ES2958665T3

ES2958665T3 - Método y aparato para la monitorización directa en tiempo real de superficie de membrana

Info

Publication number: ES2958665T3
Application number: ES18915842T
Authority: ES
Inventors: Anditya Rahardianto; Muhammad Bilal
Original assignee: Noria Water Technologies Inc
Current assignee: Noria Water Technologies Inc
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2024-02-13
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: EP3784367B1; JP2021513083A; CA3093678C; TWI708741B; US11826708B2; EP3784367C0; US20210213391A1; CN112105444A; CN112105444B; US10960357B2; WO2019209239A1; IL275033A; TW201943651A; CA3093678A1; US20200353421A1; IL275033B; SG11202003834RA; EP3784367A4; EP3784367A1; JP6865332B1

Abstract

Un sistema de monitoreo de la superficie de la membrana (MSM) y una celda de monitoreo de la superficie de la membrana para la detección directa e inequívoca de incrustaciones de minerales y de incrustaciones en la superficie de la membrana. El sistema incluye una celda del sistema de monitoreo de la superficie de la membrana, una válvula de control, un medidor/transmisor de flujo de retenido y un controlador. La celda MSM tiene una membrana visualmente observable, una guía de luz iluminada en los bordes, una fuente de luz de iluminación de los bordes, un módulo de retenido y un módulo de permeado. Se alimenta una corriente de entrada presurizada a la celda MSM. La alimentación entra en contacto con una lámina de membrana, lo que lleva a una operación de separación basada en membrana para producir corrientes de retenido y permeado. La celda MSM integra componentes de imágenes y iluminación de la superficie para permitir la visualización directa en tiempo real y la obtención de imágenes espectrales de la superficie de la membrana en tiempo real. La presión en el lado de alimentación de las células MSM es aproximadamente la del elemento de membrana de la planta que se está monitoreando de modo que el sistema de control de la planta pueda ajustar las condiciones operativas de la planta. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y aparato para la monitorización directa en tiempo real de superficie de membrana

Campo de la divulgación

La presente invención se refiere a un sistema de monitorización de superficie de membrana (MSM), y más específicamente a un sistema MSM para la detección directa de incrustaciones de minerales y de contaminaciones en la superficie de la membrana.

Antecedentes de la invención

La tecnología de membranas se utiliza para la filtración de diversos líquidos. Esta tecnología es particularmente útil para el tratamiento de agua y aguas residuales y la desalinización de agua, ya que es fácil de operar, requiere un uso mínimo de productos químicos, y produce una calidad de agua consistente y confiable.

Algunos métodos de filtración incluyen el uso de ósmosis inversa (RO) y nanofiltración (NF), los cuales pueden desalinizar el agua mediante el uso de una membrana. Sin embargo, el uso de membranas está limitado por la formación de incrustaciones minerales en la superficie de la membrana debido a la precipitación de sales escasamente solubles en agua, así como por la contaminación por partículas, materia coloidal, y bio-contaminantes.

Un problema en los sistemas y métodos de filtración es que a medida que aumenta la recuperación de agua del producto a lo largo de los módulos de membrana, las concentraciones minerales de sales minerales aumentan cerca de la superficie de la membrana y en masa en el lado de alimentación de los canales de la membrana. El aumento de concentración puede aumentar a niveles que exceden los límites de solubilidad de las sales minerales que están presentes en el agua de alimentación y, en consecuencia, precipitar en masa y depositarse sobre la superficie de la membrana, y/o cristalizarse directamente sobre la superficie de la membrana.

La incrustación de la superficie mineral da como resultado una disminución del flujo de permeado, lo cual en última instancia puede provocar daños en la membrana y, por lo tanto, disminuir la longevidad de la membrana y aumentar los costes de tratamiento del agua. La contaminación de la membrana debido a material particular, orgánico y biocontaminantes (por ejemplo, bacterias) también bloquea la superficie de la membrana y, por lo tanto, reduce el rendimiento de la membrana. La incrustación y la contaminación de minerales de la membrana conducen a una reducción del flujo (para una presión aplicada determinada) o exigen una mayor presión aplicada (para un flujo de permeado determinado) y, por lo tanto, resultan en mayores costes operativos (por ejemplo, energía y tratamiento químico) y de mantenimiento.

Ha habido diversos intentos de combatir la contaminación y la incrustación de las membranas. Por ejemplo, en el caso de incrustaciones minerales, se utilizan antiincrustantes para retardar la nucleación y el crecimiento de las sales minerales con aditivos adicionales para promover suspensiones de precipitado mineral en la solución en masa. Lo anterior se utiliza comúnmente para reducir las incrustaciones debidas a incrustaciones minerales asociadas, por ejemplo, con sulfato de calcio dihidrato (es decir, yeso), carbonato de calcio, y sílice, los cuales son tres de los sellantes minerales problemáticos comunes que ocurren con el con el uso de medios y métodos de desalinización de agua con base en membranas. Se pueden utilizar antiincrustantes para suprimir las incrustaciones minerales siempre que los niveles de saturación de sales minerales en la superficie de la membrana no excedan los niveles recomendados. Cabe señalar que la recuperación de agua del producto puede verse limitada incluso con el uso de antiincrustantes. Además, establecer la dosis precisa de antiincrustante puede ser un desafío, particularmente cuando existe variabilidad en la calidad del suministro de agua y la productividad del agua requerida. Del mismo modo, la contaminación de la membrana se ve afectada por la calidad de la alimentación del agua cruda y el pretratamiento de la alimentación utilizado para acondicionar el agua de alimentación cruda antes del tratamiento/desalinización del agua con base en membranas.

Para mitigar o prevenir eficazmente las incrustaciones minerales en membranas NF/RO, la detección temprana de incrustaciones es fundamental con el fin de desencadenar las acciones correctivas adecuadas. La mitigación puede incluir, entre otros, ajustes del caudal y la presión de alimentación, recuperación de agua del producto de planta, dosis de antiincrustante, y limpieza de membranas.

Se han propuesto diversos enfoques para la detección en tiempo real de incrustaciones minerales y contaminación de membranas de RO. La mayoría de los enfoques propuestos se basaron en medidas agregadas e indirectas de contaminación de la membrana, tal como la disminución del flujo de permeado (para operación con presión transmembrana constante) o el aumento de la presión transmembrana (TMP) (para operación con flujo de permeado constante). Por lo general, estos métodos no proporcionan una detección temprana adecuada de incrustaciones e contaminantes, y no se pueden utilizar para determinar el tipo de incrustaciones/contaminantes que se producen. Otros sistemas y métodos intentados que proporcionan detección indirecta de incrustaciones minerales y contaminación han utilizado reflectometría ultrasónica en el dominio del tiempo (UTDR) y espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS). Las señales UTDR y EIS se pueden correlacionar con la masa o el espesor de la capa de sellante. Sin embargo, estos sistemas y métodos no han abordado suficientemente las necesidades de la industria debido a la falta de sensibilidad de los enfoques anteriores para la detección temprana porque normalmente requieren una alta carga superficial de incrustaciones o depósitos de contaminantes antes de que se pueda realizar una detección afirmativa de incrustaciones. Los enfoques anteriores tampoco proporcionan una identificación directa del tipo de incrustaciones o contaminantes en la superficie de la membrana ni imágenes de la superficie de la membrana, ya sea en una celda de membrana ex situ o directamente en elementos de la planta de RO.

Se han propuesto métodos para obtener imágenes de las superficies de las membranas mediante los cuales la fuente de luz se dirige perpendicular a la superficie de la membrana para el tratamiento del agua de la membrana a baja presión (por ejemplo, micro y ultrafiltración) y donde se introduce un tinte químico que interactúa con las bacterias depositadas en la superficie para proporcionar contraste visible o suficiente visibilidad de la superficie bacteriana. Sin embargo, estos últimos enfoques no son adecuados para obtener imágenes de la superficie de la membrana cuando la corriente de fluido está a alta presión. Además, estos métodos de obtención de imágenes de la superficie de la membrana no son prácticos para la monitorización en tiempo real dada la necesidad de inyección de tinte para proporcionar contraste óptico.

Un intento de cuantificar la formación de cristales de sal mineral en una membrana de RO se describe en la Patente de Estados Unidos número 7,910,004 de Cohen y Uchymiak, titulada “Método y sistema para monitorizar membranas de ósmosis inversa”, divulga una celda de flujo de ósmosis inversa (RO) que recibe una corriente de deslizamiento de la unidad de RO (planta). La celda utiliza una fuente de luz dirigida (a partir de fuera del canal de la membrana) perpendicular a la dirección del flujo. La luz se dirige a espejos (en un ángulo de aproximadamente 45 grados) colocados a lo largo de las esquinas del canal de flujo, los cuales luego reflejan la luz incidente a través de la superficie de la membrana.

Este intento de solución no ha abordado completamente las necesidades de la industria, debido a su torpeza y fragilidad. Por ejemplo, una desventaja de los sistemas convencionales que utilizan espejos reflectantes es la dificultad técnica para producir espejos de 45 grados que tengan un espesor del orden de 1 mm o menos. Por lo tanto, el uso de espejos no es práctico al crear canales que imitan los que se encuentran en elementos RO/NF enrollados en espiral comerciales, ya que la altura del canal en dichos elementos suele ser inferior a 1 mm. El enfoque de control de flujo en los sistemas convencionales es aquel en el cual se utilizan válvulas ajustables en la entrada y salida del canal de flujo para controlar el caudal de alimentación (y por lo tanto la velocidad del flujo transversal) y la presión del lado de alimentación. Los sistemas convencionales requieren el ajuste simultáneo de ambas válvulas con el fin de lograr el control de presión y flujo. Otra limitación en las soluciones intentadas es la necesidad de una ventana óptica con múltiples componentes necesarios para asegurar la ventana óptica al resto de la celda, e impedir fugas. Independientemente de lo anterior, crear una celda de altura inferior a 1 mm sería inviable debido al uso de espejos integrados en celdas en los sistemas convencionales. Otra deficiencia más de los sistemas convencionales es que el reemplazo de la membrana requiere el desmantelamiento de múltiples componentes y el reposicionamiento de la fuente de luz después del reemplazo de la membrana, y un canal retenido creado por una lámina de caucho que puede deformarse con el envejecimiento debido a los cambios de temperatura con el tiempo y la compresión prolongada.

Debido al menos a las deficiencias descritas anteriormente en los sistemas, celdas, y métodos de monitorización de membranas actuales, sigue existiendo una necesidad continua de sistemas, celdas, y métodos de monitorización de membranas mejorados.

Breve resumen de la presente invención

La presente invención es un sistema de monitorización de la superficie de la membrana para la detección directa e inequívoca de incrustaciones de minerales y de contaminantes en la superficie de la membrana en condiciones operativas que se extienden a las altas presiones en las plantas de desalinización. El sistema se puede utilizar para monitorizar cualquier elemento de membrana en una planta de tratamiento de agua y desalinización de membrana. El sistema proporciona imágenes de la superficie en tiempo real y datos espectrales de reflectancia de la superficie de la membrana utilizando una fuente de luz visible, UV o IR. Las imágenes de la superficie y los datos espectrales se pueden analizar en tiempo real para proporcionar un rango de métricas cuantitativas con respecto a la evolución de la cobertura de incrustaciones/contaminantes en la superficie de la membrana, además de la identificación de la clase de incrustaciones y contaminantes, y el establecimiento de diferencias en la incrustación/contaminante durante el período de operación en el período operacional de la planta de membranas. La salida cuantitativa de señales digitales o analógicas relacionadas con las métricas de incrustaciones/minerales se puede utilizar para guiar al operador de la planta en el establecimiento de las estrategias apropiadas para mitigar la incrustación/contaminantes de la membrana.

Por ejemplo, la detección temprana de incrustaciones/contaminantes se puede utilizar para enviar una señal a un sistema de control de la planta (o advertir a los operadores de la planta) para activar acciones de mitigación de incrustaciones tales como lavado con agua dulce, limpieza de membranas con soluciones de limpieza adecuadas, ajuste de presión de operación de la planta, caudal de alimentación con o sin ajuste de recuperación de agua del producto, retro-lavado osmótico de los elementos de membrana, además de activar el funcionamiento de la planta en el modo de inversión del flujo de alimentación. El sistema está completamente automatizado y puede funcionar como monitor de planta o en modo autónomo para tareas de diagnóstico (por ejemplo, caracterización de membranas y evaluación de la eficacia de las condiciones operativas, antiincrustantes y productos químicos de limpieza de membranas). La presente invención ofrece un enfoque superior para la monitorización de la superficie de la membrana en tiempo real que genera métricas cuantitativas del tipo y la gravedad de las incrustaciones/contaminantes minerales para el control de retroalimentación de la planta para permitir una monitorización informativa de la planta de membrana y un control sólido.

La presente invención utiliza ventajosamente una guía de luz con borde iluminado y una fuente de luz con borde iluminado, en lugar de espejos, para dirigir la luz paralela a la membrana, de modo que la luz parásita de la fuente de luz se reduce con el fin de mejorar la calidad de la imagen capturada por el dispositivo de captura de imágenes. Al utilizar una guía de luz con borde iluminado y una fuente de luz iluminada en lugar de espejos, se obtienen numerosas ventajas, tales como minimizar la variación celular a lo largo del tiempo, y un análisis de datos visuales y espectrales más precisos de la superficie de la membrana.

En un aspecto de la invención hay una celda de monitorización de la superficie de la membrana para usar en la monitorización de incrustaciones de membrana, contaminantes de partículas y bio-contaminantes que está configurada para recibir una corriente de alimentación y descargar una corriente de concentrado. La celda de monitorización de la superficie de la membrana tiene una membrana visualmente observable que tiene una primera superficie en un lado de alimentación activo. La celda de monitorización de la superficie de la membrana también tiene una guía de luz con borde iluminado que tiene una abertura que forma un canal de retenido operable para aislar el fluido presurizado en el canal de retenido, estando la membrana visualmente observable colocada adyacente a la guía de luz con borde iluminado y posicionada para superponerse a la abertura. La guía de luz con borde iluminado está compuesta de un material transparente o translúcido para iluminar la primera superficie de la membrana visualmente observable, lo cual permite a un observador ver incrustaciones, partículas, y bio-contaminantes en la primera superficie de la membrana visualmente observable. La celda de monitorización de la superficie de la membrana también tiene una fuente de luz con borde iluminado fijada a la guía de luz con borde iluminado, y la fuente de luz con borde iluminado es operable para iluminar la guía de luz con borde iluminado, proporcionando así una iluminación sustancialmente paralela a la membrana visualmente observable. La celda de monitorización de la superficie de la membrana también incluye un módulo de retenido, el cual tiene un bloque de soporte del módulo de retenido, una ventana óptica dentro del bloque del módulo de retenido, la ventana óptica para ver la membrana visualmente observable, un conducto de entrada para una corriente de entrada de alimentación hacia la celda de monitorización de la superficie de la membrana, y un conducto de salida para la salida de una corriente de concentrado líquido. La celda de monitorización de la superficie de la membrana también incluye un módulo de permeado, el cual tiene un bloque de soporte del módulo de permeado, un colector de permeado para recibir el permeado que ha pasado a través de la abertura de la guía de luz con borde iluminado y la membrana visualmente observable, y un conducto de salida de permeado para canalizar el permeado lejos del módulo de permeado. En su configuración operativa, la guía de luz con borde iluminado está situada entre el módulo de retenido y el módulo de permeado.

En otro aspecto de la invención hay un sistema de monitorización de membrana para monitorizar incrustaciones, contaminantes particulados, y bio-contaminantes en una unidad de filtración. La unidad incluye la celda de monitorización de la superficie de la membrana descrita anteriormente y en la descripción detallada de las realizaciones, y también incluye un sistema de imágenes configurado y ubicado con relación al sistema de monitorización para que sea operable para capturar una imagen de la superficie de la membrana visualmente observable y crear una señal de datos de imagen indicativa de la imagen capturada. El sistema también incluye un sistema de procesamiento de datos vinculado operativamente al sistema de imágenes para recibir la señal de datos de imágenes del mismo. El sistema de procesamiento de datos es operable para analizar los datos de la imagen y la señal espectral de reflectancia para proporcionar una indicación de la extensión de al menos una de incrustaciones, contaminantes particulados y bio-contaminantes, en la membrana visualmente observable. El sistema también incluye un controlador operable para controlar la iluminación, la captura de imágenes, la gestión de datos de imágenes, el análisis de imágenes, la adquisición de datos espectrales y la comunicación de datos externos, el caudal de entrada, y la presión sobre la alimentación activa para que sea aproximadamente la de un elemento de planta de membrana o un segmento de la planta que se está monitorizando.

En otro aspecto más de la invención, la invención incluye un método para monitorizar la incrustación y la contaminación de la membrana, el método incluye etapas de proporcionar una celda de monitorización de la superficie de la membrana como se describió anteriormente y en la descripción detallada de las realizaciones, hacer pasar una corriente de entrada a través de la primera superficie de la membrana visualmente observable y recogiendo imágenes y datos espectrales de una porción iluminada de la primera superficie de la membrana visualmente observable. Los datos recopilados indican la presencia y el grado de incrustaciones y contaminantes en la primera superficie de la membrana visualmente observable. Los datos recopilados transmiten la imagen recopilada y los datos espectrales a un sistema de procesamiento de datos. Los datos recopilados se interpretan con el sistema de procesamiento de datos para determinar el alcance y la naturaleza de las incrustaciones y los contaminantes en la membrana visualmente observable los cuales se correlacionan con las incrustaciones y los contaminantes de la membrana de la unidad de filtración.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista diagramática de un esquema del proceso de un sistema de monitorización de la superficie de una membrana;

la Figura 2a es una vista diagramática de una realización de un sistema de monitorización de la superficie implementado en la alimentación de alta presión de una planta de membranas;

la Figura 2b es una vista esquemática de una realización de un sistema de monitorización de la superficie implementado en una planta de membranas de concentrado de alta presión;

la Figura 2c es una vista esquemática de una realización de un despliegue de sistema de monitorización de la superficie en funcionamiento autónomo;

la Figura 3a es una realización de un sistema de monitorización de la superficie de la membrana integrado en una corriente de ósmosis inversa;

la Figura 4a es una vista en perspectiva de una celda de monitorización de la superficie de la membrana;

la Figura 4b es una vista en sección transversal en el plano x-z de la celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Figura 4a;

la Figura 4c es una vista en sección transversal en el plano y-z de la celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Figura 4a;

la Figura 5 es una realización de una guía de luz con borde iluminado;

la Figura 6 es una vista semi-esquemática de una celda de monitorización de la superficie de la membrana que muestra la dirección de la luz a través de la membrana de la celda;

la Figura 7a es una vista en sección transversal en despiece a lo largo del plano y-z de la celda de monitorización de la superficie de la membrana.

la Figura 7b es una vista en sección transversal en despiece a lo largo del plano x-z de la celda de monitorización de la superficie de la membrana.

la Figura 8 es un diagrama de bloques que ilustra las etapas de imagen y análisis espectral de la superficie de la membrana en una realización de la invención;

la Figura 9 es una vista en despiece de una celda de monitorización del sistema de membrana, que muestra la celda intercalada entre abrazaderas para asegurar la celda de monitorización del sistema de membrana entre sí.

Descripción detallada de realizaciones

La invención se describirá ahora más completamente a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en donde se muestran realizaciones de la invención. Sin embargo, esta invención puede realizarse de diversas formas diferentes y no debe considerarse limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento. Más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta divulgación sea minuciosa y completa, y transmita completamente el alcance definido por las reivindicaciones a los expertos en la técnica.

Se entenderá que cuando se hace referencia a un elemento como “sobre” otro elemento, puede estar directamente sobre el otro elemento o pueden estar presentes elementos intermedios entre ellos. Tal como se utiliza en el presente documento, el término “y/o” incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o más de los elementos enumerados asociados.

Se entenderá que, aunque los términos primero, segundo, tercero, etc. pueden usarse en el presente documento para describir diversos elementos, componentes, regiones, capas, y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas, y/o secciones no deben estar limitadas por estos términos. Estos términos solo se utilizan para distinguir un elemento, componente, región, capa, y/o sección de otro elemento, componente, región, capa, y/o sección.

Se entenderá que los elementos, componentes, regiones, capas y secciones representadas en las figuras no están necesariamente dibujados a escala.

La terminología utilizada en el presente documento tiene el propósito de describir realizaciones particulares únicamente y no pretende ser limitante de la invención. Tal como se utilizan en el presente documento, las formas singulares “un”, “una” y “el” pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá además que los términos “comprende” y/o “que comprende”, o “incluye” y/o “que incluye” cuando se usan en esta especificación, especifican la presencia de características, regiones, números enteros, etapas, operaciones, elementos, y/o componentes, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, regiones, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes, y/o grupos de los mismos.

Además, los términos relativos, tales como “inferior” o “abajo”, “superior” o “arriba”, “ izquierda” o “derecha”, “arriba” o “abajo”, “delantero” o “posterior”, Puede usarse en el presente documento para describir la relación de un elemento con otro elemento como se ilustra en las Figuras. Se entenderá que los términos relativos pretenden abarcar diferentes orientaciones del dispositivo además de la orientación representada en las Figuras.

A menos que se defina lo contrario, todos los términos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que entiende comúnmente un experto en la técnica a la cual pertenece esta invención. Se entenderá además que los términos, tales como los definidos en los diccionarios de uso común, deben interpretarse con un significado que sea consistente con su significado en el contexto de la técnica relevante y la presente divulgación, y no se interpretarán de una manera idealizada o sentido demasiado formal a menos que así se defina expresamente en el presente documento.

En el presente documento se describen realizaciones de ejemplo de la presente invención con referencia a realizaciones idealizadas de la presente invención. Como tal, son de esperar variaciones con respecto a las formas de las ilustraciones como resultado, por ejemplo, de técnicas de fabricación y/o tolerancias. Por lo tanto, las realizaciones de la presente invención no deben considerarse limitadas a las formas particulares de las regiones ilustradas en el presente documento, sino que deben incluir desviaciones en las formas que resultan, por ejemplo, de la fabricación. La invención que se describe en el presente documento de manera ilustrativa se puede practicar adecuadamente en ausencia de cualquier elemento que no se desvele específicamente en el presente documento.

Volviendo a las figuras, la Figura 1 representa un esquema de proceso de un sistema de monitorización de la superficie de la membrana (MSM) que permite la monitorización directa en tiempo real de la superficie de la membrana durante la filtración (microfiltración, ultrafiltración, y nanofiltración) u ósmosis inversa (RO). Como se representa en la Figura 1, el sistema MSM está compuesto por una celda 10 MSM, una válvula de control CV, un primer medidor/transmisor FT-1 de flujo de retenido, y un controlador 12. Una corriente 14 de entrada presurizada se alimenta a la celda MSM.

10. En la celda 10 MSM, la alimentación se pone en contacto con una lámina 16 de membrana, lo que conduce a una operación de separación con base en membrana (es decir, filtración tal como ultrafiltración, nanofiltración u ósmosis inversa) para producir corrientes de retenido y permeado. La celda 10 MSM integra iluminación 18 de superficie y componentes 20 de formación de imágenes (véanse las Figuras 4c y 6) para permitir la visualización directa en tiempo real de la superficie de la membrana 16 en tiempo real. Un controlador 12 de proceso controla las operaciones de obtención de imágenes e iluminación en la celda 10 MSM, incluyendo control de intensidad de iluminación, activación de captura de imágenes y datos espectrales, gestión de imágenes y datos espectrales, análisis de imágenes y espectros, y comunicación 100 de datos externos. Con el fin de regular el caudal de entrada a través de la celda 10 de monitorización de la superficie de la membrana y mantener la presión en una primera superficie de la membrana 17 (véanse las Figuras 4c, 6, y 7b) en el lado 22 de alimentación de la celda 10 de MSM para que sea aproximadamente la del elemento de planta de membrana o segmento de planta que se está monitorizando, se instala una válvula de control CV en la corriente de retenido que sale de la celda 10 de MSM. El controlador 12 de proceso proporciona entrada de control de retroalimentación al caudal de retenido y manipula el actuador CV de la válvula de control con base en el flujo medido en un primer medidor/transmisor de flujo de retenido FT-1, y valores de punto de ajuste del flujo de retenido. Se pueden instalar sensores opcionales en el sistema 6 de monitorización de la superficie de la membrana, incluido un primer sensor/transmisor PT-1 de presión en la alimentación, un primer medidor/transmisor CT-1 de conductividad en el flujo de retenido, un segundo medidor/transmisor CT-2 de conductividad a lo largo de la corriente de permeado, un primer sensor/transmisor (TT-1) de temperatura en la corriente de retenido, y un segundo medidor/transmisor FT-2 de flujo en la corriente de permeado. Estos sensores/transmisores opcionales son útiles para la caracterización en tiempo real de los niveles de polarización de la concentración y el rendimiento de la membrana (es decir, permeabilidad al agua, rechazo de sal) en la celda 10 de MSM.

El sistema 26 MSM se puede implementar de diversas maneras. Las Figuras 2a y 2b representan las implementaciones más comunes del sistema 26 MSM para monitorizar en tiempo real la contaminación y/o la incrustación de la membrana 16 en una planta de membranas que tiene una matriz de membrana de elementos 24 de membrana de planta. En cada realización, el sistema MSM 10 se alimenta con una corriente 30 lateral de alta presión (es decir, con caudales suficientemente pequeños para minimizar el impacto en las operaciones de la planta de membrana) a partir de la unidad 24 de filtración de la planta de membrana. Por ejemplo, para monitorizar la contaminación de la membrana en los elementos de membrana principales de la unidad 24 de filtración de planta de membrana, el sistema 26 MSM se alimenta con una pequeña corriente 30 lateral a partir de la alimentación SP1 de la planta de membrana de alta presión (véase la Figura 2a). Para monitorizar la contaminación de la membrana/incrustaciones minerales en los elementos de la membrana de cola de la planta 24 de membrana, el sistema 26 MSM se alimenta con una pequeña corriente 30 lateral del concentrado de la planta de membrana de alta presión (es decir, a partir del punto 2 SP2 de muestreo, véase la Figura 2b). En ambos casos, el sistema 26 MSM informa al sistema 28 de control de la planta sobre el estado de la planta 24 de membrana con respecto al inicio de la incrustación/contaminante mineral de la membrana 16. Esto permite que el sistema 28 de control de la planta ajuste apropiadamente las condiciones operativas de la planta (por ejemplo, a través de la bomba 32 de la planta y los ajustes de la válvula, ajuste de la dosis de los productos químicos de tratamiento) para impedir efectos paralizantes de condiciones prolongadas o incontroladas de incrustaciones/contaminantes minerales en la membrana 16.

Además de interconectar con la planta 24 de membrana como se representa en las Figuras 2a y 2b, el sistema 26 MSM también se puede configurar como un sistema independiente que funciona con una bomba 32 de alimentación externa, como se muestra en la Figura 2c. La configuración que se muestra en la Figura 2c se puede utilizar, por ejemplo, para evaluar la tendencia a contaminantes o incrustación mineral de una fuente de agua determinada, evaluar la eficacia de los métodos de mitigación de incrustación/contaminantes minerales (es decir, usar antiincrustante, ajuste del pH de la alimentación, etc.), evaluar la efectividad del pretratamiento de la alimentación, y evaluar el límite de recuperación de agua de la operación de la membrana (es decir, para impedir contaminantes/incrustaciones minerales).

Un aspecto importante de la presente invención es el enfoque de hacer coincidir la presión de la celda 10 de MSM para que sea lo más cercana posible a la de la sección 24 de la planta de membrana (por ejemplo, elementos de membrana de cola o de plomo, como en las Figuras 2a-b, ya sea en el extremo frontal del plan de membrana cerca del punto 1 de muestreo como en la Figura 2a, o cerca del punto 2 de muestreo como en la Figura 2b) que se está monitorizando, minimizando al mismo tiempo el impacto en la operación de la planta de membrana. Al hacer coincidir la presión, los niveles de polarización de concentración en la celda 10 MSM con respecto a los elementos de la membrana 24 de la planta que se están monitorizando pueden regularse mediante el caudal de retenido en la celda 10 MSM. En el caso especial en el cual la geometría del canal de flujo (es decir, el espesor del canal y el diseño del separador del canal) en la celda 10 de MSM es el mismo que el del elemento 24 de membrana en la planta, se puede igualar la velocidad promedio del flujo cruzado del retenido en la celda 10 de MSM con la de los elementos 24 de membrana de la planta que se están monitorizando con el fin de imitar fielmente las condiciones hidrodinámicas en la sección de la planta que se está monitorizando.

Como ilustración, se considera la implementación del sistema 26 MSM para monitorizar los elementos 24 de membrana de cola de una planta de ósmosis inversa (RO) como se representa en la Figura 3 (es decir, igual que la configuración en la Figura 2b). Para minimizar la caída de presión a través del sistema 26 MSM, no se utiliza un limitador de flujo (es decir, una válvula de control de flujo) en el conducto 102 de corriente lateral que alimenta la celda 10 MSM. Sin embargo, la corriente retenida del sistema 26 MSM está equipada con una válvula 104 de control de flujo de corriente retenida con el fin de mantener la presión deseada y regular el caudal hacia la celda 10 MSM. Un primer medidor/transmisor de flujo también está conectado a la corriente 108 de salida, y está conectado operativamente a través de líneas 106 de señal al controlador 12. También es imperativo que el caudal a través del conducto 102 de corriente lateral sea significativamente menor que el caudal total en el conducto de concentrado (o retenido) de la planta de membrana 36 de tal modo que la válvula 38 principal de la planta de membrana pueda funcionar con una perturbación mínima del sistema 26 MSM. El flujo de salida del MSM 26 no regresa a la corriente de concentrado C, sino que se dispone en un drenaje 34 o se dirige a la ubicación apropiada en la planta, de acuerdo como se desee. Por el contrario, diversos sistemas actuales requieren una válvula en el conducto de corriente lateral, la cual se utiliza junto con la válvula principal de la planta de RO de membrana y la válvula de retenido del sistema de monitorización para regular el nivel de polarización de la concentración en la celda de monitorización. Debido a que se utiliza una válvula de conducto lateral, esto puede conducir a una despresurización parcial, lo que requiere un ajuste del flujo de retenido en la celda de monitorización para mantener el nivel de polarización de concentración deseado. La presente invención es ventajosa debido a los beneficios de hacer coincidir la presión de la celda 10 de monitorización con la de la planta 24. Además, la presente invención también es ventajosa porque puede utilizar un flujo bajo en el conducto 102 de corriente lateral para minimizar el impacto en la operación de la planta 24. Cabe señalar, sin pérdida de generalidad, que la presente invención es aplicable a la monitorización no solo de plantas de RO sino también de plantas de nanofiltración (NF), ultrafiltración, y microfiltración.

Celda de monitorización de la superficie de la membrana (MSM)

Un componente central de la presente invención es la celda 10 de monitorización de la superficie de la membrana (MSM), la cual contiene diversas características ventajosas que no están presentes en los sistemas actuales de monitorización de la superficie de la membrana. Las características en las presentes realizaciones incluyen la capacidad de utilizar separadores 40 de canal de alimentación en el canal 42 de retenido para imitar estrechamente la geometría del canal de retenido y las condiciones de flujo en elementos de membrana enrollados en espiral típicos en un sistema 24 de membrana de planta. En la presente invención, la celda 10 de MSM combina cuatro módulos principales como un sistema totalmente integrado (Figuras 4a-c): a) módulo 44 de visión de superficie, b) módulo 46 de retenido, c) un módulo 48 de permeado, y d) un borde iluminado/fuente 50 de luz. Como se muestra en la Figura 4a, el fluido de alimentación ingresa al conducto 5 de entrada en el módulo 46 de retenido. El fluido se dirige al canal 42 de retenido en el módulo 46 de retenido, y se pone en contacto con una membrana 16 en el módulo 48 de permeado. El fluido que se rechazado por la membrana 16 sale del módulo 46 de retenido a través del conducto 54 de salida de retenido. El fluido pasa a través de la membrana 16 a partir de la primera superficie 17 en el lado activo 22 a la segunda superficie 19 de la membrana en el lado 23 de retenido de la celda. El fluido se recoge en la sección 56 de recogida de permeado del módulo 48 de permeado y sale de la celda 10 a través del conducto 58 de salida de permeado. En el módulo 46 de retenido, una única guía 60 de luz transparente con borde iluminado sirve para formar la estructura 60 del canal de retenido y permitir la iluminación lateral paralela a la superficie de la membrana 16 usando un borde iluminado/fuente 50 de luz fijada a un borde 61 lateral de la guía 60 de luz con borde iluminado. Debido a que la estructura 60 de canal retenido se puede hacer para que sea de esencialmente cualquier espesor, se puede personalizar para que coincida con el espesor de los separadores 40 de alimentación comúnmente utilizados en elementos de membrana enrollados en espiral. Los separadores de alimentación típicos pueden estar en el intervalo de aproximadamente 20-100 mils (aproximadamente 0.5 mm a 2.5 mm), y preferiblemente entre aproximadamente 20-40 mils (aproximadamente 0.5 mm a 1 mm). Como tal, el uso de una estructura 60 de canal de retenido separada proporciona flexibilidad para usar (o no usar, es decir, canal vacío) un separador 40 de alimentación en el canal de retenido. Una sección transparente o ventana 64 óptica en el módulo 46 de retenido permite la visualización directa a través del canal 42 de retenido hasta la superficie de la membrana 16 a través de una unidad 64 de lente de cámara en el módulo 44 de visión de superficie que tiene tanto una cámara 80 como una lente 82. La cámara puede ser de tipos de cámaras utilizadas normalmente para capturar imágenes, y en una realización preferida es un CCD, pero puede usar otra tecnología tal como, entre otras, CMOS. En principio, se puede utilizar cualquier fuente 62 de luz de intensidad suficiente para la iluminación del borde, a partir de LED de luz visible hasta LEDs de diversas longitudes de onda (por ejemplo, ultravioleta, infrarroja). Puede utilizarse cualquier unidad 66 de lente de cámara, a partir de la obtención de imágenes macro, la microscopía óptica de gran aumento, hasta la obtención de imágenes espectroscópicas (por ejemplo, ultravioleta, visible, infrarroja). Diversas fuentes de luz y unidades de lentes de cámara que pueden usarse en la presente invención son bien conocidas y comprendidas por aquellos con experiencia ordinaria en la técnica.

Iluminación de superficie

El principio fundamental para la obtención de imágenes de superficie mejoradas en la presente invención se basa en una iluminación especializada que dirige una trayectoria de luz para que esté justo por encima de la superficie de la membrana 16 pero en una orientación paralela o casi (es decir, en un ángulo bajo). Usando este enfoque, cualquier objeto 85 que se forme en la superficie de la membrana 16 sobresale en la trayectoria de la luz, lo que provoca que la luz se disperse hacia la cámara (vista a través de una sección 64 ópticamente transparente sobre el canal 42 de retenido) de tal manera que se puede capturar en alto contraste la imagen (entre los objetos 85 y el fondo de la superficie de la membrana 16). Esta técnica de iluminación se conoce comúnmente como iluminación de campo oscuro o de ángulo bajo, la cual normalmente se utiliza para mejorar el contraste entre un objeto y la superficie del fondo. Al aplicar esta técnica de iluminación para la monitorización de la superficie de la membrana en tiempo real durante la operación de filtración u ósmosis inversa, el principal desafío técnico es cómo proporcionar iluminación paralela/de ángulo bajo sobre la superficie de una membrana 16 que funciona en condiciones de filtración u ósmosis inversa presurizadas. En la presente invención, la solución a este desafío es utilizar una guía 60 de luz con borde iluminado transparente, que se muestra de forma aislada en la Figura 5 y sujeta entre un bloque 68 de soporte de retenido y un bloque 70 de soporte de módulo de permeado, los cuales son preferiblemente opacos. Una abertura o apertura 72 en el medio de la guía 60 de luz forma el canal 42 de retenido, el cual puede formarse con un espesor de canal personalizado para acomodar separadores 40 de alimentación comunes que normalmente se utilizan en elementos de membrana enrollados en espiral. La perturbación del flujo en las regiones de entrada/salida del canal de retenido se puede minimizar construyendo gradientes o superficies 74 cónicas en la guía 60 de luz que rodea la abertura 72. Las superficies 74 cónicas que rodean la abertura 72 se pueden construir usando una diversidad de ángulos para permitir entrada de flujo suave al canal 42 de membrana. Las funciones de la guía 60 de luz con borde iluminado transparente incluyen: a) formar la estructura del canal de retenido para aislar el fluido presurizado en el canal 42 de retenido y, con una pluralidad de miembros 76 de sellado, impedir fugas, b) sujetar la membrana para que quede fijada encima del colector 56 de permeado, c) sujetar el bloque 68 de soporte del módulo de retenido opaco que también actúa como marco para la sección 64 de visualización transparente, d) acomodar un separador de alimentación 40 opcional que se puede colocar dentro del canal 42 de retenido para imitar fielmente las condiciones hidrodinámicas en los típicos canales 24 de retenido del elemento de membrana enrollado en espiral, y e) permitir la transmisión efectiva de luz usando fuente de luz/borde iluminado directa (es decir, sin reflejo de espejo) 62 para iluminar el canal 42 de flujo de retenido, el cual puede estar vacío o lleno con separadores 40 de alimentación. La guía 60 de luz, en combinación con la estructura 68 de soporte opaca, asegura que las trayectorias de luz estén en o cerca de una orientación paralela con respecto a la superficie de la membrana 16, minimizando así la luz parásita y maximizando el contraste entre objetos sobre la superficie de la membrana 16 y la superficie de fondo de la membrana 16. Minimizar las trayectorias de luz que son perpendiculares a la superficie de la membrana 16 (es decir, luz parásita) en áreas que no están cubiertas por objetos de la superficie (es decir, área limpia de la membrana) es fundamental para garantizar imágenes mejoradas y un buen contraste entre los objetos de la superficie (especialmente un objeto transparente) y la superficie de la membrana 16. También es importante tener una iluminación uniforme con una configuración mínima posterior al montaje. Cabe señalar que aunque la guía de luz puede estar hecha de cualquier material transparente, la guía 60 de luz con borde iluminado de plástico hecha de acrílico formulado con partículas difusoras de luz dispersas (tales como Lucitelux LGP o Acrylite Endlighten) es preferible ya que proporciona mejor una iluminación uniforme a lo largo de todo el canal 42 de flujo de retenido con un ajuste mínimo de la iluminación del borde/orientación de la fuente 62 de luz.

La presente invención es ventajosa porque las celdas de monitorización de superficie comúnmente utilizadas utilizan trayectorias de luz paralelas generadas reflejando luces que se originan en fuentes de luz que proporcionaban luz en la orientación perpendicular con respecto a la superficie de la membrana; dicha luz necesitaba dirigirse a espejos laterales colocados en el interior del canal de flujo de retenido. Además de causar potencialmente perturbaciones en el flujo, el uso de espejos en otros sistemas para guiar la luz en la dirección apropiada limita el espesor alcanzable del canal de retenido, es decir, cuanto más delgado es el canal de retenido, más pequeños son los espejos que se deben utilizar. Estos pequeños espejos son difíciles de fabricar e incrustar en el canal de flujo del retenido. Además, como la luz se dirige hacia los espejos con una trayectoria de luz en orientación perpendicular a la superficie de la membrana, hay luz parásita la cual puede reducir la visibilidad y el contraste de los objetos de la superficie. El problema de la luz parásita empeora cuando se utilizan espejos más pequeños. Debido a la dificultad de usar espejos pequeños, es difícil formar canales de flujo de retenido delgados (por ejemplo, más delgados que 1 mm) que puedan acomodar separadores de alimentación típicamente usados en los elementos de membrana enrollados en espiral usados en plantas. A la vez que otros sistemas han intentado utilizar un módulo de retenido completamente transparente, se ha informado que estos sistemas introducen luz parásita significativa en un ángulo alto o en una orientación perpendicular con respecto a la superficie de la membrana, poniendo en peligro así la visibilidad y el contraste de los objetos de la superficie. Para superar estos problemas, el bloque de retenido totalmente transparente requiere ajustes finos engorrosos de la orientación de la fuente de luz para minimizar la luz parásita, lo que prolonga el tiempo de configuración y hace que sea difícil lograr una iluminación uniforme paralela a la superficie del canal de retenido. La presente invención es ventajosa sobre los sistemas que usan un bloque de retenido completamente transparente mediante el uso de la guía 60 de luz descrita anteriormente, porque en lugar de un bloque de retenido completamente transparente la presente invención usa una guía 60 de luz delgada sujeta entre un bloque 68 de soporte de módulo de retenido opaco y el bloque 72 de soporte del módulo de permeado opaco. La guía 60 de luz está intercalada entre los bloques 68, 72 usando abrazaderas 84 en lados opuestos de los bloques, como se muestra en la Figura 9. Las abrazaderas 84 pueden estar aseguradas entre sí mediante miembros de fijación tales como pernos, que abarcan las abrazaderas 84, el bloque 68 de soporte del módulo de retención, la guía 60 de luz, y el bloque 70 de soporte del módulo de permeado. Los miembros de fijación o pernos aseguran la celda 10 de membrana. Las abrazaderas pueden estar hechas de cualquier material suficiente para sujetar los elementos intercalados juntos. Dichos materiales incluyen diversos metales, preferiblemente aluminio o acero inoxidable. Los pernos aseguran los componentes entre sí atravesando aberturas en uno o más de los componentes, tales como la guía 72 de luz con borde iluminado.

Conjunto de celda

Un ejemplo de la realización de la celda 10 integrada de monitorización de la superficie de la membrana se muestra en la Figura 7a y la Figura 7b, que muestran una vista en sección transversal en despiece de la celda 10 MSM. En esta configuración, los tres módulos separados están integrados y forman una unidad completa. La celda 10 MSM es una unidad que está construida como un casete 88 desmontable que se puede quitar y reemplazar fácilmente sin afectar el posicionamiento del sistema 18 de iluminación o los componentes 20 de iluminación de la superficie. El casete 88 puede incluir cualquier número de componentes, incluidas las abrazaderas 84 y todos los componentes de la celda 10 MSM intercalados entre las abrazaderas 84.

Análisis de imagen y espectro

Un módulo 44 de visión de superficie, el cual puede ser un módulo de transmisión de vídeo y adquisición de datos espectrales de reflectancia, está interconectado con el sistema 26 de Monitorización de Membrana para conectarse con una plataforma de almacenamiento y visualización con base en web para el análisis de la superficie de la membrana en tiempo real. El módulo 44 está controlado directamente por su componente de software que adquiere datos de alta calidad para la detección de objetos, el reconocimiento y la cuantificación de diversas métricas de superficie utilizando el software avanzado de análisis espectral y de imágenes. El software de análisis espectral y de imágenes, el cual sigue el flujo de trabajo como se describe en la Figura 8, utiliza una serie de algoritmos de visión por ordenador y métodos estadísticos para detectar incrustaciones 96 y contaminantes 98 en la superficie de la membrana en función del tiempo con base en diversas características/métricas de la superficie. Las características que se utilizan para detectar la existencia y el tipo de incrustación de superficie incluyen distribución del tamaño del objeto, formas, textura, intensidad (a nivel de píxel), gradientes regionales, y geometría (por ejemplo, circularidad, convexidad, identificación de formas mediante detección de esquinas). Para la detección de contaminantes, el estado inicial de la membrana 90 (limpia) se entrena con datos previamente capturados de características conocidas. En este módulo se entrena un conjunto de heurísticas regionales con base en las intensidades, la vecindad de píxeles locales y los gradientes para estimar el modelo estadístico del fondo. Luego, el modelo entrenado segmenta periódicamente las regiones donde se produjo contaminación/incrustación usando su heurística aprendida para determinar las máscaras 92 de primer plano como cambios detectados. La detección se refina aún más utilizando diversas operaciones morfológicas y de normalización tales como ecualización de histograma, apertura y dilatación de imágenes para eliminar ruido no deseado y aislar componentes 94 débilmente conectados en la imagen. Los módulos de análisis y adquisición de datos en transmisión están integrados con el hardware y otros módulos de control de procesos del software.

Además de la detección automatizada de incrustaciones 96 minerales (por ejemplo, como se muestra en la Figura 9) y diversos tipos de contaminantes 98 de superficie (por ejemplo, partículas, sustancias orgánicas y bio-contaminantes), está integrado un motor de aprendizaje profundo para análisis espectrales y de imágenes en línea utilizando técnicas avanzadas de reconocimiento de patrones. El motor se entrena utilizando un gran conjunto personalizado de filtros que se pueden aprender y proporciona la capacidad de producir automáticamente anotaciones (etiquetas para objetos) junto con sus puntuaciones de confianza (es decir, las probabilidades de que el objeto detectado pertenezca a un determinado tipo/clase de contaminantes/incrustantes. La capacidad de cuantificar las incrustaciones/contaminantes minerales de la superficie en función del tiempo utilizando algoritmos informáticos avanzados y almacenar las características de los objetos se logra utilizando el sistema de base de datos de series de tiempo de escala automática. Las características anteriores se almacenan en módulos de almacenamiento y adquisición de datos tanto locales como remotos permitiendo análisis en tiempo real, generación automatizada de activadores para alcanzar umbrales críticos de incrustación/contaminantes, y generación dinámica de informes del sistema. Junto con la detección de incrustaciones y los módulos de aprendizaje profundo, se implementa la plataforma en línea avanzada que admite las funciones avanzadas anteriores para mejorar la experiencia con monitorización en tiempo real de contaminantes de superficie/incrustaciones de minerales y reconocimiento automatizado de sus tipos, tamaño, geometría y extensión de la cobertura de la superficie. Utilizando la información anterior y las especificaciones del sistema de los informes dinámicos, se puede utilizar el proceso de soporte de decisiones para identificar acciones críticas para optimizar el control del proceso y ajustar los parámetros operativos de la planta de membranas.

Los siguientes números de referencia se utilizan en las Figuras 1-9:

10 Celda de monitorización de la superficie de la membrana (MSM)

12 Controlador

14 Corriente de entrada

16 Membrana

17 Primera superficie de la membrana

18 Componentes de iluminación de la superficie

19 Segunda superficie de la membrana

20 Componentes de formación de imágenes

22 Lado de alimentación de la celda MSM

23 Lado retenido de la celda de MSM

24 Planta/unidad de membrana

26 Sistema de monitorización de la superficie de la membrana

28 Sistema de control de planta

30 Corriente lateral de alta presión

32 Bomba

34 Drenaje

36 Conducto de concentrado/retenido

38 Válvula principal de la planta de membranas

40 Separador de alimentación de canal

42 Canal retenido

44 Módulo de visión de superficie

46 Módulo de retenido

48 Módulo de permeado

50 Fuente de luz con borde iluminado

52 Conducto de entrada

54 Conducto de salida de retenido

56 Sección de recolección de perneado

58 Conducto de salida de permeado

60 Estructura de canal de retención/guía de luz con borde iluminado

61 Borde lateral de la guía de luz iluminada con borde iluminado

62 Fuente de luz

64 Ventana transparente u óptica

66 Unidad de lente de cámara

68 Bloque de soporte del módulo de retenido

70 Bloque de soporte del módulo de permeado

72 Abertura de guía de luz

74 Superficie cónica de la guía de luz

76 Sellos

78 Sangría de guía de luz

80 Cámara

82 Lente

84 Abrazaderas

85 Objetos en la membrana

86 Abertura de guía de luz iluminada con borde iluminado

88 Casete

90 Marcos de fondo/membrana limpia

92 Marcos/máscaras de primer plano

94 Objeto reconocido/componentes débilmente conectados

96 Incrustación

98 Contaminante

100 Comunicaciones de datos externas

106 Líneas de señal

108 Conducto de salida

FT-1 Primer medidor/transmisor de flujo

FT-2 Segundo medidor/transmisor de flujo

CV Válvula de control

PT-1 Primer transmisor de presión

CT-1 Primer medidor/transmisor de conductividad

CT-2 Segundo medidor/transmisor de conductividad

SP1 Punto 1 de muestreo

SP2 Punto 2 de muestreo

F Alimentación

P Permeado

C Corriente de concentrado

Si bien la invención se ha descrito en términos de realizaciones de ejemplo, debe entenderse que las palabras que se han utilizado son palabras de descripción y no de limitación. Como entienden los expertos en la técnica, se pueden realizar una diversidad de modificaciones sin apartarse del alcance de la invención definido por las siguientes reivindicaciones, a las cuales se les debe dar su alcance más completo y justo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celda (10) de monitorización de la superficie de la membrana para usar en la monitorización de incrustaciones de membrana, incrustaciones de contaminantes, compuestos orgánicos, y bio-contaminantes configurada para recibir una corriente de alimentación y descargar una corriente de concentrado, comprendiendo la celda de monitorización de la superficie de la membrana:

a) una membrana (16) visualmente observable que tiene una primera superficie (17) en un lado (22) de alimentación activo;

b) un módulo (46) de retenido que tiene:

(i) un bloque (68) de soporte del módulo de retenido,

(ii) una ventana (64) óptica dentro del bloque (68) del módulo de retenido, la ventana óptica para ver la membrana visualmente observable,

(iii) un conducto de entrada para una corriente (14) de entrada de alimentación a la celda de monitorización de la superficie de la membrana,

(iv) un conducto (54) de salida para la salida de una corriente de concentrado líquido; y,

c) un módulo (48) de permeado que tiene:

(i) un bloque (70) de soporte del módulo de permeado

(ii) y un conducto (58) de salida de permeado para canalizar el permeado lejos del módulo (48) de permeado;

caracterizado porquela celda (10) de monitorización de la superficie de la membrana comprende además d) una guía (60) de luz con borde iluminado que tiene una abertura (72) que forma un canal (42) de retenido operable para aislar el fluido presurizado en el canal (42) de retenido, la membrana visualmente observable colocada adyacente a la guía de luz con borde iluminado y colocada para superponer la abertura (72), en donde la guía de luz con borde iluminado está compuesta de un material (64) transparente o translúcido para iluminar la primera superficie (17) de la membrana visualmente observable, permitiendo así a un observador ver incrustaciones (96), partículas, y biocontaminantes (98) en la primera superficie (17) de la membrana visualmente observable;

e) una fuente (18, 50, 62) de luz con borde iluminado fijada a la guía (60) de luz con borde iluminado, siendo operable la fuente de luz con borde iluminado para iluminar la guía de luz con borde iluminado, proporcionando así una iluminación sustancialmente paralela a la membrana visualmente observable;

en donde la guía (60) de luz con borde iluminado está configurada para colocarse entre el módulo (46) de retenido y el módulo (48) de permeado; y

el módulo (48) de permeado tiene además un colector (56) de permeado para recibir el permeado que ha pasado a través de la abertura (72) de la guía (60) de luz con borde iluminado y la membrana (16) visualmente observable.

2. La celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Reivindicación 1, en donde

la membrana (16) visualmente observable tiene una segunda superficie (19) opuesta a la primera superficie (17), formando la segunda superficie un lado permeado opuesto al lado (22) de alimentación activa, comprendiendo además la celda de monitorización de la superficie de la membrana:

a) un soporte de membrana porosa adyacente a la segunda superficie (19) de la membrana visualmente observable b) un separador (40) de alimentación entre la abertura (72) de la guía de luz con borde iluminado, estando dimensionado el separador de alimentación para acomodar un tamaño predeterminado del canal (42) de retenido, c) una pluralidad de miembros (76) de sellado colocados entre al menos dos de

(i) la ventana (64) óptica y el módulo (46) de retenido,

(ii) el bloque (68) de soporte del módulo de retenido y la guía (60) de luz con borde iluminado, y

(iii) la guía (60) de luz con borde iluminado y el bloque (70) de soporte del módulo de permeado.

3. La celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Reivindicación 1, en donde

el módulo (46) de retenido y el módulo (48) de permeado son opacos, minimizando así la distorsión de la imagen debido a la luz parásita.

4. La celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Reivindicación 1, comprendiendo además una abrazadera (84) para asegurar el módulo (46) de retenido, la guía (60) de luz con borde iluminado y el módulo (48) de permeado entre la abrazadera, aumentando así el sellado de la celda de monitorización de la superficie de la membrana y minimizando las fugas a alta presión.

5. La celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Reivindicación 1, en donde

la guía (60) de luz con borde iluminado tiene una superficie (74) cónica a lo largo del canal (42) de retenido, minimizando así la perturbación del flujo cerca de una región de entrada-salida del conducto de entrada y del conducto de salida, respectivamente.

6. La celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Reivindicación 1, en donde

el conducto de entrada y el conducto (54) de salida del módulo (46) de retenido son sustancialmente perpendiculares a la ventana (64) óptica, permitiendo así una fácil conexión de un sistema (20) de formación de imágenes por encima del sistema de monitorización de la superficie de la membrana.

7. La celda de monitorización de la superficie de la membrana de la Reivindicación 6, en donde

la fuente (18, 50, 62) de luz con borde iluminado está fijada a lo largo de un borde (61) lateral de la guía (60) de luz con borde iluminado, aislando así un sistema (20) de formación de imágenes colocado encima del bloque (68) de retenido para minimizar la luz parásita que ingresa a la ventana (64) óptica y sobreexponer la membrana (16) visualmente observable.

8. Un sistema de monitorización de la superficie de la membrana para monitorizar la incrustación (96) de la membrana, contaminantes particulados, materia orgánica, y bio-incrustación (98) en una unidad (24) de filtración que tiene una membrana, en donde

la unidad de filtración está configurada para recibir una corriente de alimentación y descargar una corriente de concentrado, comprendiendo el sistema de monitorización:

a) una celda (10) de monitorización de la superficie de la membrana que tiene:

(i) una membrana (16) visualmente observable que tiene una primera superficie (17) en un lado (22) de alimentación activo;

(ii) un módulo (46) de retenido que tiene:

(1) un bloque (68) de soporte del módulo de retenido,

(2) una ventana (64) óptica dentro del bloque (68) del módulo de retenido, la ventana óptica para ver la membrana (16) visualmente observable,

(3) un conducto de entrada para una corriente (14) de entrada de alimentación a la celda de monitorización de la superficie de la membrana,

(4) un conducto (54) de salida para la salida de una corriente de concentrado líquido; y,

(iii) un módulo (48) de permeado que tiene:

(1) un bloque (70) de soporte del módulo de permeado, y

(2) un conducto (58) de salida de permeado para canalizar el permeado lejos del módulo (48) de permeado, en donde la guía de luz con borde iluminado está configurada para colocarse entre el módulo (46) de retenido y el módulo de permeado

b) un sistema (20) de formación de imágenes configurado y ubicado con relación al sistema de monitorización para que sea operable para:

(i) capturar al menos uno de una imagen y un espectro de reflectancia de la superficie de la membrana (16) visualmente observable, y

(ii) crear al menos una de una señal de datos de imagen y una señal de datos de imagen espectral indicativa de al menos una de la imagen y los espectros capturados;

c) un sistema de procesamiento de datos vinculado operativamente al sistema (20) de formación de imágenes para recibir la señal de datos de imágenes del mismo, siendo operable el sistema de procesamiento de datos para analizar la señal de datos de imágenes para proporcionar una indicación de una extensión de al menos uno de incrustaciones (96), contaminantes particulados y bio-contaminantes (98), en la membrana (16) visualmente observable; y, d) un controlador (12) operable para controlar la iluminación, al menos uno de captura de imágenes y captura de espectros, gestión de datos de imágenes, análisis de imágenes, y comunicación (100) de datos externos, caudal de entrada, y presión sobre la alimentación activa para que sea aproximadamente esa de un elemento (24) de planta de membrana o un segmento de planta que se está monitorizando;

caracterizado porque la celda (10) de monitorización de la superficie de la membrana comprende además:

iv) una guía (60) de luz iluminada con borde iluminado que tiene una abertura (72) que forma un canal (42) de retenido operable para aislar el fluido presurizado en el canal (42) de retenido, la membrana (16) visualmente observable colocada adyacente a la guía (60) de luz con borde iluminado y colocada para superponerse a la abertura (72), en donde

la guía de luz con borde iluminado está compuesta de un material (64) transparente o translúcido para iluminar la primera superficie (17) de la membrana visualmente observable, permitiendo así que un observador vea incrustaciones (96), partículas, y bio-contaminantes (98) en la primera superficie (17) de la membrana visualmente observable; y v) una fuente (18, 50, 62) de luz con borde iluminado fijada a la guía (60) de luz con borde iluminado, siendo operable la fuente de luz con borde iluminado para iluminar la guía de luz con borde iluminado, proporcionando así una iluminación sustancialmente paralela a la membrana (16) visualmente observable; en donde

la guía (60) de luz con borde iluminado está situada entre el módulo (46) de retenido y el módulo (48) de permeado; teniendo además el módulo (48) de permeado un colector (56) de permeado para recibir el permeado que ha pasado a través de la abertura (72) de la guía de luz con borde iluminado y la membrana (16) visualmente observable.

9. El sistema de la Reivindicación 8, comprendiendo además:

a) un medidor de flujo de retenido instalado en una corriente de retenido que sale de la celda de monitorización de la superficie de la membrana; y,

b) una válvula (104) de control de flujo de retenido instalada en la corriente de retenido que sale de la celda de monitorización de la superficie de la membrana,

en donde el medidor de flujo de retenido y la válvula (104) de control de flujo de retenido están conectados operativamente al controlador (12), y el controlador proporciona entrada de control de retroalimentación a un caudal de retenido y manipula un actuador de válvula de control con base en una medición de caudal predeterminada medida por el medidor de flujo de retenido, y en donde el medidor de flujo de retenido transmitió datos al controlador.

10. El sistema de la reivindicación 9, que comprende además al menos uno de:

a) un medidor de conductividad instalado en la corriente de retenido;

b) un sensor de temperatura instalado en la corriente de retenido;

c) un medidor de flujo instalado en una corriente de permeado; y

d) un sensor de presión instalado en una corriente (14) de entrada, en donde el medidor de conductividad, el sensor de temperatura, el medidor de flujo instalado en la corriente de permeado, y el sensor de presión instalado en la corriente de entrada están conectados operativamente al control y transmite datos al controlador (12), mediante el cual los datos del medidor de conductividad, el sensor de temperatura, el medidor de flujo instalado en la corriente de permeado y el medidor de presión instalado en la corriente de entrada caracterizan los niveles de polarización de concentración y el rendimiento de la membrana, tal como la permeabilidad al agua y rechazo de sal de la celda de monitorización del sistema de membrana.

11. El sistema de la Reivindicación 9, en donde

la celda de monitorización de la superficie de la membrana se caracteriza por ser un casete (88) desmontable, por lo que

el casete desmontable se puede insertar y desmontar del sistema de monitorización de la superficie de la membrana sin tener que alterar la posición del sistema (20) de formación de imágenes.

12. El sistema de monitorización de membrana de la Reivindicación 8, en donde

el sistema (20) de formación de imágenes incluye una cámara (80) CCD o CMOS, y está configurado capaz de detectar longitudes de onda UV, visible, infrarroja, e infrarroja cercana y está colocado encima del módulo (46) de retenido y una lente (82) de la cámara (80) CCD o CMOS está colocada encima de la ventana (64) óptica para capturar datos de la membrana (16) visiblemente observable;

mediante el cual el sistema de monitorización de membrana es capaz de proporcionar al menos una de imágenes de superficie en tiempo real y espectros de imágenes en tiempo real de la membrana visualmente observable para proporcionar una diversidad de métricas cuantitativas tales como la evolución de la cobertura de incrustaciones, contaminantes (98), identificación de una clase de contaminantes e identificación de una clase de incrustaciones, y establecimiento de diferencias en contaminantes e incrustaciones durante un período de funcionamiento de la planta de membrana, y

mediante el cual se puede utilizar salida cuantitativa de señales digitales o analógicas relacionadas con los contaminantes (98) o las métricas minerales para guiar al operador de planta en el establecimiento de estrategias apropiadas para mitigar la contaminación (98) y la incrustación (96) de la membrana.

13. El sistema de monitorización de membrana de la Reivindicación 12,

a) en donde el sistema de procesamiento de datos está configurado para determinar un porcentaje y una densidad de área de superficie de la membrana (16) visualmente observable de al menos uno de

(i) incrustación,

(ii) contaminantes, y

(iii) partículas depositadas, y

b) en donde el sistema de procesamiento de datos está configurado para identificar un tipo de incrustantes minerales y un tipo de contaminantes en la superficie de la membrana (16) visualmente observable con base en al menos uno de

(i) análisis de forma y tamaño geométricos, y

(ii) análisis espectral de imágenes capturadas por el sistema de procesamiento de imágenes, mediante el uso de análisis espectral y reconocimiento de patrones.

14. El sistema de la Reivindicación 8, en donde

al menos una de la imagen y los espectros es tanto la imagen como los espectros de la superficie de la membrana (16) visualmente observable; y, en donde

el al menos uno de una señal de datos de imagen y la señal de datos de imagen espectral es tanto la señal de datos de imagen como la señal de datos de imagen espectral.

15. Un método para monitorizar la incrustación (96) y la contaminación (98) de la membrana, comprendiendo el método:

a) proporcionar una celda (10) de monitorización de la superficie de la membrana que tiene:

i) una membrana (16) visualmente observable que tiene una primera superficie (17) en un lado (22) de alimentación activo;

ii) un módulo (46) de retenido que tiene:

(i) un bloque (68) de soporte del módulo de retenido,

(ii) una ventana (64) óptica dentro del bloque (68) del módulo de retenido, la ventana óptica para ver la membrana (16) visualmente observable,

(iv) un conducto (54) de salida para la salida de una corriente de concentrado líquido; y

iii) un módulo (48) de permeado que tiene:

(1) un bloque (70) de soporte del módulo de permeado, y

(2) un conducto de salida de permeado para canalizar el permeado lejos del módulo de permeado, en donde la guía de luz con borde iluminado está configurada para colocarse entre el módulo de retenido y el módulo de permeado b) hacer pasar una corriente de entrada a través de la primera superficie (17) de la membrana (16) visualmente observable;

c) recopilar datos visuales de una porción iluminada de la primera superficie (17) de la membrana (16) visualmente observable, en donde los datos recopilados indican la presencia y el grado de incrustaciones (96) y contaminantes (98) en la primera superficie (17) de la membrana (16) visualmente observable;

d) transmitir los datos visuales recopilados a un sistema de procesamiento de datos; y,

e) interpretar los datos visuales recopilados con el sistema de procesamiento de datos para determinar el grado de incrustación (96) y contaminante (98) en la membrana (16) visualmente observable y la membrana de la unidad (24) de filtración;

caracterizado porquela celda (10) de monitorización de la superficie de la membrana comprende además:

iv) una guía (60) de luz iluminada con borde iluminado que tiene una abertura (72) que forma un canal (42) de retenido operable para aislar el fluido presurizado en el canal (42) de retenido, la membrana (16) visualmente observable colocada adyacente a la guía (60) de luz con borde iluminado y colocada para superponer la abertura (72), en donde la guía (60) de luz con borde iluminado está compuesta de un material (64) transparente o translúcido para iluminar la primera superficie (17) de la membrana visualmente observable, permitiendo así a un observador ver incrustaciones (96), partículas, y bio-contaminantes (98) en la primera superficie (17) de la membrana visualmente observable; v) una fuente (18, 50, 62) de luz con borde iluminado fijada a la guía (60) de luz con borde iluminado, siendo operable la fuente de luz con borde iluminado para iluminar la guía de luz con borde iluminado, proporcionando así una iluminación sustancialmente paralela a la membrana (16) visualmente observable;

en donde la guía (60) de luz con borde iluminado está colocada entre el módulo (46) de retenido y el módulo (48) de permeado; y

el módulo (48) de permeado tiene además un colector (56) de permeado para recibir el permeado que ha pasado a través de la abertura (72) de la guía de luz con borde iluminado y la membrana (16) visualmente observable.

16. El método de la reivindicación 15, comprendiendo además

la etapa de controlar la unidad (24) de filtración en respuesta al grado de incrustaciones (96) o contaminantes (98) en la membrana (16) visualmente observable.

17. El método de la reivindicación 15, en donde la etapa de interpretar los datos visuales recopilados incluye al menos una de mostrar una imagen en tiempo real de la superficie de la membrana (16) visualmente observable y espectros de imágenes de la superficie; y correlacionar los datos visuales recopilados con una condición de incrustación o contaminantes de la membrana de la unidad (24) de filtración.

18. El método de la Reivindicación 15, en donde

la interpretación de los datos recopilados es un proceso iterativo que se caracteriza por analizar la distribución del tamaño del objeto, la forma del objeto, la textura del objeto, la densidad de la superficie del objeto y los espectros de luz reflejada capturados, los gradientes regionales del objeto, y la geometría del objeto, y en donde

la interpretación de los datos recopilados incluye las etapas de:

leer marcos de fondo de la membrana (16) visualmente observable;

leer marcos en primer plano de la membrana (16) visualmente observable;

marcos coincidentes de los marcos de fondo y de primer plano;

restar información del marco de fondo de la información del marco de primer plano;

utilizando operaciones morfológicas y métricas de detección de objetos para generar el reconocimiento de objetos de la membrana (16) visualmente observable.