LU82938A1 - Element a membrane pour osmose inverse enroule en spirale - Google Patents

Description

* *>

La présente, invention s.e rapporte à des éléments d'épuration pour fluides et elle concerne plus particulièrement un élément enroulé en spirale pour 1'épuration des fluides par osmose inverse, ultra-filtration ou sépa-5 ration gazeuse par membrane, ainsi qu'à un procédé de fabrication de tels éléments.

L'épuration des fluides par des membranes est connue, Dans ce mode normal de fonctionnement, des éléments ' à membrane semi-perméable reçoivent les fluides à traiter, 10 tels que des solutions, une eau saline ou saumâtre, ou des mélanges gazeux sous pression. Un fluide relativement pur diffuse à travers la membrane pour pénétrer dans un passage de fluide séparé du fluide à traiter tandis que les mélanges plus concentrés sont retenus.

15 Un procédé connu d’utilisation des membranes pour osmose inversé consiste à enrouler en spirale un ou plusieurs ensembles stratifiés de membranes, ou sandwichs autour d'un mandrin central (voir, par exemple, les brevets US 3 767 504, 3 417 870 et 4 083 870).Anté-20 rieurement à l'invention, ainsi qu'on l'indique dans le brevet 2 417 870 précité, on estimait que le meilleur mode de fabrication d'un ensemble stratifié à membrane consistait à utiliser une seule feuille continue d'une matière membraneuse repliée autour d'un séparateur, la couche 25 active de la membrane étant tournée vers ce séparateur. Ensuite, on fixait l'ensemble stratifié réuni à une matière support, à un mandrin central servant de tube de passage du produit et on enroulait l'ensemble stratifié * en commençant par la ligne de pli de cet ensemble.

30 On a constaté que les ensembles stratifiés connus ont un défaut propre, en particulier lorsqu'on exige une grande pureté du fluide produit, à savoir que le fluide à traiter peut s'échapper du passage de fluide à traiter en s'écoulant le long de la ligne de pli de chaque mem-35 brane dans chaque ensemble stratifié et pénétrer dans le passage de fluide épuré, en dégradant ainsi la pureté du fluide traité. Au droit de la ligne de pli, dans les membranes connues, la couche active de la membrane est * 2 repliée à angle très vif, ce qui brise fréquemment la surface de la couche active et se traduit par la formation d'une petite zone à. travers laquelle les molécules de sels sont capables de passer, alors que, normalement elles 5 seraient rejetées par la matière de la membrane intacte.

On estime que ce défaut des éléments à membrane enroulée en spirale se rencontre dans l'industrie, dans l'état actuel de la technique, depuis de nombreuses années sans . qu'on ait apporté de solution appropriée à ce problème.

* 10 L'invention résout le problème des fuites des ensembles stratifiés à membrane en éliminant la ligne de pli des ensembles stratifiés classiques. Les ensembles stratifiés à membrane qui font l'objet de l'invention comportent au contraire deux feuilles de membranes qui 15 enveloppent une matière formant séparateur et qui sont réunies l'une à l'autre à leurs extrémités, suivant leurs faces actives, par un adhésif approprié. Avec cette construction, la matière de la membrane enveloppe de façon continue le séparateur sans qu'il soit nécessaire de plier 20 ou de couder la matière de la membrane à angle vif.

Le but de l'invention est de créer un élément à membrane enroulée en spirale dans lequel la matière de la membrane ne soit pas pliée ou coudée en angle vif lorsqu'elle est montée dans l'élément.

25 Un autre but de l'invention est de réaliser un élément à membrane enroulée en spirale dans lequel les fuites de fluide entre le passage de fluide à traiter et le passage de fluide traité soient réduites à un minimum.

’ Un autre but de l'invention est de réaliser un 30 élément à membrane enroulée en spirale pour des applications exigeant une haute pureté.

Un autre but de l'invention est de créer un procédé de fabrication d'éléments à membrane enroulée en spirale sans pli pour les applications exigeant une haute 35 pureté.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre 3 » d'exemple, - la Fig, 1 est une vue en coupe transversale d'un élément à membrane enroulée en spirale suivant l'invention ; 5 - les Fig. 2A à 2H représentent les diverses phases appliquées dans le procédé préféré de fabrication d'ensembles stratifiés à membranes suivant l'invention ; - la Fig. 3 est une vue en coupe du mandrin et * de la matière-support correspondante pour un élément à ' io membrane enroulé en spirale qui comprend plusieurs ensembles stratifiés à membranes ; - la Fig. 4 est une coupe transversale de l'élément enroulé en spirale de la Fig. 3 dans lequel les ensembles stratifiés à membranes fixés à la matière-sup- 15 port et cette matière-support sont partiellement enroulés sur le mandrin, - la Fig. 1 représente en coupe un élément 10 suivant l'invention comprenant une membrane pour osmose inverse enroulée en spirale.

20 L'élément 10 comprend un mandrin central 12 qui, dans la forme particulière de réalisation représentée, supporte trois ensembles stratifiés à membrane 14, 16 et 18, ou sandwichs, bien que l'on puisse utiliser un nombre quelconque d'ensembles stratifiés. Chaque ensemble stra-25 tifië est agencé dans l'élément de telle manière qu'une de ses extrémités soit adjacente au mandrin et qu'il soit enroulé en spirale autour du mandrin avec une feuille de matière-support poreuse dans chaque intervalle entre deux ensembles stratifiés. Les feuilles de matière-support 20, 30 22 et 24 sont constituées d'une matière forcément poreuse telle que la matière connue sous la désignation de Simplex, qui permet au fluide de s'écouler librement vers le mandrin. Les feuilles de matière-support poreuses sont de préférence fixées à une feuille d'un autre type de matière 35 poreuse 26 telle qu'un tricot qui laisse le fluide s'écouler librement dans une direction parallèle à l'axe du mandrin. La matière 26 est enroulée autour du mandrin 12 et forme une amorce à laquelle la matière-support 20, 22 et 4 24 est reliéef soit directement, soit indirectement ainsi qu'on le décrira plus complètement dans la suite.

Chaque ensemble stratifié 14, 16 ou 18 est composé d'une membrane 30, 32 ou 34 qui enveloppe une feuille 5 de matière poreuse 36, 38 et 40 respectivement. La matière poreuse 36, 38 et 40 est communément appelé séparateur à saumure. Les séparateurs à saumure 36, 38 et 40 sont de préférence faits d'un filet en polyéthylène semi-rigide et . ils séparent les membranes de chaque stratifié de telle * io manière que les fluides puissent y circuler librement.

L'ensemble de l'élément 10 enroulé en spirale est de préférence enveloppé d'un ruban (ou d'un composite fibre de verre-résine époxy ou d'une combinaison d'un ruban et d'un tel composite enroulé autour de la périphérie pour 15 empêcher l'élément de se dilater dans la direction diamétrale pendant le fonctionnement. On place ensuite un ou plusieurs éléments dans une cuve à pression, dans laquelle ils assurent leur fonction de séparation.

En fonctionnement, un fluide à traiter, par 20 exemple une solution ou de l'eau saline saumâtre ou encore un mélange gazeux, est acheminé par des moyens non représentés aux séparateurs poreux 36, 38, 40 à travers lesquels ce fluide s'écoule parallèlement à l'axe du mandrin. Sous l'effet du processus d'osmose inversé, de 25 l'ultra-filtration ou de la séparation gazeuse par membrane, un fluide relativement pur diffuse à travers les faces actives des membranes 30, 32 et 34. La matière-support poreuse 20, 22 et 24 forme un passage de fluide ” traité par lequel ce dernier s'écoule en spirale vers le 30 mandrin. Le mandrin présente des perforations 42 à travers lesquelles le fluide traité passe dans la lumière 44 du mandrin pour sortir ensuite de l'élément 10 par des moyens non représentés.

Une caractéristique principale de l'invention 35 consiste dans la conception et dans le procédé de fabrication d'un ensemble stratifié à membrane dans lequel les feuilles de membrane, lorsqu'elles sont montées dans l'élément de séparation, ne présentent pas de pli puis- 5 qu'on estime que le pliage de la matière de la membrane provoque une détérioration de cette matière à tel point qu'une certaine proportion du fluide à traiter atteint par des fuites les passages de fluide traité, au détriment de 5 la pureté du fluide traité.

Le procédé de fabrication d'un ensemble stratifié à membrane est illustré par les Fig. 2A à 2H. La Fig. 2A montre la feuille de membrane 30 en coupe. Cette feuille de membrane est fabriquée par des procédés bien connus, . 10 voir par exemple, les brevets ÜS 3 673 084 et 3 238 042.

La membrane est de préférence composée d'acétate de cellulose et elle est réalisée sous la forme d'un assemblage d'une épaisseur d'environ 0,2 mm. Comme le montre la Fig. 2A, la forme préférée de cet ensemble comprend un 15 tissu porteur 46, d'une épaisseur d'environ 0,13 mm, une couche 48 qui est un mélange de tissu et de membrane, d'une épaisseur d'environ 0,02 mm, une couche 50 de membrane pure, d'environ 0,05 mm et une couche "active" 52, d'une épaisseur d'environ 100 à 1000 Angstroms.

20 Pour constituer le stratifié à membrane 14, on replie tout d'abord la membrane 30 sur elle-même comme représenté sur la Fig. 2B avec la couche active 52 tournée vers l'intérieur. Ensuite, on replie une face de la membrane 30 dans le sens inverse, comme représenté sur 25 la Fig. 2C, pour laisser un recouvrement d'environ 25 mm. Ensuite, on applique des moyens d'étanchéité tels qu'un ruban 54, pour obturer par un joint l'espace compris entre les parties disposées à recouvrement de la membrane, comme . indiqué sur la Fig. 2D. Ensuite, on coupe la membrane dans 30 la région de la ligne de pliage final, pour donner naissance à deux feuilles de membrane 30a et 30b qui sont maintenues assemblées par le ruban 54. On sépare les extrémités des feuilles 30a et 30b de la membrane et on dispose un moyen adhésif, par exemple de la colle, le long 35 des faces actives des feuilles 30a et 30b de la membrane, comme représenté sur la Fig. 2F. Le ruban 54 forme une barrière d'étanchéité qui empêche la colle 56 de se répandre plus loin qu'on ne le désire dans la masse des 6 feuilles 30a et 30h de la membrane. Les extrémités des feuilles 30a et 30b de la membrane sont maintenues assemblées par une presse 58 ou d'autres moyens appropriés qui maintiennent les feuilles 30a et 30b en place 5 jusqu'à ce que la colle 566 ait fait sa prise. Après la prise de la colle 56, on enlève la presse 58. On rogne l'extrémité précédemment serrée et on insère le séparateur 36 entre les feuilles 30a et 30b, en le disposant au contact des couches actives de ces feuilles afin d'établir * 10 un passage pour l'écoulement du fluide à traiter comme représenté sur la Fig. 2H.

Bien que l'on ait décrit plus haut un moyen de fermeture étanche de la membrane, dans la région de la ligne de pliage, il est évident que l'on reste dans le 15 domaine de l'invention en appliquant d'autres procédés permettant d'obtenir le même résultat, par exemple en -déposant un cordon de matière adhésive, par exemple de la colle, sur la face interne du pli ou en fermant la membrane le long de la ligne de pliage à l'aide d'une 20 matière adhésive telle qu'un ruban adhésif.

La construction de l'élément à membrane enroulée en spirale est plus clairement visible sur les Fig. 3 et 4, considérées en combinaison avec la Fig. 1.

La Fig. 3 montre en coupe le mandrin 12 auquel 25 l'amorce 26 est collée ou fixée d'une autre façon appropriée au point 60. Trois feuilles de matière-support 20, 22 et 24 sont reliées (directement ou indirectement) à l'amorce 26 par couture, collage ou autres moyens appro-* priés. Dans la forme préférée de réalisation, comme on 30 l'a représenté sur la Fig. 3, une feuille-support 24 est directement fixée à l'amorce 26 au point 61 et les feuilles-supports 20 et 22 sont fixées à la feuille-support 24 aux points 62 et 64 respectivement, par couture collage ou autre moyen approprié.

35 Ensuite, on insère les trois ensembles strati fiés à membrane 14, 16 et 18 (comme celui représenté en détail sur la Fig. 2H) dans les positions appropriées, comme représenté, de manière que chaque ensemble strati- 7 fié soit recouvert sur ses deux faces d'une feuille de matière-support. Ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig.4, l'ensemble stratifié 14 est interposé entre les feuilles-supports 20 et 22 ; l'ensemble stratifié 16 est inter-5 posé entre les feuilles-supports 22 et 24 et l'ensemble stratifié 18 est adjacent à la feuille-support 24, de sorte qu'il se trouve interposé entre les feuilles-supports 24 et 20 lorsque l'élément à membrane est » enroulé. Ensuite, on enroule cet élément à membrane par 10 rotation axiale du mandrin 12 ou autre moyen et l'élément à membrane enroulée en spirale ainsi obtenu est l'élément 10 représenté en coupe sur la Fig. 1.

Il ressort donc de ce qui précède que l'on a décrit un élément à membrane pour osmose inverse enroulé 15 en spirale qui élimine divers inconvénients de la technique antérieure.

Claims (8)

8 »

1. Ensemble stratifie à membrane pour élément à membrane en spirale, caractérisé en ce qu'il comprend (a) deux feuilles de membrane (30a, 30b) de longueur approximativement égale, ces feuilles ayant une surface active 5 (52) et étant positionnées à peu près parallèlement entre elles, avec leurs surfaces actives (52) adjacentes,ces , feuilles étant réunies à une première extrémité par des moyens adhésifs (54) ; et (b) un séparateur (14, 16, 18) interposés entre les deux feuilles de membrane (30a, 30b) 10. peu près sur toute la longueur de ces feuilles et entre les couches actives de celles-ci, ce séparateur séparant les feuilles de membrane pour ménager un passage pour la circulation du fluide.

2. Elément à membrane enroulé en spirale, 15 caractérisé en ce qu'il comprend : un mandrin central (12) ; au moins un ensemble stratifié à membranes (14, 16, 18), cet ensemble stratifié comprenant deux feuilles (30a, 30b) de matière formant membrane réunies à une extrémité par un adhésif (54), et dont l'espace intermê-20 diaire est comblé par un séparateur poreux (36, 38, 40) ce séparateur poreux formant un passage pour l'écoulement du fluide à traiter ; des moyens-supports (20, 22, 24), les ensembles stratifiés à membrane (14, 16, 18) étant recouverts sur les deux faces par les moyens-supports 25 (20, 22, 24), ces moyens-supports étant constitués par des moyens poreux et formant un passage pour l'écoulement du fluide traité ; et en ce que les ensembles stratifiés à ' membranes (12), les extrémités réunies des ensembles stratifiés à membrane étant enroulées en spirale en par-30 tant d'un point proche du mandrin jusqu'à la périphérie de 1' élément, pour former ainsi des ensembles stratifiés à membrane dans lesquels les feuilles de membrane ne présentent pas de pli.

3. Elément à membrane suivant la revendication 2, 35 caractérisé en ce que le mandrin (12) est creux et présente des perforations (42) et en ce que l'élément comprend 4 9 en outre une amorce poreuse (26) enroulée autour du mandrin (12) , qui est en communication pour l'écoulement du fluide avec les moyens-supports (20,22.,24) , de manière que le fluide traité puisse facilement s'écouler 5 le long des moyens-supports (20, 22, 24) à travers l'amorce (26) enroulée autour du mandrin (12) et à travers les perforations (42) de ce mandrin.

4. Elément à membrane suivant la revendication 3, . caractérisé en ce que les moyens-supports poreux (20, 22, ’ 10 24) ont une structure capable de favoriser l'écoulement du fluide vers le mandrin (12) , et en ce que l'amorce poreuse (26) a une structure qui favorise l'écoulement du fluide dans une direction parallèle à l'axe du mandrin.

5. Elément à membrane suivant la revendication 2, 15 caractérisé en ce que les moyens séparateurs poreux sont constitués par un filet de polyéthylène semi-rigide.

6. Elément à membrane suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens-supports poreux (20, 22, 24) sont constitués par un tricot.

7. Procédé pour assembler une matière formant membrane pour constituer un stratifié à membrane, dans lequel la matière formant membrane ne présente pas de pli lorsqu'elle travaille dans un élément de séparation à membrane enroulé en spirale, ce procédé étant caracté-25 risé en ce que : a) on replie une feuille de membrane (30) sur elle-même, les couches actives (52) de la membrane étant en regard l'une de l'autre, pour former ainsi dans la feuille une extrémité ouverte et une extrémité fermée * pliée ; b) on forme un joint (54) à l'extrémité fermée 30 de la feuille le long des couches actives de cette feuille en une^position proche du pli de la membrane, c) on découpe la feuille de membrane au niveau du pli, pour former ainsi une première et une deuxième feuilles de membrape (30a, 30b), et d) on fixe les extrémités de la première 35 et de la deuxième feuille de la membrane (30a, 30b) en déposant un adhésif (56) entre l'extrémité pliée des feuilles et les moyens formant joint.

8. Procédé pour former un stratifié à membrane, * i 10 ou sandwich, dans lequel la matière de la membrane ne présente pas de pli lorsqu'elle travaille dans un élément de séparation à membrane enroulé en spirale, caractérisé en ce que on replie une feuille de membrane (30a, 30b) 5 sur elle-même, les couches actives (52) de la membrane étant en regard l'une de l'autre, pour former ainsi une extrémité ouverte et une extrémité pliée fermée ; on forme un joint à l'extrémité fermée de la feuille le long des couches actives (52) de la feuille en un point proche 10 du pli de la membrane ; on coupe la feuille de membrane le long du pli en formant ainsi une première et une deuxième feuilles (30a, 30b) ; on assemble les extrémités de la première et de la deuxième feuille (30a, 30b) en plaçant des moyens adhésifs (56) entre l'extrémité 15 pliée des feuilles et les moyens (54) formant joint ; et on place une matière poreuse (36, 38, 40) entre la première et la deuxième feuille (30a, 30b) pour créer ainsi un passage pour l'écoulement du fluide à travers l'ensemble stratifié. *