NL1005431C2 - Membraanfiltratiemodule en dergelijke modules omvattend membraanfiltratiesysteem. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Membraanfiltratiemodule en dergelijke modules omvattend membraanfiltratiesys-teem

De uitvinding heeft betrekking op een membraanfiltratiemodule, omvattende een huis, een in het huis opgenomen semi-permeabel membraan met een vloeistofzijde voor het toevoeren van te filtreren vloeistof en een concentraat-5 zijde tegenover de vloeistofzijde, alsmede een het membraan omgevende permeaatruimte, die in verbinding staat met een permeaatafvoerleiding voor het afvoeren van permeaat.

Een dergelijke membraanfiltratiemodule is in het vak bekend. Bij een bekend membraanfiltratiesysteem zijn meer-10 dere modules in serie in een behuizing van het systeem opgesteld. De behuizing heeft aan weerszijden (radiale) toevoeropeningen voor het toevoeren van de te filtreren vloeistof. De modules zijn in de behuizing nauw passend opgesteld, waarbij tussen de modules tussenruimten aanwezig 15 zijn, waarin het concentraat uitstroomt. Deze tussenruimten fungeren eveneens als vloeistoftoevoerruimten voor een in de stromingsrichting gezien daaropvolgende module. De geperforeerde permeaatafvoerleiding strekt zich centraal door elke module en door de tussenruimten uit, waarbij de in de 20 tussenruimten gelegen delen van de permeaatafvoerleiding geen perforaties bevatten of de perforaties in die delen zijn afgedicht. Aan beide zijden van de behuizing van het systeem treedt deze afvoerleiding axiaal naar buiten toe. In het huis van de module bevindt zich een semi-permeabel 25 membraan, zoals een bundel holle vezels, een aantal holle vezelvliesbuizen of een tot een spiraal gewikkeld membraan-patroon. De permeaatruimte is de ruimte rondom het membraan, die door het huis wordt begrensd. Deze bekende systemen worden toegepast met voor microfiltratie, ultrafil-30 tratie, nanofiltratie of voor omgekeerde osmose geschikte membranen.

Tijdens het filtreren (scheiding, zuivering of concen-trering) zetten zich verontreiningingen uit de vloeistof op het membraan en in de tussenruimten af, waardoor de werking 1005431 2 van het systeem verslechtert. Teneinde de filtreerdoelma-tigheid van een dergelijk systeem op een aanvaardbaar niveau te houden, worden de modules periodiek gespoeld. Bij deze spoelbewerking wordt spoelvloeistof via de permeaataf-5 voerleiding in de modules door het membraan heen terugspoelend en in de tussenruimten ingebracht teneinde afgezette verontreinigingen te verwijderen. De spoelvloeistof samen met meegesleurde verontreinigingen stroomt uit het systeem via de vloeistoftoevoeropeningen, die derhalve bij het 10 spoelen als afvoeropeningen dienen. Bij het spoelen bestaat echter het gevaar, dat in de tussenruimten aanwezige verontreinigingen, waarvan tenminste één dimensie door bijvoorbeeld agglomeratie is gegroeid tot groter dan die van de openingen van de vezels of buisjes van het membraan, de 15 toegang tot het membraan voor verontreinigingen met kleinere afmetingen blokkeren en aldus geen goede spoelbewerking kan worden uitgevoerd. Bovendien kunnen deze grote agglomeraten zelf ook niet via het membraan uit het systeem worden verwijderd.

20 Pogingen om dit probleem te ondervangen zijn in het vak bekend en omvatten onder meer het aanbrengen van afzonderlijke spoelvloeistofafvoeropeningen in de tussenruimten, waarvoor echter betrekkelijk dure voorzieningen, zoals leidingen en kleppen, nodig zijn. Een andere oplossing 25 bestaat uit het aanbrengen van één of meer zich van de vloeistofzijde naar de concentraatzijde uitstrekkende buizen met relatief grote diameter in het inwendige van de module, waardoor deze verontreinigingen gemakkelijk uit het systeem verwijderd kunnen worden. Een belangrijk nadeel van 30 deze constructie is echter dat het effectieve membraanop-pervlak in een membraanfiltratiemodule door de aanwezigheid van deze extra buizen kleiner wordt.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een membraan-filtratiemodule te verschaffen, waarbij de hierboven be-35 schreven nadelen geëlimineerd of verminderd zijn.

De membraanfiltratiemodule van het hierboven beschreven type volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de wand van het huis één of meer kanalen met openingen aan beide kopse kanten omvat.

1005431 3

Bij de membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding zijn met het oog op de spoelbewerking één of meer kanalen (hierna ook wel spoelkanalen genoemd) in de wand van het modulehuis zelf aangebracht, waardoor het inwendige van het 5 huis in zijn geheel beschikbaar is voor het semi-permeabele membraan en zodoende de filterwerking niet wezenlijk door de aanwezigheid van dit spoelkanaal of deze -kanalen wordt beïnvloedt. Deze spoelkanalen vormen dus een open verbinding tussen de vloeistofzijde en de concentraatzijde van de 10 module, maar zijn naar de permeaatruimte toe niet open. Bij het filtreren zal ook een kleine hoeveelheid van de te filtreren vloeistof door dit kanaal of deze kanalen vanaf de vloeistofzijde naar de concentraatzijde stromen. Dit verschijnsel treedt echter eveneens op bij de bekende toe-15 passing van extra buizen in het inwendige van het huis. Het huis is op gebruikelijke wijze uit kunststof of metaal vervaardigd. Een belangrijk voordeel van een huis uit kunststof is dat een dergelijk huis gemakkelijk kan worden geproduceerd met behulp van geschikte extrusietechnieken 20 (zie bijvoorbeeld NL-A-7500368) en in voor toepassing als modulehuis geschikte standaardmaten kan worden verkregen, daar een dergelijke produkt reeds als standaardbuis op de markt is. Hierbij fungeren de holten in de wand echter niet als spoelkanalen voor het doorleiden van een vloeistof, 25 maar zijn deze aangebracht teneinde een gewichtsbesparing te geven. Een voorbeeld daarvan zijn (PVC-)buizen, die onder de merknaam MWAVIHOLM door Wavin op de markt worden gebracht. De afmetingen van deze holten zijn voldoende groot om als spoelkanalen te dienen voor de verwijdering 30 van de relatief grote verontreinigingen uit de tussenruimten. De vorm, het aantal en de positie van de kanalen in de wand van het huis zijn niet kritisch. Ronde, vierkante, rechthoekige, zeshoekige en ovale vormen behoren tot de mogelijkheden. Gebruikelijk zijn meerdere kanalen aanwezig, 35 die regelmatig over de wand zijn verdeeld.

De aanwezigheid van deze spoelkanalen is echter ook tijdens filtratie zelf gunstig, daar deze de druk aan weerszijden van een module nivelleren. In het membraan treedt zowel tijdens filtratie als tijdens spoeling een 1005431 4 drukval ten gevolge van axiaal vloeistoftransport in het membraan op. Deze drukval is een de afmetingen van de module beperkende factor, die niet zo groot mag worden dat in stroomafwaarts gelegen gedeelten van het membraan de druk 5 zo laag is geworden, dat daar geen of nauwelijks filtratie of terugspoeling optreedt. De spoelkanalen, die een open verbinding (bypass) tussen de beide zijden van een module vormen, zorgen er voor dat de hydrostatische druk aan beide zijden wordt vereffend zonder verlies aan effectief mem-10 braanoppervlak en de werkdruk in het membraan wordt vergroot. Hierdoor is het eveneens mogelijk de lengte van de module te vergroten, hetgeen een economisch voordeel geeft.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding zijn in de 15 wand van het huis eveneens één of meer tweede, naar de vloeistofzijde en concentraatzijde toe gesloten kanalen aanwezig, welke tweede kanalen in verbinding staan met de permeaatruimte. Gebleken is dat indien het membraan uit holle vezels of vezelvliesbuisjes met een glad buitenop-20 pervlak bestaat, deze onder invloed van tijdens filtratie heersende dwarsstroming zo dicht op elkaar en/of tegen de permeaatafvoerleiding worden geperst, dat door een dichtste pakking geen ruimte voor radiaal vloeistoftransport tussen de membranen overblijft, zodat vloeistofstroming door de 25 poriën naar de permeaatruimte en/of door de perforaties heen wordt geremd en aldus de filterwerking afneemt. Bij deze uitvoeringsvorm van de filtermodule volgens de uitvinding kan het permeaat via de tweede kanalen (hierna ook wel permeaatkanalen genoemd) in de wand van het huis worden 30 afgevoerd. Deze permeaatkanalen kunnen eenvoudig in de bekende standaardbuis worden aangebracht door de binnenwand daarvan gedeeltelijk open te maken, bijvoorbeeld door daarin een groef te frezen of gaten te boren tot aan de tweede kanalen. Op doelmatige wijze staan de tweede kanalen niet 35 in verbinding met de vloeistof- en concentraatzijde, maar zijn de uiteinden van de permeaatkanalen naar zowel de vloeistofzijde als de concentraatzijde afgesloten. Teneinde het permeaat verder af te voeren, dat zich in de tweede kanalen bevindt, staan één of beide uiteinden van deze 1005431 5 permeaatkanalen met voordeel in verbinding met een perme-aatafvoerleiding, bijvoorbeeld bij het stroomafwaartse uiteinde van de permeaatkanalen via een koppelstuk met de centrale permeaatafvoerleiding. Wanneer de totale capaci-5 teit van deze permeaatkanalen groot genoeg is, kan een centrale permeaatafvoerleiding voor een juiste filterwer-king zelfs overbodig zijn. In dat geval staan de tweede kanalen bij voorkeur in verbinding met een buiten het huis aanwezige permeaatverzamelleiding via afvoeropeningen in de 10 buitenwand van het huis. Voor het spoelen van de module is de aanwezigheid van de centrale permeaatafvoerleiding echter gunstig.

Als aanvulling op de permeaatkanalen met de functie het hierboven besproken probleem van remming van de radiale 15 vloeistofstroming te voorkomen kan met voordeel een membraan worden toegepast, dat een eerste membraancomponent met eerste diameter omvat, alsmede een tweede membraancomponent met een tweede diameter, waarbij de tweede diameter groter is dan de eerste diameter. De membraancomponent met 20 relatief grote diameter verhindert het dicht opeen pakken van de andere membraancomponent en zodoende is radiaal permeaattransport gewaarborgd. De membraancomponenten met verschillende diameters kunnen van hetzelfde type zijn, bijvoorbeeld fijne en grove holle vezels of vezelvliesbui-25 zen met verschillende diameters. Combinaties van verschillende typen zijn eveneens mogelijk, bijvoorbeeld holle vezels als membraancomponent met kleine diameter en vezel-vliesbuizen en/of met textiel gewapende capillairen als tweede membraancomponent met relatief grote diameter, met 30 voordeel bedraagt de diameter verhouding van de eerste membraancomponent ten opzichte van de tweede membraancomponent ten minste 1:2. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de filtratiemodule volgens de uitvinding omvat het membraan bundels holle vezels en holle vezelvliesbuizen. Een voor-35 keurspositie van de tweede membraancomponent is rondom de omtrek van een centrale permeaatafvoerleiding. Volgens een andere uitvoeringsvorm is de membraancomponent met relatief grote diameter (ook) bij de binnenwand van het huis van de module opgesteld. Deze laatste uitvoeringsvorm wordt met 1005431 6 voordeel toegepast, wanneer de wand van het huis de hierboven besproken permeaatkanalen omvat. Dergelijke rangschikkingen zijn technisch op relatief eenvoudige wijze te realiseren.

5 De uitvinding heeft tevens betrekking op een membraan- f iltratiesysteem, dat een behuizing met daarin in serie opgestelde membraanfiltratiemodules volgens de uitvinding omvat, alsmede een vloeistoftoevoer en permeaatafvoer.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand 10 van de volgende tekening, waarin:

Fig. 1 een schematische langsdoorsnede van een membraanf iltratiesysteem met meerdere membraanfiltratiemodules volgens de uitvinding is;

Fig. 2 een dwarsdoorsnede van de in fig. 1 weergegeven 15 membraanfiltratiemodule is;

Fig. 3 een dwarsdoorsnede van een andere uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is;

Fig. 4 een dwarsdoorsnede van een verder gemodificeerde 20 uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is;

Fig. 5 een langsdoorsnede van de in fig. 4 weergegeven uitvoeringsvorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is; en 25 Fig. 6 een dwarsdoorsnede van een andere uitvoerings vorm van een membraanfiltratiemodule volgens de uitvinding is.

In fig. 1 is een membraanfiltratiesysteem 1 schematisch in doorsnede weergegeven. Dit systeem 1 omvat een behuizing 30 2 met nabij beide uiteinden daarvan radiale vloeistoftoe- voeropeningen 3, respectievelijk 4, die tevens al dan niet intermitterend als concentraatafvoer dienen tijdens terugspoelen van het systeem. Nauwkeurig passend in de behuizing 2 zijn in het weergegeven systeem 1 een drietal membraan-35 filtratiemodules opgesteld, waarvan de buitenste met ver-wijzingcijfer 5 en de middelste met verwijzingscijfer 5' is aangeduid. Elke module 5 omvat een huis 6, waarvan de opbouw hierna onder verwijzing naar de overige figuren nader zal worden uitgelegd. In het huis 6 bevindt zich een semi- 1005431 7 permeabel membraan 7, bijvoorbeeld een bundel holle vezels of een aantal holle vezelvliesbuizen (weergegeven met dunne horizontale lijnen). De vloeistofzijde van het membraan is met verwijzingscijfer 8 aangeduid, de concentraatzijde met 5 verwijzingscijfer 9. In de module 5 wordt een te filtreren vloeistof, die via de vloeistoftoevoeropeningen 3 en 4 wordt toegevoerd, gescheiden in een permeaat, dat door het membraan 7 heen in een permeaatruimte 10 dringt, en een concentraat, dat niet door het membraan 7 gaat. Het perme-10 aat stroomt vanuit de permeaatruimte 10 in een gedeeltelijk van perforaties voorziene permeaatafvoerleiding 11. In deze leiding 11 wordt het permeaat uit alle modules 5 verzameld en vervolgens aan beide uiteinden van het systeem 1 afgevoerd. Het concentraat stroomt uit de filtermodules 5 in 15 tussenruimten 12 en 13 en vervolgens in de middelste mem-braanfiltratiemodule 5' voor verdere scheiding uit het systeem 1. De uiteinden van het membraan 7 zijn op zich bekende wijze vast bevestigd in het huis 6. Na verloop van tijd is het membraan 7 zo vervuild, dat spoeling daarvan noodza-20 kelijk is. Daartoe wordt spoelvloeistof aan de permeaatafvoerleiding 11 toegevoerd, dat door de perforaties in deze leiding in de permeaatruimte 10 en via het membraan 7, zowel naar de tussenruimten 12 en 13 als (intermitterend) naar de vloeistoftoevoeropeningen 2 en 3 stroomt. In de 25 tussenruimten 12 en 13 opgehoopte verontreinigingen met groter afmetingen dan de openingen van het membraan kunnen echter niet via het membraan 7 worden verwijderd, daar dit vuil te groot is en de toegang tot het membraan 7 ook zal blokkeren voor kleinere vuildeeltjes.

30 Volgens de uitvinding zijn voor de verwijdering daarvan spoelkanalen 21 (zie fig. 2) in de wand 22 van het huis 6 van de modules 5 aangebracht. Deze kanalen 21 met voldoend grote afmetingen verbinden de tussenruimten 12 en 13 met de toevoerruimten aan de andere kant (vloeistofzijde) van de 35 membraanfiltratiemodules 5. De ingebrachte spoelvloeistof sleurt de grote verontreinigingen door deze kanalen 21 mee, waardoor een doelmatige reiniging van het membraanfiltra-tiesysteem wordt bereikt.

De benodigde leidingnetwerken met bijbehorende kleppen 1005431 8 en pompen voor de te filtreren vloeistof en spoelvloeistof zijn om redenen van eenvoud niet in de tekening weergegeven. Verder wordt opgemerkt dat de tekening niet op schaal is weergegeven.

5 In fig. 3 is een verdere uitvoeringsvorm van een fil- termodulehuis volgens de uitvinding in dwarsdoorsnede getekend. Naast de naar het inwendige van het huis toe gesloten spoelkanalen 31, die voor het spoelen belangrijk zijn, is de wand 32 eveneens voorzien van tweede kanalen 33, die op 10 één of meer plaatsen in verbinding staan met de permeaat-ruimte 10. Deze verbinding kan eenvoudig worden gemaakt door over een gedeelte van het binnenoppervlak van het huis een sleuf te frezen of daarin gaten te boren tot aan de tweede permeaatkanalen 33, zodat deze kanalen (gedeelte-15 lijk) bloot komen te liggen. Bij de in fig. 3 weergegeven configuratie wisselen de spoelkanalen 31 en tweede permeaatkanalen 33 elkaar af. Andere configuraties, zoals groepsgewijs (fig. 4), zijn echter ook mogelijk. De tweede kanalen 33 zijn gebruikelijk naar de vloeistofzijde en 20 concentraatzijde van de module afgesloten, zodat het door het membraan gedrongen permeaat niet terug kan stromen. De gesloten uiteinden van de permeaatkanalen 33 verhinderen ook de doorgang van nog niet-gefiltreerde vloeistof. De permeaatkanalen 33 monden aan de andere zijde uit in een 25 niet-weergegeven verbindingsstuk, dat aan een centrale permeaatafvoerleiding is gekoppeld.

Zoals reeds eerder is gesteld, is de functie van de tweede kanalen gericht op het vermijden van een afdichtende en/of stroming blokkerende stapeling van met name gladde 30 vezelbuisjes op elkaar en rondom de centrale permeaataf-voerleiding.

Een verdere modificatie van de wand van het huis is in fig. 4 en 5 weergegeven. Het huis 6 omvat eerste kanalen 41 in de wand 42, die de vloeistofzijde met de concentraatzij-35 de verbinden, alsmede tweede kanalen 43, die aan beide uiteinden gesloten zijn, bijvoorbeeld met een stop 44. De eerste en tweede kanalen zijn groepsgewijs in de wand 42 aanwezig. Voor het afvoeren van permeaat uit de permeaat-ruimte is een groef 45 in de binnenwand 46 van het huis 6 1005431 9 gefreesd. Deze groef 45 strekt in de weergegeven situatie zich over de helft van de binnenomtrek uit en heeft een diepte tot aan de tweede kanalen 43. Verder staan de perme-aatkanalen 43 via afvoeropeningen 47 in de buitenwand 48 5 van het huis 6 in verbinding met een niet-weergegeven per-meaatverzamelleiding, die rondom het huis 6 is gelegen. In fig. 5 is slechts één groef 4 5 getekend. De vakman zal echter begrijpen, dat gebruikelijk meerdere groeven verdeeld over de lengte van het huis 6 aanwezig zullen zijn.

10 In fig. 6 is een dwarsdoorsnede van een verdere uitvoe ringsvorm van een module volgens de uitvinding weergegeven. Rondom de centrale permeaatafvoerleiding 11 zijn een aantal holle vezelvliesbuizen 61 opgesteld teneinde radiaal vloei-stoftransport vanaf bundels holle vezels 62 naar de perme-15 aatafvoerleiding 11 zeker te stellen. Wanneer de wand van het modulehuis 6 eveneens permeaatkanalen (niet weergegeven) omvat, zijn met voordeel ook holle vezelvliesbuizen 63 bij de binnenwand van het huis 6 opgesteld teneinde vloeistof transport naar deze permeaatkanalen te verzekeren. De 20 diameter van de holle vezelvliesbuizen is relatief groot (ongeveer 5 mm) ten opzichte van die van de bundel holle vezels, zodat een dichtste stapeling daarvan - de oorzaak van een radiale vloeistof remming - wordt verhinderd. Verder dragen deze holle vezelvliesbuizen met grotere diameter 2 5 bij aan het nivelleren van de druk aan weerszijden van de module en aan het verwijderen van opgehoopte verontreinigingen uit de tussenruimte door middel van spoelen.

1 0 0 5 4 3 1

Claims (8)

1. Membraanfiltratiemodule (5) , omvattende een huis (6) , een in het huis (6) opgenomen semi-permeabel membraan (7) met een vloeistof zijde (8) voor het invoeren van te filtreren vloeistof en een concentraatzijde (9) tegenover de 5 vloeistofzijde (8), alsmede een het membraan (7) omgevende permeaatruimte (10), die in verbinding staat met een permeaatafvoerleiding (11) voor het afvoeren van permeaat, met het kenmerk dat de wand (22; 32; 42) van het huis (6) één of meer kanalen (21; 31; 41) met openingen aan beide kopse 10 kanten omvat, alsmede één of meer tweede, naar de vloeistof zijde (8) en concentraatzijde (9) toe gesloten kanalen (33; 43) omvat, welke tweede kanalen (33; 43) in verbinding staan roet de permeaatruimte (10), en de binnenwand (46) van het huis (6) gedeeltelijk is voorzien van een groef (45) , 15 waarvan de diepte tot aan de tweede kanalen (33; 43) reikt.

2. Module volgens conclusie 1, met het kenmerk dat één of beide uiteinden van de tweede kanalen (33) in verbinding staan met een permeaatafvoerleiding (11). 20

3. Module volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de tweede kanalen (43) in verbinding staan met een buiten het huis (6) aanwezige permeaatverzamelleiding via afvoerope-ningen (47) in de buitenwand (48) van het huis (6). 25

4. Module volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het membraan (7) een eerste membraancompo-nent met eerste diameter omvat, alsmede een tweede mem-braancomponent met tweede diameter, waarbij de tweede dia- 30 meter groter is dan de eerste diameter.

5. Module volgens conclusie 4, met het kenmerk dat in de permeaatruimte (10) holle vezelvliesbuizen (61; 63) met grote diameter en bundels holle vezels (62) zijn opgesteld. 35

6. Module volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk dat de tweede membraancomponent rond de omtrek van de permeaataf- 1005431« a voerleiding (11) is opgesteld.

7. Module volgens één van de conclusies 4 of 6, met het kenmerk dat de tweede membraancomponent bij de binnenwand 5 van het huis (6) is opgesteld.

8. Membraanfiltratiesysteem (1) met een vloeistoftoevoer (3, 4) en een permeaatafvoer (11), alsmede ten minste één membraanfiltratiemodule (5, 5'), met het kenmerk dat het 10 systeem een membraanfiltratiemodule volgens één van de voorgaande conclusies 1-7 omvat. mn543l^