NO335891B1

NO335891B1 - Fremgangsmåte og system for å behandle et væskemedium med omvendt osmose samt anvendelse av systemet

Info

Publication number: NO335891B1
Application number: NO20121260A
Authority: NO
Inventors: Julia Navarsete
Original assignee: Aqtion Pte Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2015-03-16
Also published as: WO2014065757A1; US20130341276A1; NO20121260A1; US20140332469A2

Description

INNLEDNING

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å behandle et væskemedium ved omvendt osmose i en syklisk prosess, idet væskemediet er en oppløsning, en dispersjon eller en emulsjon eller en kombinasjon av disse så vel som et system for å utføre fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, hvor systemet omfatter en omvendt osmoseenhet med en omvendt osmosemembran. Oppfinnelsen angår videre anvendelse av dette systemet.

I mange deler av verden er det en mangel på tilstrekkelige ferskvannsressurser og med en økende befolkning utgjør dette et alvorlig og voksende problem. Flertallet av land med kystlinje til havet mangler tilstrekkelig drikke- og ferskvannsressurser, men havene inneholder 97 % av alt vann på planeten, og således har en stor innsats vært gjort for å dekke behovet for ferskvann til drikke og overrisling i landbruket ved å benytte avsaltingsenheter for å omdanne saltvann eller sjøvann til ferskvann. Nåværende avsaltingsenheter krever ekstremt store energimengder da de er basert på avsaltingsmetoder som er meget energikrevende. Dette er spesielt tilfelle ved flertrinns flash-destillasjonsenheter.

Siden 1990-årene har avsaltingsenheter basert på omvendt osmose for å omdanne sjøvann til ferskvann i økende grad blitt tatt i bruk. Avsaltingsenheter basert på omvendt osmose krever mindre energi enn enheter basert på vanlige destillasjonsmetoder, men omvendt osmose i seg selv krever et meget høyt trykk i filtreringstrinnet.

OMVENDT OSMOSE

Omvendt osmose er en membranbasert filtreringsmetode som er i stand til å fjerne mange forskjellige store molekyler og ioner fra en oppløsning ved å benytte trykk på oppløsningen på oppstrømsiden til en selektiv membran. Som et resultat blir de oppløste stoffer holdt tilbake på den trykksatte oppstrømside av membranen og det rene løsningsmiddel passerer gjennom membranen til den annen side. Selektiviteten til den omvendte osmosemembran er slik at store molekyler eller ioner ikke vil gå gjennom porer eller hull i membranen, slik at en mindre komponent av oppløsningen, så som løsningsmiddelet passerer fritt igjennom.

I en normal osmoseprosess vil løsningsmiddelet naturlig bevege seg fra et område med lav konsentrasjon av oppløst stoff (høyt potensial) gjennom en membran til et område med høy konsentrasjon av oppløst stoff (lavt potensial). Bevegelsen av et rent løsningsmiddel for å utjevne konsentrasjonen av faststoff på hver side av den osmotiske membran genererer et osmotisk trykk. Når et utvendig trykk blir benyttet til å reversere den naturlige strømning av rent løsningsmiddel, blir dette betegnet som omvendt osmose. Denne prosessen er lik andre membranteknologiar!vendelser, men det er vesentlige forskjeller mellom omvendt osmose og filtrering. Fjerningsmekanismen i membranfiltrering er siling eller størrelseseksklusjon og en filtreringsprosess er således teoretisk i stand til å gi perfekt utelukkelse av partikler uavhengig av operative parametere så som oppstrømstrykket og konsentrasjonen. Omvendt osmose er en diffusiv mekanisme og separasjonseffektiviteten er avhengig av konsentrasjonen av oppløst stoff, trykk og vannets strømningshastighet.

KJENT TEKNIKK

Som vel kjent blir omvendt osmose i dag benyttet i stor utstrekning for å fremstille drikkevann fra sjøvann ved å fjerne salt og andre stoffer i dette fra vannmolekylene. Et vanlig opplegg i kjent teknikk for omvendt osmose er vist på Fig. 1 hvor strømningsretningen er angitt ved piler tilstøtende rørene. Et væskemedium som skal behandles, i dette tilfellet betraktet som sjøvann, blir transportert av en høytrykkspumpe som leverer trykksatt sjøvann til oppstrømssiden av membranen i en omvendt osmoseenhet. Det høye trykket til konsentrasjonen som genereres av høytrykkspumpen tvinger vannmolekylene gjennom membranen i den omvendte osmoseenhet og frembringer (avsaltet) ferskvann på nedstrømssiden. Det resterende høytrykkskonsentrat strømmer fra den omvendte osmoseenhet via en trykkveksler hvor konsentratet siles fra konsentratstrømmen og sjøvann mates til inntaket. Innholdet i høytrykksveksleren blir ført av en sirkulasjonspumpe til høytrykksaysnittet i systemet.

En omvendt osmose krever at høyt trykk utøves på oppstrømssiden av membranen og dette trykket vil vanligvis ligge mellom 2 og 17 bar for ferskvann og brakkvann og være så høyt som 40 til 82 bar for sjøvann. Dette skyldes at sjøvann har et naturlig osmotisk trykk på 27 bar som må overvinnes. Omvendt osmose er blitt benyttet til avsalting av sjøvann og produksjon av ferskvann i mange år, men har også i økende grad blitt benyttet til å rense ferskvann til bruk i medisin, industri og husholdning.

Det skal nevnes at omvendt osmose er i utmerket stand til å fjerne partikler fra et væskemedium ned til en størrelse på omtrent 0,1 nm. Osmose kan således anses om en hyperfiltreringsutgave av membranfiltrering. Omvendte osmoseenheter i stor skala er nå i bruk for avsalting av sjøvann og generelt for rensing av vann i en rekke miljøer. Omvendt osmose anvendes også til å rense avløpsvann og brakk-grunnvann som deretter vanligvis behandles i et ordinert renseanlegg før det utsettes for behandling med omvendt osmose. Omvendt osmose blir også benyttet til fremstilling av avionisert vann og i næringsmiddelindustrien og til og med i vinproduksjon. En stor fordel med den omvendte osmoseprosess er at den ikke krever varmeenergi. Dette gjør den ønskelig i prosesser hvor vanlige varmebehandlingsprosesser kan være kostbare og også skadelig for visse varmefølsomme stoffer, slik som f.eks. kan finnes i matprodukter.

Effektiviteten av den omvendte osmoseprosess avhenger av en rekke faktorer innbefattet membranstørrelse og membranens porestørrelse, temperaturen til væskemediet og membranens overflateareal. Men den overordnet bestemmende faktor er trykket som benyttes på oppstrømssiden av den omvendte osmosemembran. Det anvendte trykk avhenger av det osmotiske trykket til væskemediet som i tilfellet av sjøvann er omkring 27 bar. For å drive en omvendt osmoseenhet, bør trykket som anvendes på oppstrømssiden, være minst dobbelt så høyt, og vanligvis benyttes minst 40 bar og oppover til over 100 bar. Bærbare osmoseenheter til husholdningsbruk er vanlig benyttet i private husholdninger i en rekke deler av verden, men de opererer vanligvis under 40 bar og er således mindre effektive. Men utbyttekravet er ikke kritisk under slike omstendigheter.

Typisk generer høytrykkspumpene benyttet til avsalting av sjøvann under industrielle betingelser trykk fra omtrent 55 til over 80 bar, men krever en stor energimengde. Effektiviteten til små og bærbare husholdningsenheter er lav, da de kan arbeide med et meget lavt trykk og vanligvis ikke er i stand til å oppnå et utbytte på mer enn 15-20 % av vannet som kommer inn i systemet.

Industrielle og offentlige systemer i stor skala basert på omvendt osmose har typisk en produksjonseffektivitet på 75 % og til og med så høyt som 90 %. De arbeider kontinuerlig bortsett fra noen få timer hver dag som benyttes til vedlikehold, men allikevel kan slike store anlegg være i stand til å levere ferskvann i mengder på mer enn 1000 m<3>pr enhet og dag. Hovedulempen ved omvendte osmosesystemer i henhold til kjent teknikk er de høye energikostnadene. Det er en kjensgjerning at den dominerende kostnadsfaktor er energiforbruket. Det er således ønskelig å skaffe en omvendt osmoseenhet som senker energiforbruket betydelig, men allikevel gir en høy effektivitet.

Forslag har vært fremsatt i kjent teknikk for å skaffe det nødvendige høye trykk ved hjelp av en hydrostatisk søyle i stedet for høytrykkspumper. Som et eksempel kan det henvises til W096/34678 med tittelen "Fluid-actuated pressurisation device for a sea water or briny water desalination plant" som viser en innretning som omfatter et aktueringskammer med et stempel med stor diameter forbundet med et stempel med langt mindre diameter i et trykkammer. Kraften til den hydrostatiske søyle og foretrukket også den til en ballast anbrakt på stempelet med stor diameter overføres til stempelet i aktueringskammeret som er fylt med væsken som skal behandles. Væsken kan nå utsettes for et høyt trykk som er nødvendig for behandling ved hjelp av omvendt osmose.

Trykkøkningen som oppnås er gitt ved trykket eller kraften som benyttes på stempelet i aktueringskammeret multiplisert med forholdet mellom overflatearealet til stempelet med stor diameter og det til stempelet i trykkammeret. En innretning av denne art vil arbeide på en syklisk måte og anordninger må være installert for å returnere stempelmontasjen til dens posisjon hvor en påfølgende trykksettingssyklus kan initieres.

Videre er et avsaltingsanlegg basert på bruk av gravitasjonsenergi for å oppnå det nødvendige høye trykk for behandling med omvendt osmose vist i FR 2 774 309 Al inngitt 30. januar 1998. Her er et vektlegeme stivt festet til stempelet i et trykkammer og genererer høytrykket ved å virke direkte på stempelet.

OPPFINNELSENS HENSIKTER

En første hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte for omvendt osmose som er i stand til å redusere energiforbruket med en signifikant faktor og senke kostnaden pr. enhet fremstilt renset væske.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte og et system for omvendt osmoseprosesser som kan benyttes i en rekke miljøer og omstendigheter og som er lett å montere og plassere og dessuten kan skaleres etter behov med meget enkle tiltak. Hensikten med oppfinnelsen så vel som andre fordeler oppnås med en fremgangsmåte i henhold til innledningen av krav 1 og et system i henhold til innledningen av krav 7.

I tillegg vil en rekke fordelaktige anvendelser fremgå av anvendelseskrav som her er vedføyd.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en fremgangsmåte for å behandle et væskemedium ved omvendt osmose i en syklisk prosess, hvor væskemediet er en oppløsning, en dispersjon eller en emulsjon eller en kombinasjon av disse, hvor fremgangsmåten omfatter å anordne en vektbeholder innrettet til å bevege seg vertikalt mellom en begynnelsesstilling og en sluttstilling i hovedsakelig fritt fall og returneres til begynnelsesstillingen, mateanordninger forbundet med en hydraulisk sylinder med en stempelanordning og etter valg med vektbeholderen i begynnelsesstillingen av den sistnevnte og en kraftoverføring som forbinder den bevegelige vektbeholder med den hydrauliske sylinder og en omvendt osmoseenhet som kan forbindes med den hydrauliske sylinder og hvor en prosessyklus omfatter trinn for a) å føre væskemediet til den hydrauliske sylinder og tvinge stempelanordningen til den første stilling, hvor den hydrauliske sylinder er fylt med væskemediet,

b) å låse vektbeholderen i dens begynnelsesstilling,

c) å fylle vektbeholderen med et vektmedium,

d) å frigjøre vektbeholderen med en forhåndsbestemt mengde og tillate den å bevege seg fra dens begynnelsesstilling til dens sluttstilling, e) å overføre kraften generert ved vandringen av vektbeholderen til stempelanordningen i den hydrauliske sylinder, slik at et trykk vesentlig høyere enn

det osmotiske trykket i væskemediet tilføres denne,

f) å føre væskemediet når et bestemt trykk i dette er blitt oppnådd på oppstrømssiden av en membran i den omvendte osmoseenhet, g) å skille væskemediet i to komponenter, hvorav en går gjennom den omvendte osmosemembranen og fremkommer på nedstrømssiden av denne og renset for

oppløste stoffer, dispergerte stoffer eller emulgerte stoffer avhengig av den initiale

sammensetningen av væskemediet, og

h) å returnere vektbeholderen til dens begynnelsesstilling og avslutte en syklus når den hydrauliske sylinder med stempelet i en annen posisjon er tømt for væskemedium,

hvor en påfølgende syklus initieres ved å gjenta trinnene a) -h).

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre et system for å utføre fremgangsmåten, hvor systemet omfatter en omvendt osmoseenhet med en omvendt osmosemembran, omfattende en mateanordning for å motta et væskemedium, en vektbeholder innrettet for å bevege seg vertikalt mellom en initial stilling og en sluttstilling under sin egen vekt og i hovedsakelig fritt fall, minst en hydraulisk sylinder med en stempelanordning forbundet med en mateanordning og den omvendte osmoseenhet henholdsvis, en kraftoverføring forbundet mellom vektbeholderen og den minst ene hydrauliske sylinder for å overføre kraften generert ved vandringen av vektbeholderen til den minst ene hydrauliske sylinder og rørledninger som skaffer forbindelse mellom mateanordningen, den hydrauliske sylinderen og den omvendte osmoseenhet.

Foreliggende oppfinnelse omfatter videre anvendelse av systemet for henholdsvis avsalting av sjøvann, for behandling av spillvann og for behandling av ferskvann for industri- eller husholdningsformål.

FIGURER

Oppfinnelsen skal forstås bedre av den etterfølgende beskrivelse med henvisning til de vedføyde figurer, hvorav Fig. 1 viser et omvendt osmosesystem i henhold til kjent teknikk og som benytter en trykkveksler slik som allerede drøftet i innledningen,

Fig. 2 viser et flytdiagram av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

Fig. 3 viser et skjematisk oppriss av systemet ved starten av en prosessyklus,

Fig. 4 viser et skjematisk oppriss av systemet ved slutten av en prosessyklus,

Fig. 5 viser et oppriss av hvordan komponentene i systemet er anbrakt i en mer praktisk utførelse, Fig. 6 viser et skjematisk planriss sett ovenfra som viser posisjonen til komponentene i systemet i likhet med det i Fig. 5, og Fig. 7 viser et skjematisk snitt gjennom en hydraulisk sylinder og krafttransmisjonen som benyttet i systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Fremgangsmåten og systemet i henhold til oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert med henvisning til de vedføyde figurer. Fremgangsmåten som sådan vil forstås bedre ved en grundig drøftelse av flytdiagrammet til systemet som vist på Fig. 2 som viser en foretrukket utførelse i henhold til oppfinnelsen.

Et væskemediuminntak 1 er forbundet med en pumpe 2 som fører et væskemedium til en matebeholder 3.1 denne spesielle utførelse er matebeholderen 3 forbundet med en vektbeholder 5.1 en foretrukket utførelse er vektbeholderen 5 anordnet under matebeholderen 3 og montert bevegelig i en her ikke vist ramme. Matebeholderen 3 er da anbrakt over vektbeholderen 5 og kan levere væskemediet gjennom det lukkbare utløp 4 til vektbeholderen 5. Væskemediet i seg selv blir således benyttet som vektmediet i vektbeholderen 5. Vektbeholderen 5 er i stand til å beveges mellom en begynnelsesposisjon og en sluttposisjon, hovedsakelig i fritt fall som angitt på Fig. 2, hvor sluttposisjonen er angitt med stiplede linjer. Når den er montert i en ramme, blir vektbeholderen 5 forsynt med føringsanordninger som står i inngrep med føringer i monteringsrammen for å stabilisere en vertikal, nedad rettet bevegelse. Når den er fylt med væskemedium fra matebeholderen 3,

blir vektbeholderen 5 låst i sin begynnelsesstilling. Når den er fylt, utløses låseanordningen. Vektbeholderen 5 faller da til dens sluttstilling hvor vektmediet kan tømmes via et lukkbart

utløp 7, f. eks. til en avløpstank 8. Etter at vektbeholderen 5 er blitt tømt, kan den returneres fra sin sluttstilling til sin begynnelsesstilling ved en eller flere bevegelige motvekter 6 som løper gjennom passende anordninger montert i rammen. Motvektene 6 må naturligvis være tyngre enn den tomme vektbeholderen 5 for at den skal returneres til sin begynnelsesstilling. En kraftoverføring 9 er forbundet med vektbeholderen 5 for å overføre kraften generert av dens nedadrettede vertikale bevegelse til en hydraulisk sylinder 10.

En foretrukket utførelse av den hydrauliske sylinder og kraftoverføringen skal nå gis nedenfor. Det skal naturligvis forstås at det kan være mer enn en hydraulisk sylinder 10 anordnet i systemet med tilsvarende antall kraftoverføringer. Væskemedium blir også ført fra matebeholderen 3 til en forfiltreringsenhet 12 enklest ved tyngdekraften og deretter føres væskemediet gjennom en tilbakeslagsventil 13 til toppen av den hydrauliske sylinder 10. Den hydrauliske sylinder 10 er innstilt på en første eller startposisjon på grunn av trykket som utøves ved søylen av matevannet. Dette innebærer at den hydrauliske sylinder bør være anbrakt i en viss avstand under matebeholderen 3 for å generere en passende søyle. For trykksøyler under 10 m vil trykket i væskemediet i den hydrauliske sylinder naturligvis være mindre enn 1 bar. Tilbakeslagsventilen 13 lukker når maksimaltrykket som fås av denne trykksøyle er oppnådd i denne hydrauliske sylinder 10. Prosessyklusen vil nå fortsette når vektbeholderen 5 er fullstendig fylt, utløst fra låseanordningene og faller mot sin sluttstilling. Kraften av den fallende vektbeholder 5 svarer naturligvis til dens totale masse multiplisert med tyngdens akselerasjon og denne kraften blir under fallet overført via kraftoverføringen 9 til den hydrauliske sylinder 10 som således pådras på en måte som øker trykket i væskemediet i denne. Trykket i den hydrauliske sylinder 10 vil nå et maksimum når vektbeholderen 10 har nådd sin sluttstilling og vil i ethvert tilfelle oppnå en verdi som er høy nok til å generere et trykk tilstrekkelig for en effektiv omvendt osmoseprosess. Ved et forhåndsinnstilt trykk åpnes en tilbakeslagsventil 11 og slipper det trykksatte væskemedium inn i den omvendte osmoseenhet på oppstrømssiden av den omvendte osmosemembran 15. Tilbakeslagsventilen 11 kan f.eks. være innstilt på å åpnes når trykket i den hydrauliske sylinder har nådd 60 bar som er i det nedre området for å frembringe en effektiv osmose av sjøvann som har et osmotisk trykk på 27 bar, som nevnt i innledningen.

Energien frembrakt ved vandringen av vektbeholderen 5 vil overføres kontinuerlig til den hydrauliske sylinder 10 under vandringen og tvinge væskemediet ut av den hydrauliske sylinderen 10 gjennom tilbakeslagsventilen 11 når den åpner seg og inn i den omvendte osmoseenhet. Når den hydrauliske sylinder 10 er tømt, lukkes tilbakeslagsventilen 11. Vektbeholderen 5 har avsluttet sin nedadrettede bevegelse og kan tømmes for vektmedium, f.eks. til en valgfri avløpstank 8 hvor vektmediet kan sirkuleres tilbake via væskemedieinntaket 1 og pumpen 2 til matebeholderen 3. Matebeholderen blir hele tiden tilført væskemedium via pumpen 2 for å sikre en så jevn drift som mulig. Når vektbeholderen er returnert til sin begynnelsesstilling, åpnes det lukkbare utløp 4 fra matebeholderen 3 og fyllingen av vektbeholderen 5 med vektmediet starter på ny. Samtidig åpnes også tilbakeslagsventilen 13 og tillater vann å strømme fritt under sin egen vekt fra matebeholderen 3 og inn i den hydrauliske sylinder 10. Den siste har en luftventil 18 ved bunnen for å la luft unnslippe under fyllingsprosessen. Når trykk av væskemediet i en hydraulisk sylinder har nådd en verdi som svarer til trykksøylen mellom matebeholderen og den hydrauliske sylinder, lukker tilbakslagsventilen 13 seg og den nå fylte vektbeholder 5 kan frigjøres for å fortsette en annen syklus. I det omvendte osmosefilter 14 blir væskemediet, f.eks. sjøvann separert til en høyt konsentrert saltoppløsning og ferskvann kommer ut på nedstrømssiden av den omvendte osmosemembranen 15. En beholder 16 er anordnet for å motta det rensede væskemedium eller ferskvann fra nedstrømssiden av den omvendte osmoseenhet 14 og en beholder 17 for å motta den høyt konsentrerte saltoppløsning fra oppstrømssiden av den omvendte osmosemembranen 14 kan også være anordnet.

Fig. 3 viser et forenklet oppriss av det omvendte osmosesystem i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Matebeholderen 3 er montert på toppen av en ikke vist ramme som rommer vektbeholderen 5. Vektbeholderen 5 er låst i en begynnelsesstilling i rammen ved utløsbare låseanordninger (ikke vist).

Fylling av vektmedium fra matebeholderen 3 til vektbeholderen 5 finner sted via et lukkbart utløp 4 i matebeholderen 3 og kan foregå forholdsvis hurtig avhengig av kapasiteten til vektbeholderen 5. Motvekten 6 befinner seg i sin bunnstilling og den hydrauliske sylinder 10 er vist hvor den vil være plassert opprettstående fra bunnen av den ikke viste rammen. Den forbundne tilbakeslagsventil er lukket. Det skal forstås at det kan være mer enn en motvekt og mer enn en hydraulisk sylinder. I ethvert tilfelle må den totale vekt av en motvekt 6 eller den totale vekt av motvekter 6 overstige vekten av den tomme vektbeholder 5 for å sikre dens retur fra slutt- til begynnelsesstillingen.

I opprisset vist på Fig. 4 som i hovedsak er lik den på Fig. 3, er vektbeholderen vist i sin sluttstilling ved bunnen av en ikke vist ramme. Motvekten 6 eller en av motvektene 6 er som vist blitt beveget oppover mot toppen av den ikke viste ramme. Væskemediet i den hydrauliske sylinder 10 er blitt trykksatt under vandringen av vektbeholderen 5, i det minste over mesteparten av tiden og vil, når vektbeholderen 5 har nådd sin sluttstilling frigjøre det trykksatte væskemedium gjennom tilbakeslagsventilen 11. Motvekten 6 returnerer da vektbeholderen 5 til stillingen vist på Fig. 3 og en ny prosessyklus kan begynne. Fig. 5 er et oppriss av deler av det omvendte osmosesystem i henhold til oppfinnelsen med vektbeholderen 5 i sin sluttstilling. Tilsvarende er posisjon av en motvekt 6 vist og den hydrauliske sylinder 10 står nå under trykk via kraftoverføringen 9. Forbindelser og løftekabler for motvekten 6 og kraftoverføringen 9 er vist som 21. Føringer 22 for vektbeholderen er angitt. Fig. 6 viser systemet i stillingen på Fig. 5, men sett ovenfra og med matebeholderen 3 fjernet. To motvekter 6 er montert i rammen 20 ved hjørnet av denne. To hydrauliske sylindre 10 med forbundne kraftoverføringer 9 er montert ved motsatte hjørner av denne. Kabelforbindelser 21 for motvektene 6 og kraftoverføringene 9 er angitt. Føringer 22 er også vist montert på hver sideoverflate av vektbeholderen 5. Fig. 7 viser i snitt en anordning av den hydrauliske sylinder 10. Den omfatter et stempel bestående av et stempelhode 23 og en stempelstang 24. Ved begynnelsen av en prosessyklus som vist på Fig. 6 befinner stempelhode 23 seg i en første posisjon ved toppen av sylinderen 10. Toppen 10 av sylinderen er anordnet i et innløp for tyngdestrømningen fra matebeholderen 3 via forfiltreringsenheten 12 og tilbakeslagsventilen 13 som naturligvis nå er åpen. Ved utløpet 26 på toppen av den hydrauliske sylinder 10 er tilbakeslagsventilen 11 lukket. Trykksøylen mellom matebeholderen 3 og toppen av sylinderen 10 vil svinge stempelet 20 bakover til en annen posisjon hvor det hviler på bunnen av den hydrauliske sylinder 10. Trykket av væskemediet i den hydrauliske sylinder 10 svarer nå til trykksøylen mellom den hydrauliske sylinder og matebeholderen 3 og tilbakslagsventilen 13 lukker og vil naturligvis forbli lukket når trykket i den hydrauliske sylinder 10 øker ettersom vektbeholderen 5 beveger seg nedad. Kraftoverføringen 9 er fortrinnsvis en blokk og taljeanordning som overfører kraften generert av den fallende vektbeholderen 5 til stempelstangen 24 i den hydrauliske sylinder i strekk ved å gripe den frie ende av stempelstangen og således tvinge stempelhodet 23 oppad i sylinderen 10 og trykksette væskemediet i dette. Straks trykket i væskemediet i den hydrauliske sylinder 10 har nådd en forhåndsangitt verdi, f.eks. typisk 60 bar eller mer, åpner tilbakeslagsventilen 11 og det trykksatte væskemedium strømmer ut av den hydrauliske sylinder 10 ved utløpet 26 mens stempelhodet 23 fortsetter oppad i den hydrauliske sylinderen 10. Trykket øker, men når den hydrauliske sylinderen 10 er tom og den omvendte osmose pågår i den omvendte osmoseenhet 14, vil trykket til slutt falle, tilbakeslagsventilen 11 lukker seg og tilbakeslagsventilen 13 åpner seg på ny for å mate væskemediet fra matebeholderen 3 til den hydrauliske sylinderen 10. Som det vil ses, kan fremgangsmåten og systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse arbeide hvorved den eneste energi som faktisk forbrukes er den som benyttes av matepumpen 2. Energien som er nødvendig for å generere det høye trykk til den omvendte osmoseenhet frembringes av gravitasjonspotensialet i den fylte vektbeholder 5 i dens begynnelsesstilling som vist i Fig. 3. Energien forbrukt av matepumpen er nødvendig for a løfte væske fra inntaket 1 uansett hvor den er anbrakt til matebeholderen 3 og videre til vektbeholderen 5. Det skal bemerkes at selv om bevegelsen av vektbeholderen 5 fra begynnelsesstillingen til dens sluttstilling betegnes som et i hovedsakelig fritt fall, vil friksjonstap og impedansen i systemet i virkeligheten arbeide mot tyngdekraften og dette betyr at vektbeholderen 5 vil bevege seg nedad temmelig langsomt. Som det lett kan innses er hele prosessen syklisk i motsetning til den kontinuerlige oppdrift i et omvendt osmosesystem med høytrykkspumper. Slik det kan ses fra den ovenstående beskrivelse er fremgangsmåten og systemet i henhold til oppfinnelsen basert på gravitasjon for å generere det høye trykk som er nødvendig for en omvendte osmoseprosess. Den ekstra energitilførsel er den som er nødvendig for å mate væskemediet i matebeholderen og i tilfelle også til vektbeholderen. De følgende teoretiske betraktninger kan gjøres vedrørende forholdet mellom parameterne så som massen m til den fylte vektbeholder og energien generert i det frie fall. Med andre ord har man relasjonen

hvor P er det genererte trykk i den hydrauliske sylinder, m massen til den fylte vektbeholder, g tyngdens akselerasjon og k transmisjonsfaktoren, hvor A er det frie tverrsnittsarealet av den hydrauliske sylinder. Basert på en eksperimentell prototype med m = 7000 kg og med bruk av en blokk og taljeoverforing med en overføringsfaktor på 4, en såkalt dobbeltalje, kan et tverrsnittsareal i den hydrauliske sylinder lett beregnes for et trykk på 60 bar dvs. 6 MPa pr. m<2>. Ved å innsette disse verdiene i formelen og løse mhp. A finnes at A må være 458 cm<2>. Kapasiteten til dette systemet i en prosessyklus er gitt som V= AJ hvor Fer det frie volum i den hydrauliske sylinder-, igjen det frie tverrsnittsareal for dette, og / slaglengden til stempelet.

For fagfolk innen hydraulikk ses det lett at slaglengden for en gitt bevegelseslengde for vektbeholderen vil avhenge av transmisjonsfaktoren.

Med bruk av transmisjonsfaktoren valgt som ovenfor, følger det at for en vandring på 6 meter vil slaglengden til stempelet i den hydrauliske sylinder være 1,5 m. Ved å benytte disse verdier i den ovenstående ligning, blir det frie volum av den hydrauliske sylinder omkring 69 1, som vil være matekapasiteten i en syklus. Utbytte vil da være 30-40 1 renset væskemedium pr. syklus. Ved konservativt å sette dette til 30 1 pr. syklus og anta

(antagelsen må være basert på empirisk bevis) at en total syklus periode er 120 s, vil det ses at et system med disse parametere er i stand til å fremstille nær 1 m3 eller 1000 1 renset vann i timen. Antas en viss pausetid for vedlikehold, vil systemet som beskrevet være i stand til å produsere minst 20 m<3>ferskvann pr. dag i en avsaltingsprosess.

Den følgende tabell viser fem numeriske eksempler for oppnåelig trykk for en vektbeholder med en total masse på 7200 kg, når den er fylt med vektmedium for et gitt totalt fritt areal A.n av sylinderen eller sylinderne og slaglengde /, det frie volum V og det oppnåelige trykk

P.

Gitt den forholdsvis lange varighet av en prosessyklus kan volumkapasiteten synes lite imponerende selv om det ses at det er mulig å oppnå et trykk så høyt som 1500 bar innenfor et rimelig område for de andre parameterne.

Utbytte pr. syklus vil variere med trykket og være ca. 50 % for et trykk på 60 bar og økende til mye høyere. Et trykk på 20 bar er i realiteten for lavt til å benyttes for avsalting av sjøvann, men kunne tilpasses til å rense naturlig ferskvann og til og med brakkvann med tilfredsstillende utbytte, f.eks. omkring 30 1 pr. syklus eller 15 %. Som nevnt, er det osmotiske trykk for ferskvann omkring 3 bar og brakkvann har typisk et osmotisk trykk på 5 til 15 bar.

Det skal imidlertid has i mente at systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse er ypperlig egnet for skalering. Det er ikke noen konstruktive hindringer f.eks. mot å øke vandringen til vektbeholderen betydelig og også øke massen av den fylte vektbeholder til adskillig mer enn de omtrent 7200 kg i eksempelet ovenfor. Dette betyr at kapasiteter og ytelser kan forbedres signifikant. Fortsatt kan ulempen være den forholdsvis lange perioden til en syklus i en syklisk prosess, men dette blir mer enn motvirket ved enkelheten av systemet kombinert med meget lavt energiforbruk. Da energiforbruket hovedsakelig er begrenset til den nødvendige pumpeeffekt til matepumpen, vil det ses at f.eks. ved å løfte 7000 kg sjøvann 10 meter og ha en volumkapasitet på 68,7 1, en vandring for vektbeholderen på 6 m og et generert trykk i den hydrauliske sylinder på 60 bar i en som nevnt lang syklustid som omkring 2 min. og et utbytte på dette trykket på 45 %, vil det kunne forventes at systemet kunne produsere omtrent 900 1 i timen, dvs. nær 1 m<3>. Den lange syklusperioden på omkring 2 min er naturligvis en konsekvens av filterimpedans og motstand i den hydrauliske sylinder. I tillegg kan det være et visst tap i kraftoverføringen, enskjønt lite. Ved imidlertid å øke vandringen og massen av vektbeholderen med en faktor på 2, ses det at kapasiteten vil øke fire ganger og utbytte av systemet kan økes tilsvarende. I løpet av en 20 timers arbeidsperiode vil det være mulig å produsere omtrent 75 m<3>ferskvann i en avsaltingsprosess. Nok en dobling, og utbytte vil øke til 300 m<3>pr dag. Installasjonen vil da fremstå som en søyle omtrent 30 m høy med beholderkapasiteter i området på flere titalls

3

m .

En meget stor installasjon må nødvendigvis være stasjonær, men mindre enheter kunne monteres på kjøretøyer og lett flyttes til egnede steder. Det ses at installasjon i industriell skala med en kapasitet på omkring 300 m<3>ferskvann pr. dag har en kapasitet som for en rekke nåværende installasjoner som betraktes som store. Imidlertid kan et sett av slike enheter forestilles som gir et anlegg i industriskala for produksjon av ferskvann med inntil flere tusen m<3>pr. dag.

Som ovenfor angitt vil det eneste vesentlige energikrav være det for matepumpens og kravet kan lett beregnes ved å betrakte massen av vektmedium som skal løftes til toppen av vektbeholderen og den aktuelle løfteavstand. Løfting av 7000 kg vann 10 m i omtrent 100 s impliserer et effektforbruk på 7000 W svarende til et energiforbruk på 170 kWh pr dag. Antatt et visst tap i pumpesystemet summerer dette seg sannsynligvis til 200 kWh pr. dag, hvilket f.eks. ved de nåværende elektrisitetspriser i Norge ville utgjøre NOK 60 pr. dag eller mindre enn EUR 8. Kapasiteten ville være mer enn 30 m<3>pr. dag (1620 1 i time). Således vil energikostnaden pr m<3>ferskvann fremstilt være mindre enn NOK 2 pr. dag. Tar man kostnadene for en flaske med drikkevann i en dagligvarehandel i betraktning, forekommer denne summen ubetydelig.

Som det fremgår av drøftelsen av den omvendte osmoseprosess i innledningen, er fremgangsmåten og systemet i henhold til oppfinnelsen ikke nødvendigvis begrenset til avsalting av sjøvann, men kan benyttes til å hyperfiltrere dispersjoner eller emulsjoner, fortrinnsvis etter at de er blitt underkastet forfiltrering for å fjerne større partikkelbestanddeler. Imidlertid kan den foreliggende oppfinnelse også anvendes til å rense naturlig vann, dvs. naturlig ferskvann i industriprosesser og lignende hvor det er nødvendig med en høy renhet. Dette betyr naturligvis at man ikke lenger er avhengig av å plassere enhetene nær sjøen eller saltvann, men at de kan bli plassert på vilkårlige steder. Det er da naturligvis også mulig å levere ferskvann ved å plassere systemet på et sted hvor topografien tillater en naturlig trykksøyle. Da det osmotiske trykket til ferskvann er meget lavt, bare noen få bar, betyr dette at et høyt trykkdifferensial kan oppnås innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse og således muliggjøre et meget høyt utbytte fra den omvendte osmoseenhet når den benyttes til behandling av ferskvann.

Det skal nevnes at omvendt osmose frembringer et høyrenset produkt. Da de fleste mineraler og lignende er fjernet, vil produktet bli surt og en viss etterbehandling kan være nødvendig, f. eks. oppmineralisering.

Endelig skal det iakttas at ved å øke kapasitetene og frembringe et høyere trykk i den hydrauliske sylinder vil det være mulig å øke utbyttet betraktelig og gjøre systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse i stand til å konkurrere med nåværende systemer utstyrt med høytrykkspumper og som har utbytte i området 79-90 %.

Claims

1. Fremgangsmåte for å behandle et væskemedium ved omvendt osmose i en syklisk prosess, hvor væskemediet er en oppløsning, en dispersjon eller en emulsjon eller en kombinasjon av disse, hvor fremgangsmåten omfatter å anordne en vektbeholder (5) innrettet til å bevege seg vertikalt mellom en begynnelsesstilling og en sluttstilling (5') i hovedsakelig fritt fall og returneres til begynnelsesstillingen, mateanordninger (3) forbundet med en hydraulisk sylinder (10) med en stempelanordning og etter valg med vektbeholderen (5) i begynnelsesstillingen av den sistnevnte og en kraftoverføring som forbinder den bevegelige vektbeholder (5) med den hydrauliske sylinder (10) og en omvendt osmoseenhet (14) som kan forbindes med den hydrauliske sylinder (10) og hvor en prosessyklus omfatter trinn for a) å føre væskemediet til den hydrauliske sylinder (10) og tvinge stempelanordningen til den første stilling, hvor den hydrauliske sylinder er fylt med væskemediet, b) å låse vektbeholderen(5) i dens begynnelsesstilling, c) å fylle vektbeholderen (5) med et vektmedium, d) å frigjøre vektbeholderen (5) med en forhåndsbestemt mengde og tillate den å bevege seg fra dens begynnelsesstilling til dens sluttstilling (5'), e) å overføre kraften generert ved vandringen av vektbeholderen til stempelanordningen i den hydrauliske sylinder (10), slik at et trykk vesentlig høyere enn det osmotiske trykket i væskemediet tilføres denne, f) å føre væskemediet når et bestemt trykk i dette er blitt oppnådd på oppstrømssiden av en membran (15) i den omvendte osmoseenhet (14), g) å skille væskemediet i to komponenter, hvorav en går gjennom den omvendte osmosemembranen (15) og fremkommer på nedstrømssiden av denne og renset for oppløste stoffer, dispergerte eller emulgerte stoffer avhengig av den initiale sammensetning av væskemediet, og h) å returnere vektbeholderen (5) til dens begynnelsesstilling og avslutte en syklus når den hydrauliske sylinder (10)) med stempelet i en annen posisjon er tomt for væskemedium, hvorpå en påfølgende syklus initieres ved å gjenta trinnene a) - h).

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat væskemediet og vekt er den samme.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2,karakterisert vedå anordne mateanordningen som en matebeholder (3) på toppen av vektbeholderen (5) og kontinuerlig å føre et væskemedium til denne for samtidig å fylle vektbeholderen (5) og den hydrauliske sylinderen (10) med væskemediet.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedå tømme vektbeholderen (5) for vektmedium i dens sluttstilling (5') og returnere den tomme vektbeholder til dens begynnelsesstilling ved hjelp av bevegelige motvekter (6) som er festet til denne.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat væskemediet er en saltoppløsning.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5,karakterisert vedat saltoppløsningen er sjøvann.

7. System for å utføre fremgangsmåten i henhold til krav 1, hvor systemet omfatter en omvendt osmoseenhet (14) med en omvendt osmosemembran (15),karakterisert vedå omfatte en mateanordning (3) for å motta et væskemedium, en vektbeholder (5) innrettet for å bevege seg vertikalt mellom en initial stilling og en sluttstilling (5') under sin egen vekt og i hovedsakelig fritt fall, minst en hydraulisk sylinder (10) med en stempelanordning forbundet med en mateanordning (3) og den omvendte osmoseenhet (14) henholdsvis, en kraftoverføring forbundet mellom vektbeholderen (5) og den minst ene hydrauliske sylinder (10) for å overføre kraften generert ved vandringen av vektbeholderen til den minst ene hydrauliske sylinder (10) og rørledninger som skaffer forbindelser mellom mateanordningen (3), den hydrauliske sylinderen (10) og den omvendte osmoseenhet (14).

8. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat mateanordningen er en matebeholder (3) montert over vektbeholderen (5) og forbundet med denne for å mate væskemediet til vektbeholderen (5) via en lukkbar forbindelse når vektbeholderen er låst i begynnelsesstillingen og omfattende tømmeanordninger ved bunnen av vektbeholderen for å tømme væskemediet når vektbeholderen har nådd sin sluttstilling (5')-

9. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat vektbeholderen (5) omfatter utløsbare låseanordninger som låser beholderen i dens begynnelsesstilling når den er fylt med mediet.

10. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat vektbeholderen (5) er montert i en ramme (20) og forsynt med føringer (22) som står i inngrep med tilsvarende føringer montert i rammen (20).

11. System i henhold til krav 10,karakterisert vedat systemet omfatter en eller flere bevegelige motvekter (6) festet til vektbeholderen og anbrakt ved toppen av rammen (20) for å returnere den tomme vektbeholder fra dens sluttstilling (5') til dens begynnelsesstilling.

12. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat minst en kraftoverføring (9) er en blokk og taljeanordning forbundet med vektbeholderen og stempelanordningen til den respektive hydrauliske sylinder (10).

13. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat den omfatter en tilbakeslagsventil (13) i rørforbindelsen mellom mateanordningen og den minst ene hydrauliske sylinder (10) og innrettet til å avslutte forbindelsen når den minst ene hydrauliske sylinder er fylt med væskemedium.

14. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat den omfatter en tilbakeslagsventil (13) i rørforbindelsen mellom den hydrauliske sylinder (10) og den omvendte osmoseenhet (14) og innrettet for å åpne forbindelsen når et forhåndsbestemt trykk er blitt oppnådd i væskemediet i den hydrauliske sylinder (10).

15. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat den omfatter en pumpe for å føre væskemedium til mateanordningen.

16. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat den omfatter en forfiltreringsenhet (12) forbundet mellom mateanordningen (3) og minst en hydraulisk sylinder (10).

17. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat den hydrauliske sylinder (10) er anordnet og festet i en vertikal posisjon foretrukket ved nivået til vektbeholderen (5) og dens sluttstilling (5').

18. System i henhold til krav 7,karakterisert vedat ytelseskapasiteten til den omvendte osmoseenhet (14) er skalerbar ved å justere en eller flere av de følgende parametere for systemet, nemlig massen av den fylte vektbeholder (5), bevegelseslengden for vektbeholderen (5), og transmisjonsforholdet til kraftoverføringen og det frie tverrsnittsareal av den minst ene hydrauliske sylinder (10).

19. Anvendelse av systemet i henhold til krav 7 for avsalting av sjøvann.

20. Anvendelse av systemet i henhold til krav 7 for behandling av spillvann.

21. Anvendelse av systemet i henhold til krav 7 for behandling av ferskvann for industri- og husholdningsformål.