en un coagulante líquido enfriado a una temperatura de 4 a 6 °C para obtener una membrana de fibra hueca. Después, la membrana de fibra hueca obtenida se lavó con agua y luego se calentó a una temperatura de 75 a 85 °C durante 30 minutos. La membrana de fibra hueca obtenida tenía un diámetro interior de 100 pm y un diámetro exterior de 200 pm.
Las membranas de fibra hueca obtenidas se dispusieron en intersección alrededor de una tubería de distribución porosa para formar un conjunto de membranas de fibra hueca. Las membranas de fibra hueca se dispusieron en intersección mediante arrollamiento de las mismas alrededor de la tubería de distribución porosa recorriendo un haz de membranas de fibra hueca mientras la tubería de distribución porosa se giraba alrededor de su eje. Ambos extremos del conjunto de membranas de fibra hueca se fijaron mediante encapsulado con resina epoxi y luego se cortaron ambos extremos de las partes de resina para abrir los orificios de las membranas de fibra hueca, y de este modo se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca.
El elemento de membrana de fibra hueca obtenido tenía un número de espiras de 1,0 en una parte de la capa externa (la zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta tres cuartos del grosor del cuerpo arrollado), un numero de espiras de 2,0 en la parte restante (parte de la capa interna), una longitud de aproximadamente 70 cm, un diámetro exterior de 130 mm, una densidad de empaquetamiento de membranas de fibra hueca de un 51% y un área de membrana de 58 m2. El elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
(Ejemplo 7)
Una poliariléter sulfona sulfonada (SPN-23) obtenida mediante copolimerización de un 11,5% en moles de sal disódica de 3,3'-disulfo-4,4'-diclorodifenilsulfona (S-DCDPS), un 38,5% en moles de 2,6-diclorobenzonitrilo (DCBN), y un 50% en moles de 4,4'-bifenol se secó preliminarmente a 110 °C durante 12 horas, se pesaron 80 partes en peso del mismo, y secuencialmente se agitaron 108 partes en peso de NMP y 12 partes en peso de EG y se disolvieron a 170 °C para obtener una solución formadora de membrana.
La solución formadora de membrana se mantuvo a 150 °C y se expulsó desde una boquilla de tubo en orificio con EG como líquido interno. La solución expulsada recorrió una longitud de espacio de aire de 20 mm y luego se sumergió en un baño de coagulación que contenía agua salada con una concentración de un 3,5% en peso. Posteriormente, la membrana de fibra hueca se lavó en un método de lavado con agua de cubeta basculante de múltiples etapas y se
sacudió en estado húmedo. La membrana de fibra hueca obtenida se sumergió en agua salada con una concentración de un 14,5% en peso y se recoció a 98 °C durante 20 minutos.
Las membranas de fibra hueca obtenidas se dispusieron en intersección alrededor de una tubería de distribución porosa para formar un conjunto de membranas de fibra hueca. Las membranas de fibra hueca se dispusieron en intersección mediante arrollamiento de las mismas alrededor de la tubería de distribución porosa recorriendo un haz de membranas de fibra hueca mientras la tubería de distribución porosa se giraba alrededor de su eje. Ambos extremos del conjunto de membranas de fibra hueca se fijaron mediante encapsulado con resina epoxi y luego se cortaron ambos extremos de las partes de resina para abrir los orificios de las membranas de fibra hueca, y de este modo se fabricó un elemento de membrana de fibra hueca.
El elemento de membrana de fibra hueca obtenido tenía un número de espiras de 1,0 en una parte de la capa externa (zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta tres cuartos del grosor del cuerpo arrollado), un número de espiras de 2,0 en la parte restante (parte de la capa interna), una longitud de aproximadamente 70 cm, un diámetro exterior de 130 mm, una densidad de empaquetamiento de membranas de fibra hueca de un 51% y un área de membrana de 71 m2. El elemento de membrana de fibra hueca se cargó en un recipiente a presión para producir un módulo, y se llevaron a cabo varias pruebas. Los resultados se muestran en la Tabla 1 junto con los detalles de la membrana de fibra hueca y el elemento.
Como se desprende de la Tabla 1, los elementos de membrana de fibra hueca en los Ejemplos 1 a 3 y 5 a 7 satisfacen tanto el alto caudal de permeación de agua (alto caudal de permeación de agua por volumen) como la resistencia al ensuciamiento (baja tasa de aumento de la presión diferencial del módulo). Por el contrario, el Ejemplo Comparativo 1 está influenciado por la pérdida de presión debida a la gran longitud de la membrana de fibra hueca de la parte de la capa externa, y muestra un bajo caudal de permeación de agua aunque presenta una excelente resistencia al ensuciamiento. El Ejemplo Comparativo 2 es problemático en la práctica, ya que la resistencia al ensuciamiento es baja aunque el caudal de permeación del agua es alto. El Ejemplo Comparativo 3 no mostró efectos significativos tanto en términos de caudal de permeación de agua como de resistencia al ensuciamiento, porque el número de espiras se redujo solo en la zona que se extiende desde la capa más externa del cuerpo arrollado hasta no más de una décima parte del grosor del cuerpo arrollado.
Aplicabilidad industrial
El elemento de membrana de fibra hueca para ósmosis directa de la presente invención es muy útil para un tratamiento de agua para ósmosis directa y en el campo de la generación de energía mediante el uso de la diferencia de concentración como fuerza impulsora, ya que está diseñado para tener una estructura que tenga un alto rendimiento de permeabilidad al agua de la membrana y una excelente resistencia al ensuciamiento.
Claims (6)
1. Un elemento de membrana de fibra hueca para ósmosis directa que comprende una tubería de distribución porosa y un cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada que consiste en una membrana de fibra hueca abierta por ambos extremos dispuesta en intersección arrollando las membranas de fibra hueca alrededor de la tubería de distribución porosa de forma helicoidal, en donde
a) el número de espiras por longitud del elemento en una zona desde una capa más externa del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un octavo a tres cuartos del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es de 0,33 a 1,75;
b) el número de espiras por longitud del elemento en una zona desde una capa más interna del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada hasta un cuarto del grosor del cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada es mayor que 1,75, y el cuerpo de membrana de fibra hueca arrollada tiene una longitud de 0,2 a 1,6 m.
2. El elemento de membrana de fibra hueca según la reivindicación 1, en donde el elemento de membrana de fibra hueca tiene un diámetro exterior mayor o igual que 130 mm.
3. El elemento de membrana de fibra hueca según la reivindicación 1 o 2, en donde la membrana de fibra hueca está formada por al menos una resina seleccionada entre el grupo que consiste en una resina de acetato de celulosa, una resina de poliamida y una resina de polisulfona sulfonada.
4. El elemento de membrana de fibra hueca según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la membrana de fibra hueca tiene un diámetro exterior de 160 a 270 pm.
5. El elemento de membrana de fibra hueca según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el elemento de membrana de fibra hueca tiene un diámetro exterior de 130 a 420 mm.
6. Un módulo de membrana de fibra hueca que comprende un recipiente y al menos un elemento de membrana de fibra hueca según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 cargado en el recipiente.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013218311 | 2013-10-21 | ||
| PCT/JP2014/077910 WO2015060286A1 (ja) | 2013-10-21 | 2014-10-21 | 正浸透用中空糸膜エレメント及び膜モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2871870T3 true ES2871870T3 (es) | 2021-11-02 |
Family
ID=52992880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES14855020T Active ES2871870T3 (es) | 2013-10-21 | 2014-10-21 | Elemento de membrana de fibra hueca y módulo de membrana para ósmosis directa |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10029212B2 (es) |
| EP (1) | EP3061519B1 (es) |
| JP (1) | JP6222237B2 (es) |
| DK (1) | DK3061519T3 (es) |
| ES (1) | ES2871870T3 (es) |
| SA (1) | SA516370621B1 (es) |
| WO (1) | WO2015060286A1 (es) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101397296B1 (ko) * | 2013-12-27 | 2014-05-22 | 도레이케미칼 주식회사 | 정삼투용 또는 압력지연 삼투용 다공성 유출관 및 이를 포함하는 정삼투 또는 압력지연 삼투 모듈 |
| US10464021B2 (en) | 2015-08-31 | 2019-11-05 | Porifera, Inc. | Water purification systems and methods having pressurized draw stream |
| JP6972737B2 (ja) * | 2017-07-28 | 2021-11-24 | 東洋紡株式会社 | 中空糸膜モジュール |
| CN112156658B (zh) * | 2020-10-13 | 2022-04-01 | 上海工程技术大学 | 一种中空纤维膜的制备装置 |
| CN112472361B (zh) * | 2020-12-02 | 2021-08-27 | 武汉杨森生物技术有限公司 | 一种抗弯折人工血管及其制备方法 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4994580A (es) * | 1973-01-17 | 1974-09-07 | ||
| JPS6012081B2 (ja) | 1976-09-17 | 1985-03-29 | 東洋紡績株式会社 | 中空糸組立体の製造法 |
| JPS5687405A (en) | 1979-12-14 | 1981-07-16 | Toyobo Co Ltd | Hollow yarn type reverse osmosis module |
| JPH022833A (ja) * | 1988-06-15 | 1990-01-08 | Toray Ind Inc | 流体分離装置 |
| NL1002397C2 (nl) * | 1996-02-20 | 1997-08-25 | Stork Friesland Bv | Membraanfiltratie-element. |
| JP3008886B2 (ja) | 1997-04-24 | 2000-02-14 | 東洋紡績株式会社 | 中空糸型選択透過膜モジュール |
| JP3591618B2 (ja) | 1997-06-05 | 2004-11-24 | 東洋紡績株式会社 | 中空糸型分離膜素子 |
| WO1999022850A1 (en) | 1997-11-04 | 1999-05-14 | Millipore Corporation | Membrane purification device |
| US6824679B1 (en) * | 1998-12-17 | 2004-11-30 | Millipore Corporation | Hollow fiber separation module and methods for manufacturing same |
| JP4277147B2 (ja) | 1999-10-15 | 2009-06-10 | 東洋紡績株式会社 | 中空糸膜モジュールおよびその製造方法 |
| JP2003290632A (ja) | 2002-04-03 | 2003-10-14 | Toyobo Co Ltd | 中空糸膜モジュール |
| US20060144777A1 (en) | 2003-02-03 | 2006-07-06 | Atsuo Kumano | Hollow fiber membrane module and module arrangement group thereof |
| JP5514909B2 (ja) | 2010-06-28 | 2014-06-04 | 協和機電工業株式会社 | 中空糸型正浸透膜 |
-
2014
- 2014-10-21 WO PCT/JP2014/077910 patent/WO2015060286A1/ja active Application Filing
- 2014-10-21 EP EP14855020.5A patent/EP3061519B1/en active Active
- 2014-10-21 US US14/914,566 patent/US10029212B2/en active Active
- 2014-10-21 JP JP2015543861A patent/JP6222237B2/ja active Active
- 2014-10-21 ES ES14855020T patent/ES2871870T3/es active Active
- 2014-10-21 DK DK14855020.5T patent/DK3061519T3/da active
-
2016
- 2016-02-25 SA SA516370621A patent/SA516370621B1/ar unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20160207000A1 (en) | 2016-07-21 |
| SA516370621B1 (ar) | 2017-05-23 |
| EP3061519A1 (en) | 2016-08-31 |
| WO2015060286A1 (ja) | 2015-04-30 |
| JPWO2015060286A1 (ja) | 2017-03-09 |
| US10029212B2 (en) | 2018-07-24 |
| EP3061519A4 (en) | 2017-06-14 |
| EP3061519B1 (en) | 2021-04-21 |
| JP6222237B2 (ja) | 2017-11-01 |
| DK3061519T3 (da) | 2021-07-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2871870T3 (es) | Elemento de membrana de fibra hueca y módulo de membrana para ósmosis directa | |
| ES2727636T3 (es) | Membranas mejoradas | |
| EP2813280A1 (en) | Hollow fiber semipermeable membrane, method for manufacturing same, module, and water treatment method | |
| JP5370871B2 (ja) | 中空糸型逆浸透膜 | |
| ES2808114T3 (es) | Proceso de fabricación de membranas | |
| ES2659558T3 (es) | Copolímeros en bloque | |
| JP2018528856A (ja) | 膜を製造するための方法 | |
| KR102567234B1 (ko) | 중공사막 엘리먼트, 중공사막 모듈 및 정침투수 처리 방법 | |
| JP6365542B2 (ja) | 正浸透用中空糸膜エレメント及び膜モジュール | |
| JP6558199B2 (ja) | 逆浸透水処理方法 | |
| JP6070260B2 (ja) | 中空糸型半透膜及びその製造方法及びモジュール | |
| ES2808665T3 (es) | Membrana semipermeable de triacetato de celulosa de tipo de fibra hueca, proceso para fabricar la misma, módulo y proceso de tratamiento de agua | |
| JP6922744B2 (ja) | 逆浸透用または正浸透用の中空糸型半透膜 | |
| ES2805500T3 (es) | Elemento de filtración | |
| ES2811675B2 (es) | Membrana de ósmosis inversa resistente a las incrustaciones, procedimiento de fabricación de la misma y módulo de ósmosis inversa resistente a las incrustaciones que la incluye | |
| WO2015125755A1 (ja) | 中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュール | |
| JP6743810B2 (ja) | 中空糸型半透膜、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法 | |
| JP6575249B2 (ja) | 人工透析液の製造方法および人工透析液製造システム | |
| JP2015226864A (ja) | 正浸透用中空糸膜モジュール | |
| JP6565688B2 (ja) | 中空糸型逆浸透膜エレメント及びモジュール |