NO165947B - Dynamisk membran for separering av et vaeskeformig medium fra uopploeste bestanddeler i dette. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en dynamisk membran for separering av et væskeformig medium som i det minste hovedsakelig består av vann, fra bestanddeler som er oppløst i dette, idet membranen innbefatter en væskegjennomslippelig støttematrise med gjennomgående hull i hvis hull og på hvis overflate et skikt av et partikkelmateriale er anordnet.

Den dynamiske membran kan være anordnet i en separeringsanordning som foruten den dynamiske membran omfatter et kammer til hvilket det væskeformige medium tilføres på membranens ene side. Skiktet av partikkelmateriale som er finfordelt, er porøst med finere porer enn de gjennomgående hull i støtte-matrisen. I en slik separeringsanordning kan et tilført væskeformig medium mens et trykk opprettholdes i kammeret, ledes forbi den dynamiske membran under oppdeling i en strøm, permeatstrøm, som trenger gjennom den dynamiske membran, og en strøm, rejektstrøm, som passerer forbi den dynamiske membran. Separeringsanordninger med dynamiske membraner kan anvendes for å rense vann for uoppløste flyt-ende bestanddeler, f.eks. dispergert eller emulgert olje, og for rensing av vann for å befri dette for uoppløste faste partikler, f.eks. ved separering av forskjellige typer av oppslemninger, som kull-vannoppslemninger, torv-vannoppslemninger og spillvann fra celluloseproduksjon.

Når separeringsanordninger med dynamiske membraner anvendes, blir efterhvert et stadig tykkere belegg avsatt som består av bestanddeler som er uoppløste i det væskeformige medium, hvilket suksessivt minsker strømmen gjennom den dynamiske membran. Belegningen må derfor efter en tids drift fjernes og skiktet av det findelte partikkelmateriale erstattes med et nytt eller det må bibringes de opprinnelige egenskaper på annen måte. Denne regenerering av membranen bør helst utføres uten å demontere separeringsanordningen. Hittil er dette blitt utført ved tilbakespyling med væske eller trykkluft eller ved oppløsning eller bortvasking av belegg og partikkelmateriale i en væske med påfølgende til-førsel av en oppslemning av nytt partikkelmateriale til kammeret under slike betingelser at et skikt av partikkelmaterialet blir avsatt på støttematrisen, innbefattende i dens gjennomgående hull. Det er selvfølgelig av vital betydning at en bestående høy strøm kan opprettholdes gjennom membranen i så lang tid som mulig slik at avbrudd i . filtreringen for nødvendig regenering av filteret bare be-høver å utføres med størst mulig tidsmellomrom.

Som findelt partikkelmateriale i dynamiske membraner blir vanligvis siliciumdioxyd eller zirkoniumdioxyd anvendt.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse har det vist seg mulig å tilveiebringe en dynamisk membran gjennom hvilken en høy strøm kan opprettholdes i betraktelig lengre tid enn hva som har vært mulig for tidligere kjente dynamiske membraner. 1 henhold til oppfinnelsen oppnås dette ved på støttematrisen først å anordne et skikt av et spesielt partikkelmateriale som er istand til å holde på vann, og utenpå dette skikt å anordne i det minste et skikt av et partikkelmateriale av et stoff som i det minste hovedsakelig er uoppløselig i det væskeformige medium og som har mindre partikkelstørrelse enn i det indre skikt og er istand til å beskytte det indre skikt mot:, gjentetting med uoppløste bestanddeler i væsken.

Nærmere bestemt angår den foreliggende oppfinnelse en dynamisk membran for separering av et væskeformig medium som i det minste hovedsakelig består av vann, fra bestanddeler som er oppløst i dette, idet membranen innbefatter en væskegjennomslippelig støttematrise med gjennomgående hull i hvis hull og på hvis overflate skikt av partikkelmateriale er anordnet, og membranen er særpreget ved at i eller på støttematrisen er et indre, porøst skikt som er istand til å holde på vann og består av partikler av aluminiumhydroxyd og/eller partikler av i det minste delvis hydratisert aluminiumoxyd med en middelpartikkelstørrelse av over 0,l^um anordnet, og at et ytre skikt av kolloidale partikler av et stoff som er i det minste hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og har en middelpartikkelstørrelse av under 0,lyUm, er anordnet utenfor det indre skikt.

Partikkelmaterialet i det indre skikt har fortrinnsvis

en middelpartikkelstørrelse av 0,5 - 5^um.

Med middelpartikkelstørrelse for et partikkelmateriale skal her den partikkelstørrelse forstås ved hvilken 50 vekt¥; av partikkelmaterialet har en mindre partikkelstørrelse og 50 vekt% av partikkelmaterialet en større partikkelstørrelse.

I henhold til en spesielt foretrukken utføre Ises form

av oppfinnelsen er i det minste ett mellomskikt av partikler av et stoff som i det minste er hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og har en middelpartikkelstørrelse som ligger mellom middelpartikkelstørrelsen for partikkelmaterialet i det indre skikt og middelpartikkelstørrelsen for partikkelmaterialet i det ytre skikt, anordnet mellom det indre skikt og det ytre skikt av partikkelmateriale . Partikkelmaterialet i et mellomskikt har fortrinnsvis en middelpartikkelstørrelse av 0,1-0,5 ^um.

Støttematrisen med gjennomgående hull kan med fordel bestå av et vevet eller filtet produkt med gjennomgående hull og oppbygd av fibre av et polymermateriale, som polyamid, polypropen, celluloseacetat, polysulfon, polyethylen-glycolterefthalat eller polyurethan, eller fibre av et metallisk materiale, som rustfritt stål, eller av en natur-fiber, som bomull. Støttematrisen kan bestå av en sintret, porøs (gjennomgående porer) plate av metall, som rustfritt stål, eller av keramisk materiale, som aluminiumoxyd, eller av en porøs film av et polymermateriale, f.eks. et av de ovennevnte polymermaterialer. De gjennomgående hull har fortrinnsvis en størrelse av 0,l-10^,um. Støttematrisens tykkelse kan med fordel oppgå til 0,1-10 mm.

Partikkelmaterialet i det indre porøse skikt består, hvilket fremgår av det ovenstående, av aluminiumhydroxyd eller hydratisert aluminiumoxyd. Hydratiseringen kan finne sted ved at oxydet selv tar opp vann på overflaten. Pore-størrelsen i det indre porøse skikt er fortrinnsvis 0,1-l^um og skiktets tykkelse med fordel 5-100^um. Dette indre skikt er vannrikt, har god vanngjennomslippelighet og er hydrofilt.

Partikkelmaterialet i det ytre porøse skikt og i ett eller flere eventuelt forekommende porøse mellomskikt kan blant annet bestå av et organisk oxyd, som et oxyd av silicium, titan eller zirkonium, eller av uorganiske salter som er uoppløselige i vann, som sulfater eller carbonater, f.eks. bariumsulfat, kalsiumsulfat, bariumcarbonat eller kalsiumcarbonat. Porestørrelsen i det ytre porøse skikt

er fortrinnsvis 0,005-0,l^um og skiktets tykkelse med fordel l-20yUm. Porestørrelsen i et mellomskikt er fortrinnsvis 0,02-0,5yUm og tykkelsen med fordel l-20^um.. Ytre skikt og mellomskikt har en mekanisk stabiliserende virkning på det indre, vannholdige skikt.

Det ytre skikt gir en meget jevn overflate, hvilket minsker risikoen for gjentetting med eventuelle faste partikler. Dette gjelder spesielt ved krysstrømningsfiltrering. Ved separering av olje fra vann blir en meget tynn oljefilm dannet på overflaten, og denne oljefilm minsker slitasjen på membranens overflate, mens olje aldri trenger dypere ned i det indre porøse skikt og blokkerer dets kanaler i dybden.

Det ytre skikt er som sådant hydrofilt, men det kan behandles for å gi dette en mer eller mindre hydrofob overflate dersom dette skulle være ønskelig av hensyn til separer-ingsforløpet. En hydrofob overflate kan oppnås ved behandling av partiklene eller ved behandling av det ferdige skikt som er dannet av partiklene, med voks eller et silan.

Den nynamiske membran ifølge den foreliggende oppfinnelse er spesielt egnet for anvendelse ved filtrering i henhold til krysstrømningsprinsippet.

En spesielt verdifull egenskap til filteret ifølge oppfinnelsen er at det kan regeneres ved behov ved avskrapning.

Oppfinnelsen vil nu bli nærmere forklart under hen-visning til de vedføyede figurer, hvorav Fig. 1 viser en separeringsanordning med en dynamisk membran ifølge den foreliggende oppfinnelse, i form av et snitt som er vinkelrett mot den dynamiske membran gjennom akselen til en rotor i separeringsanordningen, Fig. 2 viser en dynamisk membran og rotoren sett i rotorakselens retning fra separeringsanordningens indre, og Fig. 3 og 4 viser begge i tverrsnitt en liten del av en dynamisk membran ifølge den foreliggende oppfinnelse i to forskjellige utførelsesformer vist sterkt forstørret.

Separeringsanordningen ifølge Fig. 1 og 2 omfatter

et kammer 10 med sylindrisk form og to "runde dynamiske membraner 11 og 12 anordnet ved kammerets endeflater. Membranene er ved sine kanter tettende innfestet i kammerets vegger ved hjelp av tetninger (ikke vist). Hver dynamisk membran består av en porøs støttematrise lia henholdsvis 12a av en finmasket vevet duk med et sentralt rundt uttak lla^ henholdsvis 12a^ og av skikt 11b henholdsvis 12b av findelt partikkelmateriale av den type som er vist på Fiy.3 og 4. Ved et punkt på manteloverflaten er kammeret forsynt med et innløp 13 for væskeformig medium som skal behandles i separeringsanordningen, og ved et diametralt motsatt punkt på manteloverflaten er kammeret forsynt med et utløp 14

for den del av det tilførte medium, rejekt, som passerer forbi de dynamiske filtere. Innløpet 13 og utløpet 14 er anordnet i kammerets sidevegger 15 og 16. Den del av væsken i det tilførte medium, permeat, som passerer de dynamiske membraner, går ut i kanaler 17 i kammerets endevegger 18 og 19. Kanalene 17 er anordnet i forbindelse med et utløp 20 for permeat.

En rotor 21 er anordnet i kammeret 10, og i det eksemplifiserte tilfelle omfatter denne en rotasjonsaksel 21a hvis sentrumslinje sammenfaller med det sylindriske kammers symmetriakse, og rotoren 21 omfatter dessuten to vinger eller blad 21b. Rotorakselen er opplagret i kammerets vegger ved hjelp av tettende lagre (ikke vist).

Når separeringsanordningen er i funksjon, blir det væskeformige medium med uoppløste bestanddeler som skal utsettes for rensing, via innløpet 13 ledet kontinuerlig inn i separeringsanordningens kammer 10. Væsken kan f.eks. bestå av vann som inneholder oljedråper og faste partikler, som oljeholdig vann fra oljeraffinerier eller oljeplattformer eller avfallsvann fra verksteder med skjærende bearbeiding. Hoveddelen av vannet passerer de dynamiske membraner 11 og 12 som en permeatstrøm og kan normalt ledes til en resipient via utløpet 20. Gjenværende væske, rejektstrømmen, blir ledet ut via utløpet 14 og tilbakeført til det forurensede utgangsmateriale eller utsatt for en etterbehandling som i de . fleste tilfeller er enkel. Under det beskrevne forløp opprettholdes en trykkforskjell av fortrinnsvis 0,03-0,3 MPa mellom mediene på begge .sider av en dynamisk membran. De uoppløste bestanddeler som suksessivt akkumulerer på de dynamiske membraner, blir fjernet med rotoren 21 når beleggene av de uoppløste bestanddeler utgjør en for stor mot-stand mot permeatstrømmen til at separeringen skal kunne ut-føres med et kommersielt tilfredsstillende resultat.

I de tilfeller som er vist på Fig. 3 og 4 består støtte-matrisen lia av en vevnad av polyamid. Vevnaden har en tykkelse av 0,2 mm, og de gjennomgående hull 22 har en størrelse av 5^um. Det indre porøse skikt llba består av partikler av aluminiumhydroxyd med en middelpartikkel-størrelse av ca. lyum. Skiktets llba tykkelse er gjennom-snittlig 40^,um. Skiktet blir påført på støttematrisen ved at en vandig suspensjon av Al(OH)^ suges gjennom støtte-matrisen inntil mengden av Al (OH) som er blitt tatt opp av støttematrisen, oppgar til 25 g/m 2. Vannsuspensjonen'av Al(OH>3 kan fremstilles ved oppløsning av 6 vektdeler aluminiumacetat i 100 vektdeler saltsurt vann inntil en pil av 1,5 og ved utfelling av aluminiumhydroxydet under kraftig omrøring ved en temperatur under 50°C med ammoniakk med regulering av pH til 7,5. Derpå blir i det tilfelle som er vist på Fig. 4, mellomskiktet llbc påført som består av partikler av siliciumdioxyd med en middelpartikkel-størrelse av 0,2^um, på analog måte ved at en vandig suspensjon, av slike partikler blir sugd gjennom støttematrisen med påført indre skikt 2llba inntil den SiO_-mengde som er blitt tatt opp er 6g/m og tykkelsen til det derved dannede porøse skikt llbc er ca. lO^um. Den vandige suspensjon kan fremstilles ved å blande 350 volumdeler vann, 35 volumdeler 25% ammoniakk, 500 volumdeler ethanol og 120 volumdeler tetraethylorthosilikat under omrysting i 2 timer, hvorefter blandingen nøytraliseres til en pH av 7 med saltsyre. Til slutt påføres det ytre skikt Ubb på støtte-matrisen lia med skiktet llba, i tilfellet i henhold til Fig. 3 henholdsvis med skiktene llba og llbc i tilfellet i henhold til Fig. 4, ved at en vandig suspensjon av siliciumdioxyd med en middelpartikkelstørrelse for partiklene av 0,08^um blir sugd gjennom støttematrisen inntil den SiO~-mengde som er blitt tatt opp av støttematrisen,

2

er 3 g/m og skiktets tykkelse 5^,um. Denne vandige suspensjon av siliciumdioxyd kan fremstilles ved blanding av 2 volumdeler mettet ammoniumhydroxyd, 50 volumdeler ethanol og 4 volumdeler tetrabutylorthosilikat. Påføringen av skiktene llba, Ubb og llbc kan utføres før eller efter at støttematrisen er blitt anbragt i separeringsanordningen. Det er mulig å påføre endel av skiktene, f.eks. skiktene

llba og Ubb, på støttematrisen utenfor separeringsanordningen, og endel av skiktene, f.eks. skiktet llbc, med støttematrisen anbragt i separeringsanordningen.

Som tidligere nevnt anvendes rotoren 21 for å fjerne belegg som er blitt akkumulert på de dynamiske membraner. Derved blir rotorens vinger 21b utnyttet som avskrapere.

De lages for dette formål av et materiale som er skånsomt mot de dynamiske membraner, som gummi, polytetrafluor-

ethen eller et annet polymermateriale, og de anordnes slik at de kan bevege seg i forhold til membranene i en retning som er vinkelrett mot membranene. Den nevnte bevegelighet kan oppnås enten ved å gjøre rotorakselen 21a med rotor forskyvbar i et stasjonært anordnet kammer 10 eller ved å gjøre kammeret forskyvbart langs en rotor som er stasjonært anordnet i rotorakselens lengderetning.

Rotoren kan benyttes for å regenerere de dynamiske membraner ved å bringe rotorvingene i kontakt med skiktet 11b på støttematrisen og forflytte disse lang støtte-matrisen. Det er da gunstig at skiktene Ubb og ,llbc samt eventuelt endel av skiktet llba blir fjernet i forbindelse med at beleggene av uoppløste bestanddeler i det væskeformige medium blir fjernet fra membranen. Ved behov blir siden partikler av aluminiumhydroxyd påført på støtte-matrisen med den tidligere beskrevne suspensjon og på den tidligere beskrevne måte for å gjenopprette skiktet llba. Derefter blir skiktene llbc og Ubb anbragt på tidligere beskreven måte under anvendelse av tidligere beskrevne suspensjoner av siliciumdioxyd.

Istedenfor aluminiumhydroxyd i det ovenstående eksempel kan hydratisert aluminiumoxyd anvendes i skiktet llba (f.eks. en kvalitet med betegnelsen CTG-SG fra Aluminium Corp. of America) eller en blanding av det nevnte hydratiserte aluminiumoxyd og aluminiumhydroxyd kan anvendes.

En slik blanding kan fremstilles ved oppslemning av 25 vektdeler av det hydratiserte oxyd i 5000 vektdeler varmt vann og med blanding av bunnfase som derved er blitt dannet,

med 100 vektdeler av., den ovenfor beskrevne suspensjon av Al(OH)^• Efter at denne blanding er blitt sugd gjennom støttematrisen, er det gunstig også gjennom støttematrisen å suge den ovennevnte oppløsning som danner bunnfase og er blitt dekantert av og som erholdes ved oppslemningen av oxydet i det varme vann.

Istedenfor siliciumdioxyd i det ovenstående eksempel kan i skiktet Ubb titandioxyd anvendes som er blitt påført fra en vandig suspensjon fremstilt ved hydrolyse av titan-klorid i vann og nøytralisering med natriumhydroxyd til en pH av 1,5 eller zirkoniumdioxyd som er blitt påført fra en vandig suspensjon fremstilt ved oppløsning av zirkonium-oxyklorid i vann, utfelling av zirkoniumoxydet med natriumhydroxyd til en pH av 5,5 og surgjøring med saltsyre inntil en pH av 1,5. Det er også mulig å anvende kommersielt til-gjengelige kolloidale oppløsninger (f.eks. kolloidal opp-løsning av kiselsyre M-12475 fra firma E. Merck, BRD).

Claims (13)

1. Dynamisk membran for separering av et væskeformig medium som i det minste hovedsakelig består av vann, fra bestanddeler oppløst i mediumet, innbefattende en væskegjennomslippelig støttematrise (lia) med gjennomgående hull (22) i hvis hull og på hvis overflate skikt (11b) av partikkelmateriale er anordnet, karakterisert ved at i eller på støtte-matrisen er et indre porøst va-nnholdig skikt (llba) anordnet bestående av partikler av aluminiumhydroxyd og/eller partikler av i det minte delvis hydratisert aluminiumoxyd med en middelpartikkelstørrelse over 0,l^um, og at utenfor det indre skikt er et ytre skikt (Ubb) anordnet som består av kolloidale partikler av et stoff som er i det minste hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og har en middelpartikkelstørrelse av under 0,l^um.

2. Membran ifølge krav 1, karakterisert ved at partikkelmaterialet i det indre skikt har en middelpartikkelstørrelse av 0,5-5^um.

3. Membran ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at mellom det indre skikt (llba) og det ytre skikt (Ubb) er i det minste ett mellomskikt (llbc) anordnet som består av partikler av et stoff som er i det minste hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og har en middelpartikkelstørrelse som ligger mellom middelpartikkelstørrelsene for partikkel-materialene i det indre og det ytre skikt.

4. Membran ifølge krav 3, karakterisert ved at partiklene i mellomskiktet har en middelpartikkelstørrelse av 0,l-0,5^um.

5. Membran ifølge krav 1-4, karakterisert ved at porestørrelsen i det indre skikt (llba) oppgår til 0,1-lyUm.

6. Membran ifølge krav 1-5, karakterisert ved at porestørrelsen i det ytre skikt (Ubb) oppgår til 0,005-0,l^um.

7. Membran ifølge krav 4-6, karakterisert ved at porestørrelsen i mellomskiktet (llbc) oppgår til 0,02-0,5^um.

8. Dynamisk filter ifølge krav 1-7, karakterisert ved at stoffet som er i det minste uoppløselig i det væskeformige medium og som befinner seg i det ytre skikt (Ubb) utgjøres av siliciumdioxyd.

9. Filter ifølge krav 1-7, karakterisert ved at stoffet som er i det minste uoppløselig i det væskeformige medium og som fore-kommer i det ytre skikt (Ubb) utgjøres av titandioxyd.

10. Filter iføgle krav 1-7, karakterisert ved at stoffet som er i det minste uoppløselig i det væskeformige medium og som befinner seg i det ytre skikt (Ubb) utgjøres av zirkoniumdioxyd.

11. Filter ifølge krav 4-10, karakterisert ved at stoffet som er i det minste hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og som befinner seg i mellomskiktet (llbc) utgjøres av siliciumdioxyd.

12. Filter ifølge krav 4-10, karakterisert ved at stoffet som er i det minste hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og som befinner seg i mellomskiktet (llbc) utgjøres av titandioxyd.

13. Filter ifølge krav 4-10, karakterisert ved at stoffet som er i det minste hovedsakelig uoppløselig i det væskeformige medium og som befinner seg i mellomskiktet (llbc) utgjøres av zirkoniumdioxyd.