MXPA06006143A

MXPA06006143A - Modulos de membranas y casetes de membranas integrados.

Info

Publication number: MXPA06006143A
Application number: MXPA06006143A
Authority: MX
Inventors: Peter B Zenk
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-08-11
Also published as: CN1890016B; CA2547593A1; EP1689501A2; JP4382821B2; KR20060131768A; US20050123727A1; US7279215B2; CN1890016A; WO2005060425A3; AU2004304819A1; JP2007512952A; BRPI0417059A; WO2005060425A2

Abstract

La invencion se refiere a ensambles de membranas integrados para transferir selectivamente un constituyente hacia o desde un fluido. Los ensambles incluyen dos o mas elementos de membrana de hoja plana y al menos un colector comun conectado a las regiones interiores de los elementos de membrana.

Description

MÓDULOS DE MEMBRANAS Y CASETES DE MEMBRANAS INTEGRADOS Campo de la invención La presente invención se refiere a un ensamble de membranas integrado que puede usarse para transferir selectivamente un constituyente hacia o desde un fluido. Más específicamente, la presente invención se refiere a casetes de membranas de hojas planas integrados útiles para biorreactores de membranas (MBRs) , biorreactores de aireación de membranas (MABRs) biorreactores de membranas extractores (EMBRs) y otros aparatos de filtración y transferencia de masas .

Antecedentes de la invención Los procesos de tratamiento de agua comúnmente utilizan microbios, tales como bacterias, para catalizar la degradación de materiales no deseados en el agua. Los microbios usan el material no deseado como una fuente de combustible removiéndolo así del agua. Algunos procesos estándares para la purificación biológica de aguas residuales incluyen sedimento activado, filtro de escurrimiento lento y procesos de aireación con discos giratorios y similares . Un problema común para estos procesos de tratamiento de aguas convencionales es que requieren de un gran equipo y huellas de proceso debido a su pequeña REF.: 173369 capacidad de tratamiento por volumen unitario. El proceso de sedimento activado sufre de otras deficiencias particulares. Por ejemplo, requiere la aireación de aguas residuales a través de la introducción intensiva de burbujas de aire al agua ("burbujeo"), lo cual puede ser muy costoso debido a las grandes cantidades de energía necesarias para operar el equipo de burbujeo convencional, y lo cual causa dificultad para controlar la aireación y mezclado de las aguas residuales independientemente. Además, el burbujeo es ineficiente toda vez que un gran porcentaje del gas ingresado se pierde cuando las burbujas estallan en la parte superior del tanque de aireación, a menos que se use un reciclaje de gases de capital intensivo. Otra desventaja del proceso de sedimento activado es que la población de microbios en el reactor típicamente comprende principalmente microbios aeróbicos, mientras que los microbios anaeróbicos se requieren adicionalmente para la remoción completa o casi completa de algunos contaminantes. Otra desventaja más es que el proceso requiere que el líquido tratado, incluyendo los microbios en el líquido, vaya a tanques de sedimentación en donde permanece durante cierto tiempo para permitir que los microbios se sedimenten fuera del líquido, de tal manera que puedan ser reciclados de nuevo al reactor. Otra desventaja del proceso de sedimento activado es que genera una gran cantidad de microbios excesivos, cuyo desecho es intensivo en energía y costoso. Una variedad de tecnologías de membrana han sido desarrolladas para resolver algunos de los problemas presentados por el tratamiento de aguas residuales . Por ejemplo, los biorreactores de membranas (MBRs) han sido desarrollados para reemplazar los tanques de sedimentación secundarios convencionales que se encuentran comúnmente en las plantas municipales de tratamiento de aguas residuales . En esta capacidad, los MBRs funcionan esencialmente como filtros de líquidos. El agua en el tanque de sedimento activado es extraída a través de la membrana permeable a agua del MBR, mientras que los sólidos suspendidos, bacterias y la mayoría de los virus se retienen. Al actuar como un filtro para bacterias, los MBRs proporcionan un número de ventajas sobre los tanques de sedimentación más convencionales, tales como proporcionar tiempos de retención y concentraciones de células microbianas más altos, producción reducida de microbios en exceso y huellas de proceso más pequeñas . Además, los biorreactores de aireación de membranas (MABRs) han sido desarrollados con el potencial de reemplazar los burbujeadores de aire convencionales que se usan comúnmente en tanques de sedimento activado. Estos burbujeadores sirven para suministrar burbujas de aire (que contienen oxígeno) a bacterias suspendidas, las cuales catalizan la oxidación de contaminantes orgánicos en el agua.

Usando un MABR, una película microbiana crece sobre una membrana permeable a gases e impermeable a agua, y un gas se suministra directamente a la película microbiana a través de la membrana. Cuando aire u otro gas que contiene oxígeno es suministrado a través de las membranas, la película microbiana resultante puede comprender tipos de bacterias tanto aeróbicas como anaeróbicas en una variedad más amplia que aquella encontrada típicamente en un tanque burbujeado convencional, dando como resultado así una remoción incrementada de nitrógeno y otros contaminantes. Los MABRs son también medios más eficientes en consumo de energía para el suministro de oxígeno a los microbios y de esta manera son potencialmente menos costosos de operar que los burbujeadores de aire convencionales . Aparte de gases que contienen oxígeno, las membranas de los MABR pueden usarse suministrar otros gases a microbios en el agua. Por ejemplo, las mezclas de gases que contienen metano pueden usarse adecuadamente cuando la población microbiana comprenda bacterias metilotróficas . Los biorreactores de membranas extractoras (EMBRs) son una tercera tecnología a base de membranas usada en el tratamiento de aguas residuales y gases residuales. En esta aplicación, se usan membranas para extraer moléculas orgánicas hidrosolúbles y degradables de un fluido en un medio acuoso. Los constituyentes orgánicos extraídos se tratan mediante microorganismos depositados y colocados ya sea en el medio acuoso o en un reactor biológico externo. Otras aplicaciones de tecnologías de membrana incluyen la desgasificación de líquidos, en la cual un gas soluble se extrae de un líquido (por ejemplo, agua) dispuesto sobre un lado de una membrana permeable a gases al cruzar la membrana en un líquido o gas dispuesto sobre el lado opuesto de la membrana. La desgasificación de líquidos es útil, por ejemplo, en el proceso de producción de agua ultra pura. Un proceso similar, llamado pervaporación, se usa para extraer compuestos orgánicos volátiles de un líquido dispuesto sobre un lado de una membrana selectivamente permeable, los compuestos orgánicos volátiles pasando a través de las membranas al interior de una corriente de fluido dispuesta sobre el lado opuesto. También se usan tecnologías de membrana para la humidificación, en la cual un gas inicialmente seco dispuesto sobre un lado de una membrana selectivamente permeable es humidificado por el paso de vapor de agua a través de la membrana, el vapor de agua se origina de agua líquida dispuesta sobre el lado opuesto de la membrana. Otra aplicación de tecnologías de membrana es la gasificación de líquidos, en la cual por lo menos un constituyente de una mezcla de gases dispuesta sobre un lado de una membrana selectivamente permeable se transporta a través de la membrana y de esta manera se disuelve en un líquido dispuesto sobre el lado opuesto de la membrana. Los dispositivos de membranas de fluido descritos arriba, por ejemplo, MBRs, MABRs y/o EMBRs, generalmente tienen una de las siguientes estructuras de membrana: membranas tubulares, de fibras huecas o membranas porosas en forma de hoja plana. Las membranas porosas de hoja plana pueden ensamblarse en cartuchos plegados, módulos devanados espiralmente o configuraciones de placa y armazón. Los módulos de membranas de hojas planas de placa y armazón son típicamente más fáciles de limpiar que otros tipos de módulos de membranas. Las membranas porosas de hoja plana que están incluidas como parte de los módulos de placa y armazón junto con membranas de fibras huecas son las formas predominantes de configuraciones de membrana actualmente usadas en el procesamiento de aguas residuales. Sin embargo, permanece la necesidad de dispositivos de membranas que sean capaces de ayudar en el tratamiento de agua y aguas residuales, especialmente a la escala más grande que se requiere para el tratamiento municipal y/o industrial de aguas residuales.

Breve descripción de la invención La presente invención incorpora un módulo de membranas para transferir un constituyente hacia o desde un fluido. El módulo de la invención incluye por lo menos dos elementos de membrana de hoja plana, cada elemento tiene una porción interior y una porción exterior; y al menos un colector primario que está unido a los elementos de membrana. El colector primario está conectado a la porción interior de los elementos de membrana y es por lo tanto capaz de transferir fluidos (ya sea líquidos o gases, o mezclas de los mismos) hacia o desde estas regiones interiores. En varias modalidades de la invención, el módulo de membranas incluye además un espacio entre los elementos de membrana, y un medio para suministrar burbujas de gas al espacio entre los elementos de membrana cuando el módulo de membranas sea sumergido en un líquido, por ejemplo agua. Se puede usar un separador para separar elementos de membrana adyacentes, manteniéndolos en su lugar a una distancia aparte fija. Típicamente, las burbujas suministradas al espacio entre los elementos de membrana varían en tamaño de alrededor de 0.5 mm a aproximadamente 50 mm, y más típicamente alrededor de 1 mm a aproximadamente 12 mm. En una modalidad de la invención, el colector primario que está unido a los elementos de membrana comprende por lo menos un canal de flujo de fluidos que lleva un fluido hacia o desde la porción interior de los elementos de membrana. En otras modalidades, el colector puede comprender además un segundo canal flujo que lleve un gas para su suministro al espacio entre los elementos de membrana. En otra modalidad más, el colector comprende perforaciones que son capaces de recibir burbujas de gas suministradas desde abajo del módulo de membranas y suministrar las burbujas al espacio entre los elementos de membrana. Opcionalmente, el colector puede comprender canales en forma de V o angulados dispuestos debajo de las perforaciones, de tal manera que burbujas finas suministradas desde abajo del módulo de membranas se combinen juntas para formar grandes burbujas que entren en el espacio entre los elementos de membrana a través de las perforaciones . Como alternativa, las perforaciones pueden permitir el paso de burbujas de gas suministradas desde un canal de flujo en el colector primario hacia los espacios entre membranas . El módulo puede incluir opcionalmente un segundo colector primario que sea de preferencia colocado en el extremo opuesto de los elementos de membrana. El segundo colector primario puede configurarse de tal manera que disperse las burbujas de gas que sean suministradas a los espacios entre los elementos de membrana, evitando así que las burbujas de gas se acumulen dentro del módulo. Por ejemplo, el segundo colector primario puede contener perforaciones o tener una forma biselada o angulada para permitir que las burbujas de gas se dispersen. En ciertas modalidades, el módulo también incluye por lo menos un colector secundario que está conectado a un colector primario y suministra un fluido hacia y/o desde el colector primario. Los módulos de membrana de la invención pueden ensamblarse más para formar casetes de membranas . Los casetes de membranas comprenden por lo menos dos módulos de membranas que han sido conectados juntos. Los casetes pueden ser alojados dentro de un armazón que soporte y proteja los componentes de los módulos de membranas y los mantenga en su lugar. Los casetes de membranas pueden usarse en una variedad de aplicaciones dependiendo de los elementos de membrana particulares usados. Por ejemplo, los casetes que comprenden elementos de membrana de filtración o elementos de membrana diseñados para la transferencia selectiva de masas pueden usarse en instalaciones de tratamiento de aguas residuales municipales, industriales o residenciales (sépticas) (por ejemplo, como MBRs, MABRs o EMBRs) ; en instalaciones para la producción de agua potable o ultra pura, o en cualquier otra aplicación en la cual un constituyente de un fluido sea transferido a un segundo fluido a través de una membrana selectivamente permeable, o en la cual un constituyente de una mezcla de fluidos se concentre al pasar el fluido a través de una membrana selectivamente permeable dando como resultado la producción de una mezcla de fluidos más magra en la corriente descendente constituyente de la membrana.

Otras características y ventajas de la invención serán aparentes de la siguiente descripción detallada, las figuras y las reivindicaciones .

Definiciones Por "fluido" se intenta decir ya sea un líquido o un gas, o cualquier mezcla de los mismos. "Fluido" se usa también para designar una mezcla de líquidos que puede contener sólidos suspendidos. Por "elemento de membrana" se intenta decir una estructura de membrana que define un espacio interior y un espacio exterior divididos por una membrana selectivamente permeable a fluidos . Una "estructura de membranas" significa que tiene una membrana sobre un soporte (o una membrana que de otra manera está auto-soportada) de tal manera que la membrana permita el transporte selectivo de al menos un constituyente de una mezcla de fluidos a través de la membrana mientras evite selectivamente el transporte de otros constituyentes, o de tal forma que por lo menos un constituyente de una primera mezcla de fluidos A pueda ser transportado a través de la membrana hasta una segunda mezcla de fluidos B dispuesta sobre el lado opuesto de la membrana sin el transporte de al menos un constituyente de la mezcla de fluidos B en la mezcla de fluidos A.

Por "elemento de membrana de hoja plana" se intenta decir un elemento de membrana que incluye opcionalmente una placa de soporte que actúa como una capa de suministro .o recolección de fluidos, y una o dos membranas de hoja plana selectivamente permeables a fluidos . Una "hoja plana" significa que tiene una estructura en forma de una hoja, la cual es una masa sustancialmente plana y ancha que tiene una superficie o superficies continuas . Por "módulo de membranas" se intenta decir un ensamble de dos o más elementos de membrana conectados, de preferencia en forma permanente, a uno o más colectores primarios comunes . Por "cásete de membranas" se intenta decir un ensamble integrado que comprende dos o más módulos de membranas que están multiplicados colectivamente para el transporte de fluidos hacia y/o desde el interior de los elementos de membrana. Opcionalmente, los casetes de membranas pueden tener ensambles adicionales para la generación de burbujas de gas y/o flujos de líquido controlados, y para proporcionar el suministro de líquidos y/o gases hacia o desde elementos de membrana por medio de un colector primario y opcionalmente colectores secundarios . Por "colector" se intenta decir una estructura que hace posible el transporte de un fluido entre dos ubicaciones . Por "colector primario" se intenta decir un colector conectado a uno o más elementos de membrana para proporcionar el transporte de un fluido hacia o desde la porción interior de cada elemento de membrana. Por "colector secundario" se intenta decir un colector conectado a por lo menos un colector primario para proporcionar el transporte de un fluido hacia o desde el interior del colector primario. Por "colectados" se intenta decir una conexión o unión formada entre dos o más elementos estructurales, por ejemplo elementos de membrana, por medio de un colector. Por "conexión fluida" se intenta decir que dos o más componentes o compartimientos están conectados para permitir así el paso de un fluido entre ellos. Breve descripción de las figuras La figura 1 es un diagrama esquemático de un módulo de membranas que tiene una configuración de "calle sin salida" incluyendo una vista transversal del elemento de membrana (ÍA) . La figura ÍA es una vista transversal del elemento de membranas . La figura 2 es un diagrama esquemático que muestra los componentes separados de un módulo de membranas . La figura 3 es un diagrama esquemático que muestra una vista transversal de un colector primario ejemplar útil para conectar una pluralidad de elementos de membrana. Las figuras 4A y 4B son diagramas esquemáticos que muestran la fijación de dos colectores secundarios a las cámaras de un colector primario. Las figuras 5A y 5B son diagramas que ilustran el sellado de elementos de membrana a las cámaras de un colector primario . La figura 6 es un diagrama esquemático que muestra un grupo de módulo de membranas ensamblados juntos para formar un cásete de membranas integrado. Las figuras 7A y 7B son diagramas que muestran un colector primario extruido a partir de (A) el lado que se fija a los elementos de membrana y (B) el lado opuesto al lado que se fija a los elementos de membrana. La figura 8 muestra una vista transversal de un módulo de membranas que tiene una disposición de "paso de flujo", que comprende dos colectores primarios para permitir que el flujo de un fluido al interior de un extremo de los elementos de membrana y fuera del extremo opuesto, los colectores primarios estando configurados para permitir que burbujas introducidas en el espacio entre los elementos de membrana escapen del módulo en la parte superior. La figura 9 muestra una vista transversal de la porción inferior de un módulo de membranas diseñado para combinar burbujas finas suministradas debajo del módulo de membranas con burbujas más grandes que entran en los espacios entre los elementos de membrana a través de perforaciones en el colector. La figura 10 es un diagrama que muestra el ensamble de un cásete de membrana que comprende dos módulos de membranas que tienen un diseño de "paso de flujo" . La figura 11 es un diagrama que muestra un cásete de membranas completamente ensamblado dentro de un armazón de soporte . La figura 12 es un diagrama esquemático de un cásete de membranas en el cual los elementos de membrana están montados verticalmente, con las membranas paralelas al lado corto del cásete. El cásete tiene diez módulos de membranas de "paso de flujo", cada módulo comprende elementos de membrana de hoja plana unidos a colectores primarios en la parte superior y fondo del módulo. La figura 13 es un diagrama esquemático que muestra un cásete de membranas en el cual los elementos de membrana están montados verticalmente, con las membranas paralelas al lado largo del cásete . El cásete tiene dos módulos de membranas de "calle sin salida" (es decir, colectados sobre un lado únicamente) , cada módulo comprende elementos de membrana de hoja plana unidos a un colector localizado sobre el lado del módulo . Las figuras 14A y 14B son diagramas esquemáticos que muestran módulos de membranas que tienen colectores primarios biselados localizados en un extremo (por ejemplo, la parte superior) del módulo para permitir que las burbujas de gas en elevación escapen en el lado del módulo de membrana. La figura 15 es un diagrama que muestra un módulo de membranas tipo paso de flujo con un colector primario superior biselado para facilitar la dispersión de burbujas y un colector primario localizado en la base del módulo que está unido a dos colectores secundarios. Las figuras 16A y 16B son diagramas que muestran una vista superior y una vista frontal, respectivamente, de un módulo de membranas que comprende separadores de borde, dispuestos sobre los bordes laterales de los elementos de membrana, y separadores individuales, dispuestos en los espacios entre elementos de membrana adyacentes, ambos de los cuales tipos de separadores ayudan en el mantenimiento de una separación uniforme entre los elementos de membrana.

Descripción detallada de la invención La presente invención proporciona ensambles de membranas integrados que pueden usarse para transferir selectivamente un constituyente hacia o desde un fluido. Más específicamente, la invención incorpora módulos de membranas que comprenden dos o más elementos de membrana que están unidos a un colector común. Dos o más módulos de membranas pueden combinarse para formar casetes de membranas integrados que sean útiles para una variedad de aplicaciones de filtración de líquidos y suministro de líquidos . En particular, estos casetes pueden colocarse en un tanque de agua u otro fluido para ayudar así a la filtración, purificación y/u otros procesos de tratamiento de agua o aguas residuales . Un módulo de membranas ej emplar 1 de acuerdo con la invención se ilustra en las figuras 1 y 2. El módulo de membranas 1 incluye una pluralidad de elementos de membrana de hoja plana 2, cada uno de los cuales está unido a un colector primario común 4. Este colector primario 4 puede tener perforaciones 6 para proporcionar burbujas de gas a los espacios 8 entre los elementos de membrana de hoja plana 2. En una modalidad, los elementos de membrana 2 tienen superficies de membrana exteriores 16 y espacios interiores 18, como se muestra en la figura ÍA. El colector primario 4 está conectado a espacios interiores 18 de cada uno de los elementos de membrana de hoja plana 2, y es de esta manera capaz de suministrar o remover un fluido a estos espacios internos 18. Todos los bordes de los elementos de membrana que no están conectados al colector 4 son de preferencia sellados, por ejemplo con una cinta adhesiva sensible a la presión, para evitar el derrame de fluidos hacia adentro o hacia afuera de los conductos interiores de los elementos de membrana. Como alternativa, los bordes pueden ser sellados por otros métodos, por ejemplo, mediante unión térmica, unión ultrasónica, unión por radiofrecuencia, unión con adhesivo o la aplicación de un sello adhesivo, procesamiento por microondas usando un susceptor de microondas adecuado, o una combinación de los métodos citados arriba. Puede usarse cualquier método para sellar los bordes de los elementos de membrana no conectados al colector primario, siempre y cuando los sellos formados de esta manera sean de preferencia sustancialmente impermeables a agua y estructuralmente firmes . Existe una variedad de elementos de membrana de hoja plana que son adecuados para usarse en los módulos de membranas y casetes de membranas de la presente invención. Por ejemplo, U.S.S.N.s 10/017,632, 10/437,799 y 10/438,090, describen todas membranas de hoja plana que pueden colectarse o conectarse juntas para crear un módulo de membranas de acuerdo con la invención. En ciertas implementaciones, los elementos de membrana son membranas tipo MBR, MABR o EMBR. Los elementos de membrana de MBRs típicos comprenden membranas microporosas y permeables a agua. Estas membranas forman las paredes exteriores de los elementos de membrana y permiten que el agua pase a través dentro de los conductos interiores del elemento de membrana. Aunque son permeables al agua, las membranas bloquean las bacterias y la mayoría de las partículas, y de esta manera el agua es filtrada al pasar a través de las paredes de la membrana hacia los conductos interiores de los elementos de membrana. Los elementos de membrana de MABR son útiles para cultivar películas microbianas. Los microbios ayudan en el tratamiento de agua al consumir y degradar materiales no deseados en el agua. Los MABRs generalmente comprenden membranas que son permeables a gases, pero impermeables a agua. La película microbiana se cultiva sobre la superficie exterior de la membrana y aire u otro gas es suministrado a los microbios al pasarlo desde las regiones interiores del elemento de membrana a través de la pared de la membrana y directamente dentro de la película microbiana que crece sobre la superficie exterior de la membrana. También se pueden suministrar gases a las películas microbianas que crezcan en las membranas, y/o microorganismos suspendidos en el agua entre las membranas, por medio de burbujas de gas que sean suministradas a los espacios entre los elementos de membrana mediante, por ejemplo, el colector primario que conecta los elementos de membrana. Además, las burbujas de gas suministradas a los espacios entre los elementos de membrana pueden servir para controlar el espesor de las películas microbianas que crezcan sobre las membranas al remover el exceso de material microbiano mientras se elevan entre los elementos de membrana. Comúnmente, el gas suministrado a los espacios entre las membranas es aire, toda vez que el aire contiene oxígeno que se requiere por los microbios y es económico de suministrar. Una vista transversal del colector primario 4 se muestra en la figura 3. El colector primario 4 comprende ranuras 24 para recibir elementos de membrana, y también contiene cámaras de flujo primarias 20 que se usan para transportar un fluido hacia o desde los conductos interiores de los elementos de membrana. Cuando un elemento de membrana de MBR se usa en el módulo, las cámaras de flujo primarias 20 generalmente estarán recibiendo fluido desde los espacios internos del elemento de membrana mientras filtra el líquido (por ejemplo, agua) desde afuera de la membrana. Cuando se usa un elemento de membrana de MABR en el módulo, las cámaras 20 pueden configurarse ya sea para recibir gas o suministrar gas a los espacios interiores de la membrana. Una colección de cámaras de flujo secundarias 22, las cuales contienen perforaciones 6, se usa para suministrar burbujas de gas a los espacios entre las membranas . En una modalidad de la invención, un colector secundario 10 está conectado a cada lado del colector primario 4 para proporcionar el transporte de un líquido y/o un gas hacia o desde las cámaras del colector primario (véase figuras 1 y 2) . El colector secundario 10 tiene generalmente un accesorio 14 para conectarse a una fuente de fluido o receptáculo . En modalidades en las que el módulo de membranas no tiene un colector secundario, el accesorio 14 se unirá directamente al colector primario, como se muestra en las figuras 14A y 14B. Como se muestra en las figuras 4A y 4B, el módulo puede incluir dos colectores secundarios separados 10a, 10b para suministrar fluido a las cámaras del colector primario 4. Por ejemplo, un colector secundario 10a tiene una serie de orificios 36a que lo conectan a las cámaras de flujo primarias 20 del colector primario 4, mientras que el otro colector secundario 10b tiene una serie de orificios 36b que lo conectan a las cámaras de flujo secundarias 22 del colector primario 4. De esta manera, los colectores secundarios 10a, 10b son capaces de suministrar a las cámaras de flujo 20, 22 del colector primario 4 los fluidos separados según se desee. Dos o más módulos de membranas pueden integrarse para formar un c sete de membranas . Un cásete de membranas ejemplar, que comprende tres módulos de membranas la, Ib y lc, se muestra en la figura 6. El cásete también puede incluir un armazón que soporte los elementos de membrana, así como los demás componentes de los módulos de membranas, incluyendo los colectores primarios y secundarios que proporcionan un medio para transportar fluido hacia y/o desde el interior de los elementos de membrana. La figura 10 ilustra cómo un módulo 30 puede ser colocado dentro del armazón 32. Además, el armazón puede soportar un medio para transportar fluido hacia y/o desde los colectores primarios y secundarios, así como otros dispositivos que se pueden usar en conjunto con los módulos de membranas, incluyendo dispositivos para mantener espacios definidos entre elementos de membrana, equipo para producir burbujas de aire para la limpieza de las membranas, chorros de agua y/o paneles de envolventes para dirigir el movimiento de agua y/o burbujas de gas entre los elementos de membrana. Los casetes de membranas integrados de la invención son adecuados para tratar grandes volúmenes de aguas residuales y se pueden instalar fácilmente en una planta de tratamiento de aguas residuales. Los métodos para fabricar colectores, elementos de membrana, armazones y otros componentes de los dispositivos de la invención se conocen bien. Los diferentes componentes de los módulos de . membranas o casetes de membranas pueden construirse de cualquier material adecuado y pueden ensamblarse juntos usando cualquiera o una combinación de métodos de unión, de preferencia unos que creen sellos herméticos a agua entre los componentes del módulo. En algunas modalidades de la invención, los elementos de membrana son unidos permanentemente al colector primario. Se puede usar una variedad de métodos para conectar los elementos de membrana a las cámaras de un colector primario. Como se muestra en las figuras 5A y 5B, un método es aplicar esferas de sellador 26a, 26b sobre las superficies exteriores de los elementos de membrana 2 en el extremo que será conectado al colector 4. Adyacente a las cámaras de flujo de fluido primarias 20, el colector 4 tiene ranuras 24 con la dimensión adecuada para aceptar los elementos de membrana 2. Cuando los elementos de membrana 2 son puestos en las ranuras 24 sobre el colector 4, el sellador 26 une los elementos de membrana 2 al colector primario 4, creando de preferencia un sello hermético a agua. Como alternativa, los elementos de membrana pueden insertarse en las ranuras del colector, después de lo cual líneas de sellador pueden aplicarse en las intersecciones entre los elementos de membrana y el colector. Los selladores que se prefieren tienen una vida útil lo suficientemente larga como para proporcionar la alineación y ajuste de partes durante el ensamble, endurecidos hasta una resistencia de manejo lo suficientemente rápido como para minimizar el tiempo de instalación durante el ensamble, tienen una viscosidad lo suficientemente alta como para hacerles posible conservar la forma de una esfera cuando se aplican a las superficies de las membranas pero lo suficientemente baja como para fluir dentro y llenar el volumen entre las partes acopladas proporcionando así un sello sustancialmente hermético a agua, exhiben alta resistencia al desprendimiento cuando son unidos a las superficies exteriores del elemento de membrana y el colector, son lo suficientemente flexibles cuando se endurecen para evitar el agrietamiento si las partes acopladas son dobladas, son sustancialmente impermeables a agua y no se degradan o se debilitan sustancialmente en el agua. Un ejemplo de un sellador adecuado es un adhesivo epóxico de mercapteno de dos partes, disponible de 3M Company (San Paul, MN) con la designación comercial Adhesivo Epóxico Transparente SCOTCH-WELD™ DP-105 de 3M™, el cual tiene una vida de trabajo de 4 minutos, un tiempo para lograr resistencia al manejo de 20 minutos, una viscosidad base de 1-5 kg/(m*s) a 27°C y una viscosidad aceleradora de 8-16 kg/(m*s) a 27°C, una resistencia al esfuerzo cortante de traslape de 6.9 kPa sobre polipropileno (ASTM D 1002-72) y un alargamiento de 120% (ASTM D 882) después del curado. Los selladores alternativos que pueden usarse incluyen aquellos que comprenden adhesivos epóxicos, adhesivos de poliuretano, adhesivos de poliéster, adhesivos acrílicos, adhesivos de silicón y otros selladores, adhesivos y compuestos de encapsulado a base de solventes o curados térmicamente . Los elementos de membrana 2 pueden ser sellados al colector 4 uno por uno, o pueden ponerse en las ranuras 24 del colector 4 simultáneamente para ayudar a asegurar una mejor alineación de los elementos de membrana. Una forma de lograr la inserción simultanea de una pluralidad de elementos de membrana 2 en una pluralidad de ranuras 24 del colector 4 es la de construir primero una pila de elementos de membrana 2 alternantes y placas separadoras 40 como se ilustra en las figuras 5A y 5B. Las placas separadoras 40 pueden hacerse de cualquier material adecuado y típicamente tienen un espesor adecuado de tal forma que la separación de centro a centro de los elementos de membrana 2 en la pila alternante sea sustancialmente igual a la separación de centro a centro de las ranuras 24 en el colector 4. Esferas de sellador 26a, 26b son después aplicadas a la pluralidad de elementos de membrana, después de lo cual el colector 4 es movido hacia la pila alternante de elementos de membrana 2 y placas separadoras 40, de tal forma que los extremos de una pluralidad de elementos de membrana 2 sean insertados simultáneamente en las ranuras 24 del colector 4, después de lo cual el sellador 26 una los elementos de membrana 2 al colector 4. Las placas separadoras 40 son después retiradas de los espacios entre los elementos de membrana 2. Pueden usarse otros medios para facilitar la unión de los elementos de membrana 2 al colector 4 , asegurando al mismo tiempo una adecuada alineación de los elementos de membrana 2. Por ejemplo, los elementos de membrana pueden ser insertados verticalmente a través de un conjunto de ranuras paralelas dispuestas en una superficie horizontal, las ranuras en la superficie horizontal teniendo una separación adecuada y estando dispuestas sobre el colector primario de tal manera que los elementos de membrana sean guiados dentro de las ranuras en el colector primario. Muchas instalaciones y aparatos pueden contemplarse para ayudar en la unión de los elementos de membrana al colector primario. Es deseable que el método y aparato usados deban proporcionar sellos herméticos a agua entre los elementos de membrana y el colector, una alta velocidad de fabricación y una adecuada alineación de los elementos de membrana. Como se mencionó arriba, los elementos de membrana de la invención están unidos a por lo menos un colector común, y en algunas modalidades, los elementos de membrana pueden ser unidos a más de un colector primario. Los colectores primarios pueden ser unidos a cualquiera de los bordes de los elementos de membrana (es decir, superior, inferior, lado izquierdo o lado derecho) . El borde o bordes de los elementos de membrana que están unidos a los colectores deben ser abiertos a la porción interior de los elementos de membrana (es decir, no deben ser sellados) para permitir que el fluido pase hacia o desde un canal .de flujo del colector. Los elementos de membrana pueden ser dispuestos para quedar paralelos a cualquier lado del módulo o cásete.

Los elementos de membrana pueden ser dispuestos verticalmente u horizontalmente dentro de un módulo o cásete, aunque una disposición vertical generalmente proporciona un mantenimiento y limpieza más fáciles. Por ejemplo, la figura 12 muestra una modalidad de un cásete de membranas en el cual los elementos de membrana están colectados o conectados en la parte superior e inferior de los módulos (la-lj) en una disposición vertical y alineados paralelos al lado corto del cásete . La figura 13 muestra una modalidad en la cual los elementos de membrana están conectados sobre un lado de los módulos (la y Ib) en una disposición vertical y alineados paralelos al lado largo del cásete. Éstos ilustran sólo pocas de las muchas disposiciones posibles de elementos de membrana dentro de los módulos y casetes . Los módulos de membranas ilustrados en las figuras 1 y 2 sólo tienen un colector primario y de esta manera poseen lo que se conoce como una geometría de "calle sin salida" . El fluido puede fluir dentro o fuera del interior de las membranas solo a través del único colector primario o al pasar a través de la propia membrana. Sin embargo, en modalidades alternativas, los módulos pueden tener un segundo colector primario, conectado típicamente al extremo opuesto de los elementos de membrana, en lo que se conoce como una geometría de "paso de flujo". Con una disposición de paso de flujo, cada elementos de membrana está en conexión fluida con dos colectores primarios dispuestos generalmente en extremos opuestos de los elementos de membrana. Las configuraciones de calle sin salida son particularmente útiles para MBRs en los cuales el colector primario proporciona la remoción de líquido que atraviesa la membrana al interior de los elementos de membrana. Las configuraciones de calle sin salida también se pueden usar para MABRs en los cuales el colector primario proporcione el suministro de un gas al interior de los elementos de membrana bajo presión, la única salida para el gas siendo el transporte a través de la membrana. Las configuraciones de paso de flujo son útiles para MABRs en los cuales se desee que el gas sea transportado a través de los elementos de membrana desde un colector primario corriente arriba hasta un colector primario corriente abajo de tal manera que sólo una fracción del gas ingresado sea transportada a través de la membrana, el resto siendo expulsado a través del colector primario corriente abajo. En una modalidad de un diseño de paso de flujo, un colector primario se localiza en la base de los elementos de membrana y un segundo colector primario se localiza en la parte superior, como se muestra en las figuras 8 y 10. La figura 8 muestra un módulo de membranas que comprende elementos de membrana 2 unidos a dos colectores primarios comunes 4a y 4b. El colector primario inferior 4a comprende cámaras de flujo 22 y perforaciones 6 para el suministro de burbujas de gas a los espacios entre los elementos de membrana 2. En algunas modalidades, las cámaras de flujo del colector inferior también pueden tener perforaciones sobre el lado opuesto (inferior) de la cámara, tal como cuando los módulos de membranas son apilados verticalmente uno sobre el otro, o cuando se producen burbujas de gas desde abajo del módulo. El colector localizado en la parte superior del módulo puede adaptarse para dispersar burbujas en elevación que sean suministradas al interior del espacio entre los elementos de membrana por el colector primario localizado en la base del módulo. Por ejemplo, el colector en la parte superior del módulo puede tener perforaciones 6 en las cámaras secundarias permitiéndoles recibir las burbujas en elevación y permitiendo que las burbujas pasen a través del colector sin acumularse en el módulo. La figura 8 ilustra cómo el colector superior 4b puede incluir perforaciones o ranuras 42 para permitir que burbujas de gas pasen a través del colector 4b y de esta manera escapen del módulo de membranas. Las figuras 7A y 7B también ilustran un colector 4 que tiene ranuras de paso 42 que permiten que burbujas de aire pasen completamente a través del colector. En modalidades alternativas, el colector superior puede tener una forma biselada o angulada como se muestra en las figuras 14A, 14B y 15. Al entrar en contacto con el colector las burbujas que se elevan, la forma angulada dirige las burbujas a los lados de los módulos, evitando así que las burbujas se acumulen en el dispositivo. Aunque el propio colector primario puede configurarse para suministrar burbujas a los espacios entre los elementos de membrana de un módulo de membranas, como alternativa los módulos o casetes pueden incluir un dispositivo separado para generar burbujas de gas. Los medios para proporcionar burbujas de gas a elementos de membrana han sido descritos, por ejemplo, en la patente de E.U.A. No. 5,192,456 y patente de E.U.A. No. 6,294,039. Un propósito para suministrar burbujas de gas a los espacios entre los elementos de membrana es para la depuración con burbujas de las membranas. La depuración ocurre al elevarse hacia arriba las burbujas a través del cásete, pasando entre los elementos de membrana adyacentes . Es deseable obtener un tamaño de burbuja óptimo, de tal forma que las burbujas en elevación choquen simultáneamente sobre ambas membranas adyacentes al elevarse, creando suficientes fuerzas cortantes en las superficies de las membranas como para remover los contaminantes acumulados . En algunas aplicaciones, es deseable proporcionar tanto burbujas finas (para la transferencia de oxígeno al agua que esté siendo tratada) como burbujas gruesas (para la depuración de las membranas) en el mismo módulo o cásete.

Esto es comúnmente adecuado, toda vez que las burbujas finas (que varían en tamaño de alrededor de 0.5 mm a aproximadamente 5 mm de diámetro) son efectivas para transferir oxígeno a microbios en el agua, mientras que las burbujas más grandes comúnmente son más efectivas para la depuración con burbujas de las membranas. La figura 9 muestra un vista transversal del colector primario inferior 4 y porciones inferiores de los elementos de membrana 2 de un módulo de membranas ejemplar configurado para proporcionar tanto burbujas finas 46 como burbujas gruesas 48. Las burbujas finas 46 son suministradas desde abajo del módulo de membranas por cualquiera de una variedad de medios que se conocen bien. Canales en forma de V o inclinados 44 en el colector 4 combinan las burbujas finas 46 con burbujas más grandes 48 que son introducidas en los espacios 8 entre los elementos de membrana 2 a través de perforaciones 6 en el colector 4. En disposiciones tales como la mostrada en la figura 13, cuando los módulos de membranas son conectados sobre los lados de los elementos de membrana, la parte superior e inferior de los elementos de membrana están libres para el suministro de burbujas de gas por medio de un dispositivo de suministro de gas dedicado (no mostrado) . La profundidad del dispositivo de suministro de gas en relación a los elementos de membrana se puede usar para adecuar el tamaño promedio de las burbujas que choquen con las membranas. Además, medios para combinar burbujas, tales como un conjunto de mamparas anguladas, pueden ser colocados entre el colector de suministro de aire y el fondo de la membrana, con el propósito de combinar burbujas finas con burbujas gruesas de un tamaño controlado antes del contacto entre las burbujas y las membranas. En ciertas modalidades de la invención es deseable mantener los paneles o elementos de membrana de hoja plana sustancialmente rectos y mantener la separación entre paneles adecuada. Esto se puede lograr, por ejemplo, al aplicar tensión en los extremos del colector. La tensión puede mantenerse "por varillas tirantes o un componente estructural en el armazón que separe y/o mantenga unidos los paneles conectados o colectados. El tensado de este tipo se puede llevar a cabo en los extremos conectados o no conectados por colectores . Como alternativa, se pueden utilizar separadores para mantener los paneles aparte como se muestra en las figuras 1-2 y en las figuras 16A y 16B. Separadores de borde 12 (véanse figuras 1 y 2) , que tienen salientes de un ancho fijo que se extienden parcialmente dentro de los espacios 8 entre elementos de membrana 2 adyacentes , pueden construirse de cualquier material adecuado y pueden fijarse a los bordes de los elementos de membrana 2, por ejemplo, por unión usando un adhesivo adecuado. Como alternativa, separadores individuales 38 pueden colocarse en los espacios 8 entre elementos de membrana 2 adyacentes como se muestra en las figuras 16A y 16B. Los separadores individuales 38 pueden tener cualquier forma y pueden construirse de cualquier material adecuado, y tienen un espesor fijo con el propósito de mantener una distancia aproximadamente uniforme y constante entre elementos de membrana 2 adyacentes . Los separadores individuales 38 pueden ser unidos a por lo menos una superficie de membrana exterior 16 de los elementos de membrana 2, por ejemplo, usando un adhesivo adecuado, durante su fabricación y/o antes de su ensamble en módulos de membranas conectados por colectores . En congruencia con su propósito de mantener una separación aproximadamente uniforme y constante entre elementos de membrana 2 adyacentes, puede ser deseable para ciertas modalidades que los separadores individuales 38 sean de un tamaño relativamente pequeño y usarse en cantidades mínimas, ya que su presencia podría hacer a las porciones de las superficies de membrana selectivamente permeables a fluidos a las cuales están unidos inadecuadas para el propósito de transferencia de fluidos. Los medios para suministrar un fluido dentro o desde las cámaras de un colector, ya sea directamente dentro del colector primario o por medio de un colector secundario unido al colector primario, son varios y bien conocidos, e incluyen la utilización de recipientes presurizados, bombas y/o diferenciales de presión por cabezal de fluidos . La presente invención se ha descrito con referencia a varias modalidades . La anterior descripción de modalidades específicas ha sido proporcionada para ilustrar la invención, y no está destinada a ser limitante del alcance de la misma. Será aparente para aquellos expertos en la técnica que se pueden hacer muchos cambios a las modalidades descritas sin alejarse del espíritu y alcance de la invención. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos o productos a que la misma se refiere.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose- descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un módulo de membranas para transferir un constituyente hacia o desde un fluido, caracterizado porque comprende : a) por lo menos dos elementos de membrana de hoja plana, cada elemento tiene una porción interior y una porción exterior y b) por lo menos un colector primario que está unido permanentemente a los elementos de membrana, en donde el colector primario está en conexión de fluidos con la porción interior de los elementos de membrana.

2. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un espacio entre los elementos de membrana. .

3. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el colector primario comprende medios para suministrar burbujas de gas al espacio entre los elementos de membrana.

4. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque las burbujas varían en tamaño de aproximadamente 0.5 mm a aproximadamente 50 mm.

5. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque las burbujas varían en tamaño de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 12 mm.

6. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el colector primario comprende al menos un canal de flujo de fluidos que lleva un fluido hacia o desde la porción interior de los elementos de membrana.

7. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el colector primario comprende además un segundo canal de flujo que lleva un fluido para su suministro al espacio entre los elementos de membrana.

8. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el fluido comprende un gas.

9. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el colector primario comprende perforaciones para recibir burbujas de gas suministradas desde abajo del módulo de membranas y suministrar las burbujas al espacio entre los elementos de membrana.

10. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el colector primario comprende además canales en forma de V o angulados para recolectar burbujas finas .suministradas desde abajo del módulo de membranas y combinarlas para formar burbujas más grandes para su suministro al espacio entre los elementos de membrana.

11. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque comprende un segundo colector primario que está colocado en el extremo opuesto de los elementos de membrana, en donde el segundo colector primario está en conexión de fluidos con la porción interior de los elementos de membrana.

12. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el segundo colector primario está adaptado para dispersar las burbujas de gas que son suministradas entre los elementos de membrana, evitando así que las burbujas de gas se acumulen dentro del módulo.

13. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el segundo colector primario está perforado para permitir que las burbujas de gas se dispersen.

14. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el segundo colector primario está biselado o angulado para permitir que las burbujas de gas se dispersen.

15. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un separador que separa elementos de hoja plana adyacentes.

16. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además al menos un colector secundario en conexión de fluidos con al menos un colector primario .

17. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque comprende además un colector secundario en conexión de fluidos con el canal de flujo de fluidos del colector primario.

18. El módulo de membranas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque se aplica tensión a los elementos de membrana para ayudar a mantener la separación de los elementos de membrana.

19. Un cásete de membranas caracterizado porque comprende al menos dos de los módulos de membranas de conformidad con la reivindicación 1.

20. El cásete de membranas de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque comprende además un armazón que rodea o soporta los módulos de membranas .