PL183910B1

PL183910B1 - Sposób testowania integralności membran filtracyjnych oraz instalacja do testowania integralności membran filtracyjnych

Info

Publication number: PL183910B1
Application number: PL97330192A
Authority: PL
Inventors: Pierre Côté
Original assignee: Omnium Traitement Valorisa
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2002-08-30
Also published as: AU718839B2; BR9709279A; HUP9902297A3; HUP9902297A2; ATE198165T1; DE69703740T2; HU221782B1; JP2000510766A; DE69703740D1; ES2154045T3; FR2749190B1; DK0909210T3; CA2257151C; EP0909210A1; EP0909210B1; PL330192A1; CA2257151A1; US6228271B1; AU3096997A; WO1997045193A1

Abstract

1. Sposób testowania integralnosci membran filtracyj- nych cieczy, w którym poddaje sie sprawdzaniu co najmniej jedna membrane umieszczona wewnatrz urzadzenia filtracyjnego rozgraniczajaca przedzial zasilania przyjmujacy ciecz do filtracji i przedzial permeatu zbierajacy ciecz po filtracji, znamienny tym, ze przedzial zasilania napelnienia sie powietrzem do uzy- skania w nim cisnienia atmosferycznego Patm , zas w przedziale permeatu uzyskuje sie czesciowa próznie, wytwarzajac róznice cisnien miedzy przedzialem zasilania i przedzialem permeatu, po czym dokonuje sie pomiaru wielkosci przeplywu cieczy odpo- wiadajacej przeplywowi powietrza przechodzacego przez otwor- ki przecieku pod wplywem tej róznicy cisnien oraz mierzy sie cisnienie panujace w przedziale permeatu, a nastepnie, po usta- bilizowaniu sie mierzonego cisnienia do okreslonego wczesniej cisnienia testowego Pte s t i przed opróznieniem przedzialu perme- atu z wody, mierzy sie odpowiadajacy mu staly przeplyw cieczy Qte s t i ocenia sie integralnosc membrany w funkcji zmierzonej wielkosci przeplywu Qtest. 9. Instalacja do testowania integralnosci membran filtra- cyjnych, zawierajaca co najmniej jedno urzadzenie filtracyjne z co najmniej jedna membrana rozgraniczajaca co najmniej jeden przedzial zasilania przyjmujacy ciecz do filtracji i co najmniej jeden przedzial permeatu przyjmujacy te ciecz po filtracji, zna- mienna tym, ze przedzial zasilania (3) jest polaczony z zaworem (5) doprowadzajacym cisnienie atmosferyczne, zas przedzial permeatu (4) jest polaczony z pompa prózniowa (6) oraz z cisnieniomierzem (7) i z przeplywomierzem (16) do pomiaru wielkosci przeplywu przez membrane (2). Fig. 2 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób testowania integralności membran filtracyjnych oraz instalacja do testowania integralności membran filtracyjnych. Sposób i instalacja według wynalazku znajdują zastosowanie zwłaszcza w dziedzinie oczyszczania wód przeznaczonych do spożycia. Przy uwzględnieniu obowiązujących norm, obróbka wód dla uczynienia ich zdatnymi do spożycia ma następujące cele:

- usunięcie zawiesin,

- usunięcie substancji organicznych,

- usunięcie szkodliwych jonów,

- sterylizację.

Typowa obróbka uzdatniania wody składa się z kolejnych etapów fizykochemicznych typu koagulacja-flokulacja-dekantacja-filtracja, zazwyczaj uzupełnionych etapem utleniania. Rola etapu filtracji, której dotyczy wynalazek, polega na dezynfekcji przerabianych wód przez zatrzymanie zawartych w nich mikroorganizmów (wirusy, bakterie, pierwotniaki), zwłaszcza mikroorganizmów patogennych. Taki etap filtracji na membranach prowadzi się korzystnie przy użyciu membran organicznych zawierających pory o mniejszej lub większej średnicy zgodnie z rozmiarem cząstek do zatrzymania, które to membrany mogą mieć różne konfiguracje (włókna puste, moduły spiralne, itp.). Ultrafiltracja i mikrofiltracja na membranach organicznych uważane są za doskonałe metody obróbki i uzdatniania wód. Jeden z głównych problemów stwarzanych przez instalacje do filtracji na membranach wiąże się z przeciekami które mogą w nich występować, powodując znaczne zmniejszenie ich skuteczności. W praktyce, w tego typu instalacjach z membranami istnieje wiele potencjalnych źródeł przecieków, wśród których można zwłaszcza wymienić: niedoskonałość membran, połączenia mechaniczne, połączenia i zamknięcia klejone oraz pęknięcia membran. W przypadku pęknięć waga problemu wzrasta przy membranach składających się z pustych włókien, które są stosunkowo kruche. W celu przeciwdziałania temu jest więc istotne, zwłaszcza w zakresie uzdatniania wody, dysponowanie metodami pozwalającymi zapewnić integralność układów membranowych poprzez sprawdzanie, czy są one wolne od przecieków. Metody takie służą do szybkiej lokalizacji przecieków w celu naprawy lub wymiany uszkodzonych elementów odpowiedzialnych za zlokalizowany przeciek. Metody takie muszą bezwzględnie nadawać się do stosowania in situ, to znaczy bezpośrednio w instalacji filtracyjnej, bez demontowania membran filtracyjnych.

Dla osiągnięcia tego celu proponowano w dotychczasowym stanie techniki szereg sposobów.

Znane są ze stanu techniki sposoby polegające na zliczaniu cząstek w cieczy przefiltrowanej (permeacie) w celu stwierdzenia, czy operacja filtracji w testowanej instalacji jest prowadzona prawidłowo. W praktyce, jeśli liczba cząstek znalezionych w permeacie jest zbyt

183 910 duża, można wnioskować, że na poziomie instalacji ma miejsce przeciek. Sposoby takie, wprawdzie skuteczne, mają szereg wad. Po pierwsze, wymagają stosowania stosunkowo skomplikowanego i kosztownego urządzenia niezbędnego do liczenia cząstek. Po drugie, co jest szczególnie istotne, nie mogą być łatwo stosowane dla wód od początku mało obciążonych cząstkami do filtracji.

Zgodnie z japońskim opisem patentowym JP-A-H7024273 proponuje się użycie gazu zawierającego cząstki o stałym rozmiarze i w stałym stężeniu, filtrację takiego gazu przez badaną membranę i oznaczenie cząstek po stronie permeatu. Wadą takiej techniki jest konieczność użycia szczególnego płynu, a mianowicie gazu zawierającego cząstki których skład musi być stały, co zwiększa złożoność testu integralności i jego koszt. Opis patentowy JP-A-H7060073 proponuje technikę polegającą na zainstalowaniu mikrofiltru na wyjściu z zasadniczej instalacji filtracyjnej i na okresowym pomiarze ciśnienia na poziomie tego mikrofiltru. Każdy wzrost ciśnienia na poziomie mikrofiltru wskazuje na obecność przecieku. Główną wadą tej techniki jest konieczność użycia dodatkowego urządzenia filtrującego, stosunkowo trudnego do wprowadzenia i powodującego znaczne zwiększenie całkowitego kosztu instalacji.

Inna metoda polega na użyciu hydroforni do wykrywania dźwięków pochodzących z łamania pustych włókien. Ten typ testu nie pozwala jednak oznaczyć przecieków przez inne typy membran niż membrany z pustych włókien, w których do płukania zwrotnego stosuje się powietrze.

Znany jest również, zwłaszcza z amerykańskiego patentu US 5353630, sposób oceny integralności membran filtracyjnych wykorzystujący zasadę punktu pęcherzyka. Pomiar ten polega na zwilżeniu testowanej membrany i na poddaniu jej ciśnieniu powietrza rosnącego stopniowo do momentu gdy powietrze porwie ciecz przez otworki przeciekowe tej membrany. Przy stosowaniu ciśnień testowych zawartych między około 50 i l00 kPa można w ten sposób stwierdzić obecność otworków o rozmiarze rzędu mikrona związanych z niedoskonałością warstwy filtrującej, połączeń które przepuszczają, połamanych włókien pustych itp. Takie otworki przeciekowe mają rozmiary dużo większe od progów odcięcia badanych membran, które wynoszą około 0,1 pmdlamembran domifrofiltracji, około 0,001 pm dlamembran do ultrafiltracji i jeszcze mniej w osmozie odwróconej.

Rozmiary takich otworków, które pozwalają na przepuszczenie powietrza pozwala ocenić równanie Younga i Laplace'a. W ten sposób możliwe jest stwierdzenie, czy występują, przecieki w membranie. W rezultacie, według tego równania:

d = 4vK_tcosO/AP, w którym d jest średnicą otworka, γ jest napięciem powierzchniowym na granicy faz powietrze-ciecz, K, jest współczynnikiem korekcyjnym uwzględniającym krętość porów którego typowa wartość wynosi od 0,2 do 0,3 dla membran wytworzonych przez inwersję fazy, AP jest punktem pęcherzyka. Obserwuje się, że jeśli pęcherzyk powietrza przechodzi przez otworek, średnica tego pęcherzyka osiąga średnicę otworka, czyli Θ = 0 acos Θ = LZmem rozwiązanie według patentu US 5353630 polega na poddaniu przedziału permeatu ograniczonego membranami ciśnieniu powietrza i na pomiarze spadku ciśnienia lub przepływu wody wypieranej w przedziale filtratu w funkcji czasu.

Technika taka ma szereg niedogodności. Po pierwsze, wymaga poddania działaniu ciśnienia przedziału permeatu, co pociąga za sobą konieczność wyposażenia instalacji w środki umożliwiające doprowadzanie powietrza pod ciśnieniem. Środki tego rodzaju znajdują się tylko w niektórych typach instalacji filtracyjnych, zwłaszcza tych, w których stosuje się płukanie zwrotne membran powietrzem. Ponadto, metodę tę stosuje się w kierunku odwrotnym w stosunku do filtracji, to znaczy, że powietrze użyte w teście integralności przechodzi przez membranę przedziału permeatu do przedziału filtratu, podczas gdy odwrotnie, ciecz do filtracji przechodzi przez membranę przedziału filtratu do przedziału permeatu. Technikę taką można więc korzystnie stosować tylko do membran o strukturze izotropowej (symetrycznej). Użycie powietrza w przypadku instalacji filtracyjnych z membranami asymetrycznymi lub też z membranami kompozytowymi z cienką warstwą filtrującą wiąże się w praktyce z ryzykiem rozciągnięcia membrany i uzyskania błędnych rezultatów, a nawet uszkodzenia membrany.

183 910

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu oceny integralności membran filtracyjnych oraz instalacji pozwalającej na taką ocenę, nie wykazujących wad znanych rozwiązań.

W szczególności, jednym z celów wynalazku jest przedstawienie sposobu wykorzystującego zasadę pomiaru punktu pęcherzyka, lecz nie wymagającego stosowania powietrza pod ciśnieniem.

Innym celem wynalazku jest przedstawienie takiego sposobu, który mógłby być stosowany dla każdego typu membran, zarówno do ultrafiltracji, mikrofiltracji, nanofiltracji jak i do osmozy odwróconej, symetrycznych lub asymetrycznych, kompozytowych lub nie, a także dla każdej konfiguracji membran (włókna puste, moduły spiralne itp.).

Jeszcze innym celem wynalazku jest opracowanie sposobu, który mógłby być łatwo zastosowany do zestawu modułów membranowych lub dla danego modułu.

Sposób testowania integralności membran filtracyjnych cieczy, w którym poddaje się sprawdzaniu co najmniej jedną, membranę umieszczoną wewnątrz urządzenia filtracyjnego rozgraniczającą przedział zasilania przyjmujący ciecz do filtracji i przedział permeatu zbierający ciecz po filtracji charakteryzuje się tym, że przedział zasilania napełnienia się powietrzem do uzyskania w nim ciśnienia atmosferycznego Pa_m, zaś w przedziale permeatu uzyskuje się częściową próżnię, wytwarzając różnicę ciśnień między przedziałem zasilania i przedziałem permeatu, po czym dokonuje się pomiaru wielkości przepływu cieczy odpowiadającej przepływowi powietrza przechodzącego przez otworki przecieku pod wpływem tej różnicy ciśnień oraz mierzy się ciśnienie panujące w przedziale permeatu, a następnie, po ustabilizowaniu się mierzonego ciśnienia do określonego wcześniej ciśnienia testowego P_testi przed opróżnieniem przedziału permeatu z wody, mierzy się odpowiadający mu stały przepływ cieczy Qte,t i ocenia się integralność membrany w funkcji zmierzonej wielkości przepływu Q„._s„

Korzystnie stosuje się ciśnienie testowe P„,_s„ w granicach 20 kPa do 90 kPa, zaś zmierzoną wielkość przepływu Qes koryguje się zgodnie z równaniem:

Qprzeciek Qtestff*l ^2 ’ w którym f jest współczynnikiem korekcyjnym lepkości cieczy filtrowanej w stosunku do powietrza, a f, jest współczynnikiem korekcyjnym ciśnienia. Średnicę otworków przecieku w fńnkcji ciśnienia śródmembranowego oblicza się przy zastosowaniu równania:

d = 4yK/AP w którym AP jest ciśnieniem śródmembranowym, a K, jest współczynnikiem korekcyjnym uwzględniającym krętość porów membrany. Stosuje się membranę zanurzoną, zbudowaną z włókien pustych, a etap napełnienia powietrzem przedziału zasilania prowadzi się przez jego opróżnianie. W etapie napełniania powietrzem przedziału zasilania zasysa się wolną ciecz znajdującą się w przedziale zasilania za pomocą pompy próżniowej wytwarzając częściową próżnię w przedziale permeatu przy zapewnieniu dopływu powietrza z otoczenia do przedziału zasilania. Ocenę integralności przeprowadza się równolegle dla kilku membran lub zestawów membran, zaś po stwierdzeniu defektu integralności w badanej grupie membran, testuje się kolejno każdą z tych membran lub każdy z tych zestawów membran.

Instalacja do testowania integralności membran filtracyjnych zawiera co najmniej jedno urządzenie filtracyjne z co najmniej jedną membraną rozgraniczającą, co najmniej jeden przedział zasilania przyjmujący ciecz do filtracji i co najmniej jeden przedział permeatu przyjmujący tę ciecz po filtracji. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że przedział zasilania jest połączony z zaworem doprowadzającym ciśnienie atmosferyczne, zaś przedział permeatu jest połączony z pompą próżniową oraz z ciśnieniomierzem i z przepływomierzem do pomiaru wielkości przepływu przez membranę.

Korzystnie, do przedziału permeatu jest podłączony licznik do obliczania wielkości przepływu przecieku i/lub spadku logarytmicznego, i/iub średnicy otworków przecieku dla membrany. Do przedziału permeatu jest połączona pompa próżniowa z regulowaną wydajnością do utrzymania stałego ciśnienia, przy czym pompa próżniowa ma regulowaną wydajność w zależności od wielkości przepływu przez membranę, która jest membraną zanurzoną

183 910 o włóknach pustych. Przedział zasilania zawiera opróżniający zawór, zaś membrany są umieszczone w urządzeniach filtracyjnych, które są podłączone do wspólnej pompy próżniowej oraz mają wspólny ciśnieniomierz i licznik.

W sposobie według wynalazku nie stosuje się powietrza pod ciśnieniem, lecz przeciwnie, częściową próżnię. Dzięki temu sposób według wynalazku może być stosowany w instalacjach do filtracji membranowej nie zawierających środków do doprowadzania powietrza pod ciśnieniem. Ponadto, sposób według wynalazku wykorzystuje zasadę pomiaru punktu pęcherzyka, powodując przejście powietrza przez jeszcze zwilżoną membranę w kierunku stosowanym podczas filtracji. Jest to o tyle korzystne, że nie osłabia badanej membrany i, zwłaszcza w przypadku membran asymetrycznych lub kompozytowych, nie wywołuje niekorzystnego rozciągnięcia membrany. Ciśnienie P„e_t wybrane do testu specjalista określi w zależności od badanej membrany i będzie ono mogło być wyższe lub niższe. W praktyce ciśnienie to będzie korzystnie zawarte między około 20 kPa do 90 kPa (ciśnienie absolutne). Ponadto należy zauważyć, że przepływ cieczy Q_tcs przy ciśnieniu Pj^, będzie mierzony przed całkowitym opróżnieniem przedziału z zawartej w nim cieczy.

Sposób według wynalazku pozwala zmierzyć przepływ Qtet, który odpowiada powietrzu przechodzącemu przez membranę i gromadzeniu się w górnej części przedziału permeatu i na podstawie tego pomiaru ocenić integralność badanej membrany.

Jednakże, aby umożliwić bardziej precyzyjną ocenę tej integralności, sposób według wynalazku korzystnie proponuje skorygowanie mierzonego przepływu Qt.st. Pierwsza korekta proponowana przez wynalazek pozwala przejść od przepływu Q_tett zmierzonego pod ciśnieniem Pte panującym w przedziale permeatu do rzeczywistego przepływu w otworkach Q_ohvpod średnim ciśnieniem panującym w membranie (Pam⁺Ptst)/2. Stosując prawo gazów doskonałych, ocenia się przepływ powietrza w otworkach:

Qotw - Qeest ( Ptes/ (Patm+Ptes/²))·

Druga korekta polega na przeniesieniu warunków testu do warunków odpowiadających filtracji, co wymaga przejścia od powietrza do cieczy (korekta lepkości) i od ciśnienia śródmembranowego testu (P_atmPtest) do ciśnienia śródmembranowego filtracji (APf„). Do tego celu stosuje się równanie Hagena-Poiseuille’a opisujące przepływ laminamy w cylindrze:

Qp/AP = nd⁴/128 1, w którym Q oznacza wielkość przepływu w cylindrze, d średnicę cylindrycznego otworka, AP stratę ciśnienia, μ lepkość, zaś 1 długość cylindra.

Równanie to, zastosowane do testu według wynalazku, daje:

QowPp/(P.₁t.-Pte) = nd4/128 1

To samo równanie zastosowane do filtracji daje:

Qprzexiek flcieczy/APfiu — 7ld /128 1

Z obu tych równań wyciąga się:

O^frz^e^iek Qotwflpow APg|/gcieczy (P_atm Pfest)

Zastępując Q„,_w przez jego wartość podaną powyżej w przypadku pierwszej korekty, otrzymuje się równanie na Qprecek wyrażone w funkcji znanych zmiennych:

Qprzeciek Qtest (Mpow2APjjftPtest) / (gcieczy (P_atm“ Ptest))·

Definiując f = μ*^ _{a f2} = (P_atm ²- Ptest²e/ 2AP^>fiip_{ttest mo}ż_na wyrazić Q_preciek następującym równaniem:

Qpizeciek ^— Qtcs/f| ^2»

183 910

Ί w którym f, jest współczynnikiem korekcyjnym lepkości cieczy filtrowanej w stosunku do powietrza, a f₂ jest współczynnikiem korekcyjnym ciśnienia. W ramach sposobu według wynalazku korzystnie oblicza się wartość skorygowanej wielkości przepływu przecieku <3™.^.

Należy zaznaczyć, że sprecyzowany powyżej sposób korekty przepływu Q_tcst nie jest w żadnym stopniu ograniczający i że specjalista może opracować korektę Qtet według innego sposobu, bez wychodzenia poza zakres wynalazku.

Równie korzystnie, integralność badanej membrany ocenia się przez obliczenie spadku logarytmicznego dla tej membrany na podstawie omawianej wyżej wielkości przepływu przecieku Qp_izecek przepływu filtratu Qf„ przez tę membranę, stosując następujące równanie:

AL = ^logio (^Qprzeciek^/Qfilt)

Taki sposób obliczenia dotyczy hipotezy, według której wszystkie cząstki (np. mikroorganizmy) występujące w strumieniu przecieku przechodzą przez membranę, podczas gdy wszystkie cząstki występujące w strumieniu filtratu są zatrzymywane przez membranę. Korzystnie, sposób według wynalazku obejmuje również etap polegający na obliczeniu średnicy otworków przecieku w membranie w funkcji ciśnienia śródmembranowego, przez zastosowanie równania d = 4γΚ/ΔΡ, gdzie γ, ΔΡ i K, są takie jak określone powyżej.

Ponadto, według korzystnego wykonania wynalazku, wspomniany etap polegający na wypełnieniu powietrzem omawianego przedziału zasilania tak aby umieścić ten przedział pod ciśnieniem atmosferycznym prowadzi się przez opróżnienie tego przedziału. Taka korzystna właściwość jest zwłaszcza dostosowana do instalacji z membranami zanurzonymi, których opróżnienie pozwala szybko wystawić na działanie powietrza stronę filtratu membran. Z tej przyczyny sposób według wynalazku stosuje się korzystnie dla tego typu membran, zwłaszcza utworzonych z włókien pustych.

Jeśli sposób zostanie zastosowany w instalacji nie zawierającej środków do opróżniania, ekspozycję membrany na powietrze w przedziale permeatu osiągnie się przez zassanie wolnej cieczy znajdującej się w tym przedziale dzięki środkom pozwalającym na wytworzenie częściowej próżni w przestrzeni permeatu.

Sposób według wynalazku może być stosowany równolegle dla kilku membran lub zespołów membran i jeśli na tym etapie stwierdzi się defekt integralności, każdą z tych membran lub każdy z tych zespołów membran testuje się następnie kolejno tak, aby określić membranę(y) lub zespół(oły) membran wykazującą(e) defekt integralności.

Sposób według wynalazku jest szczególnie łatwy do prowadzenia dla membran zanurzonych o włóknach pustych.

Instalacja według wynalazku pozwala na prosty pomiar wielkości przepływu odpowiadającemu ilości powietrza przechodzącego przez membranę. Stosuje się korzystnie pompy wyporowe, których wydajność określa się jako ułamek (korzystnie OO- do OO'⁶) wydajności filtracji badanych membran. Zastosowanie zaworów opróżniających w urządzeniu filtracyjnym umożliwia łatwe wystawienie zwilżonych membran na powietrze. Gdyby etap polegający na umieszczeniu przedziału zasilania pod ciśnieniem atmosferycznym nie mógł być zrealizowany przez opróżnienie tego przedziału, można by go przeprowadzić przez zassanie wolnej cieczy do przedziału zasilania za pomocą środków pozwalających wytworzyć częściową próżnię w przedziale permeatu i przy zapewnieniu dostępu powietrza z otoczenia do przedziału zasilania. Według korzystnego wariantu wynalazku, urządzenie filtracyjne zawiera szereg modułów membran, przy czym pompy próżniowe i liczniki są wspólne dla tych modułów, a także zawiera środki selekcji do stosowania pomp próżniowych i liczników, bądź do zespołu modułów, bądź tylko dla jednego lub kilku z nich. Dzięki temu sposób według wynalazku może być stosowany globalnie dla zestawu membran lub modułów membranowych i, w przypadku negatywnego rezultatu na tym etapie, można wyodrębnić jeden lub kilka z tych modułów albo jedną lub kilka z tych membran w celu stwierdzenia, które elementy są uszkodzone. Taką selekcję można przykładowo przeprowadzić za pomocą sieci zaworów ręcznych lub elektro-zaworów.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku w przykładach wykonania, na którym fig. O przedstawia schemat sposobu testowania integralności membran, fig. 2 przedstawia instalację do filtracji wody z membranami zanurzonymi, fig. 3 przedstawia zmiany

183 910 wielkości przepływu i ciśnienia zachodzące w przedziale permeatu podczas stosowania sposobu według wynalazku, zaś fig. 4 - inny przykład realizacji instalacji według wynalazku.

Na figurze 1 jest przedstawiony sposób według wynalazku pokazany w odniesieniu do instalacji filtracyjnej zawierającej urządzenie filtrujące 1, pokazujące dla jasności opisu tylko pojedynczą membranę 2 składającą się z włókien pustych umieszczonych w tym urządzeniu pionowo, z których, również dla jasności opisu, przedstawiono tytko jedno. Włókno puste rozgranicza wewnątrz urządzenia filtrującego 1 z jednej strony przedział zasilania 3 znajdujący się na zewnątrz włókna i przyjmujący ciecz do filtracji, a z drugiej strony przedział permeatu 4 utworzony przez światło włókna pustego. Membrana 2 jest odizolowana przez klejone złącza 10, 11 przewidziane odpowiednio w jej części górnej i w jej części dolnej. Urządzenie filtrujące 1 zawiera ponadto, z jednej strony, środki zasilania membrany 2 cieczą do filtracji połączone bezpośrednio z przedziałem zasilania 3, składające się zasadniczo z zaworu 12 i pompy 14, a z drugiej strony, środki przeznaczone do odciągania cieczy przefiltrowanej (permeatu), połączone bezpośrednio z przedziałem permeatu 4, stanowiące zasadniczo zawór 13.

Zgodnie z wynalazkiem, instalacja zawiera zawór 5 umożliwiający doprowadzenie ciśnienia atmosferycznego do przedziału zasilania, zawór 9 umożliwiający opróżnianie tego przedziału, pompę próżniową 6 umożliwiającą wytworzenie częściowej próżni w przedziale permeatu, ciśnieniomierz 7 umożliwiający pomiar ciśnienia w tym przedziale przez czujnik ciśnieniowy umieszczony w połowie wysokości membran 2, przepływomierz 16 umożliwiający pomiar przepływu wody odpowiadającej powietrzu przechodzącemu przez membranę oraz licznik 8 do pomiaru poziomu częściowej próżni i do obliczenia, na podstawie uzyskanych wartości przepływu, wielkości przepływu przecieku membrany i jej spadku logarytmicznego.

Należy zauważyć, że przepływomierz 16 może być zastąpiony przez pomiar szybkości obrotów pompy.

Ciśnienie panujące w przedziale permeatu może być odczytane na zewnętrznym ciśnieniomierzu 7. Ciśnieniomierz ten, przewidziany w połowie wysokości zestawu membranowego, wskazuje w efekcie bezpośrednio ciśnienie P^. Możliwe jest również umieszczenie tego ciśnieniomierza w innym miejscu i otrzymanie P^t przez proste wyliczenie.

W ramach niniejszego sposobu realizacji, zawór 9 stanowi zwykły zawór do opróżniania zamontowany w dolnej części przedziału zasilania 3, zaś zawór 5 jest umieszczony w jego części górnej. Do wytwarzania częściowej próżni w przedziale zasilania stosuje się korzystnie pompę wyporową, pozwalającą na uzyskanie stałego ciśnienia przez zmianę jej prędkości obrotowej. Pompa taka jest połączona bezpośrednio z przedziałem permeatu 4 przewodem wyposażonym w zawór 15.

Podczas stosowania sposobu według wynalazku proces samej filtracji zostaje zatrzymany. W tym celu przerywa się zasilanie cieczą do filtracji przez zamknięcie zaworów 12 i 13 i zatrzymanie pompy 14.

Następnie przedział zasilania 3 opróżnia się i poddaje ciśnieniu atmosferycznemu przez otworzenie jednocześnie zaworów 5 i 9. Po opróżnieniu tego przedziału z cieczy do filtracji i wytworzeniu w nim ciśnienia atmosferycznego, otwiera się zawór 15 i uruchamia pompę próżniową 6 tak, aby wytworzyć częściową próżnię w przedziale permeatu 4 i spowodować przejście powietrza pod wpływem różnicy ciśnienia istniejącej między tym przedziałem permeatu 4 i przedziałem zasilania 3 przez otworki przecieku mogące wystąpić w membranie. Jak to zostanie wyjaśnione szczegółowo poniżej, ciśnienie panujące w tym przedziale stopniowo spada do osiągnięcia wcześniej określonej wartości Ptes Równolegle zmniejsza się również stopniowo przepływ odpowiadającej cieczy do osiągnięcia wielkości przepływu przecieku Qtet. Ciśnienia i wielkości przepływu są mierzone w sposób ciągły. Jeśli wielkość przepływu przecieku Q_tóst mierzona pod ciśnieniem Ptet jest mniej więcej stałą, to tę daną przesyła się do licznika 8 umożliwiającego obliczenie skorygowanego przepływu przecieku w funkcji ciśnienia i lepkości oraz spadek dla membrany. W tym celu licznik 8 obejmuje również środki pozwalające na wprowadzenie parametrów i stałych potrzebnych do tych obliczeń.

Na figurze 2 przedstawiono inną instalację do filtracji wody z membranami zanurzonymi. W instalacji tego typu nie prowadzi się zasilania pod ciśnieniem, lecz odciąga się permeat

183 910 za pomocą pompy 14a. Figura 2 przedstawia membrany w postaci modułu filtracyjnego 2a składającego się z dużej liczby membran zanurzonych bezpośrednio w cieczy do filtracji. W procesie filtracji permeat odprowadza się jednocześnie górą i dołem modułów. W ramach niniejszego sposobu realizacji, moduł filtracyjny 2a składa się z membran zanurzonych Zee Weed (znak zastrzeżony przez Zenon Environmental Inc., Burlington, Canada) o powierzchni filtracyjnej 13,9 m² i wysokości 1,80 m. Należy też zauważyć, że w stosunku do instalacji opisanej w odniesieniu do fig. 1, pomiar przepływu wody odpowiadający powietrzu przechodzącemu przez membranę są zastąpione przez pomiar prędkości obrotowej pompy.

Zgodnie z wynalazkiem zostały przeprowadzone badania integralności membran z instalacji przedstawionej na fig. 2. Podczas tego testu, do licznika 8 zostały przez operatora wprowadzone następujące parametry:

Wysokość membran 1,80 m

Ciśnienie atmosferyczne P_atm 101 kLP

Ciśnienie absolutne Ρ^ osiągnięte podczas testu sprowadzone do środka zestawu membran 61 k.Pa

Wielkość przepływu przecieku Q_Icsl mierzona podczas testu 42 1/h

Napięcie powierzchniowe na granicy faz woda-powietrze γ 0,0773 N/m

Współczynnik korekcyjny K, membrany 0,25

Lepkość powietrza μ_ρο._Λ. 0,0182 cP

Lepkość wody p_wody 1,0019 cP

Przepływ przy filtracji 700 1/h

Średnie ciśnienie śródmembranowe przy filtracji (AP) 40 kPa

W odniesieniu do fig. 3, krzywa A przedstawia zmianę w czasie ciśnienia panującego podczas testu w przedziale permeatu a krzywa B przedstawia odpowiadającą zmianę przepływu w czasie.

Zarówno krzywa A jak krzywa B wykazują zasadniczo trzy fazy I, II i III, takie jak zaznaczone na fig. 3.

Faza I, na początku testu, odpowiada opróżnianiu z wolnej wody pod ciśnieniem bliskim ciśnieniu statycznemu. W przedstawionym sposobie realizacji faza ta jest krótka, gdyż w przedziale zasilania pozostaje tylko trochę wolnej wody, która została prawie całkowicie usunięta przez środki do opróżniania. W przeciwieństwie do tego, w innych sposobach realizacji wynalazku, w których usunięcie wolnej wody nie byłoby możliwe, usuwa się ją przez zastosowanie pompy przewidzianej do wytworzenia częściowej próżni w przedziale permeatu. Faza I będzie wówczas dużo dłuższa.

Podczas fazy II, podciśnienie wytworzone przez pompę próżniową 6 kurczy membranę, co pociąga za sobą szybki spadek przepływu.

Na koniec, podczas fazy III, ciśnienie panujące wewnątrz przedziału permeatu ustala się na wartości wybranej dla testu, a mierzona wielkość przepływu Qte odpowiada przeciekom przez otworki umożliwiające przejście powietrza. W ramach niniejszego sposobu realizacji ciśnienie Pts zostało ustalone na 61 kPa, a mierzona wielkość przepływu wody wynosiła 42 1/godz. Dane te zostały wprowadzone do licznika 8, jak podano wyżej.

Parametry wprowadzone do licznika 8 pozwoliły określić średnicę otworków umożliwiających przepływ powietrza, skorygowaną wielkość przepływu przecieku i spadek logarytmiczny dla membrany.

Średnice otworków przecieku obliczono na podstawie równania:

D = 4γKtAP, w którym γ jest napięciem powierzchniowym na granicy faz powietrze-ciecz, AP jest ciśnieniem śródmembranowym a K, jest współczynnikiem korekcyjnym określającym krętość porów w omawianych membranach.

Ciśnienie śródmembranowe obliczono dla góry membrany i dla dołu membrany, biorąc pod uwagę fakt, że jej wysokość wynosi 1,80 m i że średnie ciśnienie śródmembranowe wynosi 4 kPa. Obliczenie to dało w wyniku ciśnienie śródmembranowe w górze membrany równe 31 kPa i ciśnienie śródmembranowe w dole membrany równe 49 kPa, co odpowiada odpowiednio otworkom przecieku 1,5 pm i 2,2 pm.

183 910

Skorygowaną wielkość przepływu przecieku Qpzecek ustalono na podstawie mierzonej wielkości przepływu która wyniosła 42 1/godz.

Współczynniki korekcyjne f i f₂ ustalono na podstawie podanych wyżej równań, uzyskując następujące wyniki:

współczynnik korekcyjny lepkości f,:

f = hwodAow = 1,0019/0,0182 = 55, współczynnik korekcyjny ciśnienia f₂:

f = (P_atm ²- PtesWPflPe = (101²-61²)/(2 x 40 x 0,61) = 1,33

Następnie przez licznik zostało użyte równanie Qprzaek = Qtes/f f2, ^w wyniku czego uzyskano wartość Qp_Ize:i_ek= 0,575 1/godz.

Spadek logarytmiczny AL dla membrany, zgodnie z równaniem AL = log,l(Qp_rre_;lek/Qtlt) został użyty przez licznik, w wyniku czego uzyskano wartość AL = 3,1.

Na figurze 4 przedstawiono inny przykład realizacji instalacji według wynalazku, która to instalacja zawiera trzy moduły filtracyjne identyczne z przedstawionym na fig. 1. Instalacja zawiera ponadto pompę próżniową 6 i licznik 8 wspólne dla trzech modułów. Każdy moduł jest wyposażony w ciśnieniomierz 7 przyłączony do licznika 8.

Środki selekcji składające się z sieci zaworów 15, 17, 18, 19 pozwalają na podłączenie do pompy próżniowej 6 ciśnieniomierza 7 i licznika 8 ze wszystkimi modułami lub tylko z jednym z nich. Taki układ umożliwia stosowanie sposobu według wynalazku najpierw do zestawu modułów i następnie, jeśli w tym etapie stwierdzi się defekt integralności, tylko do jednego z tych modułów dla ustalenia, który moduł jest w istotnym stopniu uszkodzony.

Przedstawione tu sposoby realizacji wynalazku nie mają, na celu ograniczenia jego zakresu. Mogą być więc do niego wprowadzone liczne modyfikacje bez wychodzenia poza zakres określony zastrzeżeniami. Modyfikacje te mogą zwłaszcza dotyczyć typu membran, ich konfiguracji i oczywiście stosowanych ciśnień.

183 910

Fig.4

183 910

Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób testowania integralności membran filtracyjnych cieczy, w którym poddaje się sprawdzaniu co najmniej jedną membranę umieszczoną wewnątrz urządzenia filtracyjnego rozgraniczającą przedział zasilania przyjmujący ciecz do filtracji i przedział permeatu zbierający ciecz po filtracji, znamienny tym, że przedział zasilania napełnienia się powietrzem do uzyskania w nim ciśnienia atmosferycznego P_at„ zaś w przedziale permeatu uzyskuje się częściową próżnię, wytwarzając różnicę ciśnień między przedziałem zasilania i przedziałem permeatu, po czym dokonuje się pomiaru wielkości przepływu cieczy odpowiadającej przepływowi powietrza przechodzącego przez otworki przecieku pod wpływem tej różnicy ciśnień oraz mierzy się ciśnienie panujące w przedziale permeatu, a następnie, po ustabilizowaniu się mierzonego ciśnienia do określonego wcześniej ciśnienia testowego Pts, i przed opróżnieniem przedziału permeatu z wody, mierzy się odpowiadający mu stały przepływ cieczy Q_ti;st i ocenia się integralność membrany w funkcji zmierzonej wielkości przepływu Q_test.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie testowe Ρ_ΚΛ w granicach 20 kPa do 90 kPa.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zmierzoną wielkość przepływu Qt.st koryguje się zgodnie z równaniem ^przeciek

Qttest/f^?lt^2„ w którym f, jest współczynnikiem korekcyjnym lepkości cieczy filtrowanej w stosunku do powietrza, a f₂jest współczynnikiem korekcyjnym ciśnienia.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oblicza się średnicę otworków przecieku w funkcji ciśnienia śródmembranowego przy zastosowaniu równania d = 4yKt/AP, w którym AP jest ciśnieniem śródmembranowym, a K, jest współczynnikiem korekcyjnym uwzględniającym krętość porów membrany.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się membranę zanurzoną, zbudowaną z włókien pustych.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etap napełnienia powietrzem przedziału zasilania prowadzi się przez jego opróżnianie.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie napełniania powietrzem przedziału zasilania zasysa się wolną ciecz znajdującą się w przedziale zasilania za pomocą pompy próżniowej wytwarzając częściową próżnię w przedziale permeatu przy zapewnieniu dopływu powietrza z otoczenia do przedziału zasilania.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ocenę integralności przeprowadza się równolegle dla kilku membran lub zestawów membran, zaś po stwierdzeniu defektu integralności w badanej grupie membran, testuje się kolejno każdą z tych membran lub każdy z tych zestawów membran.
9. Instalacja do testowania integralności membran filtracyjnych, zawierająca co najmniej jedno urządzenie filtracyjne z co najmniej jedną membraną rozgraniczającą co najmniej jeden przedział zasilania przyjmujący ciecz do filtracji i co najmniej jeden przedział permeatu przyjmujący tę ciecz po filtracji, znamienna tym, że przedział zasilania (3) jest połączony z zaworem (5) doprowadzającym ciśnienie atmosferyczne, zaś przedział permeatu (4) jest połączony z pompą próżniową (6) oraz z ciśnieniomierzem (7) i z przepływomierzem (16) do pomiaru wielkości przepływu przez membranę (2).

183 910
10. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że do przedziału permeatu (4) jest podłączony licznik (8) do obliczania wielkości przepływu przecieku i/lub spadku logarytmicznego, i/lub średnicy otworków przecieku dla membrany (2).
11. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że do przedziału permeatu (4) jest podłączona pompa próżniowa (6) z regulowaną wydajnością do utrzymania stałego ciśnienia.
12. Instalacja według zastrz. 11, znamienna tym, że pompa próżniowa (6) ma regulowaną wydajność w zależności od wielkości przepływu przez membranę (2).
13. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że membrana (2) jest membraną zanurzoną o włóknach pustych.
14. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że przedział zasilania (3) zawiera opróżniający zawór (9).
15. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że membrany (2) są umieszczone w urządzeniach filtracyjnych (1), które są podłączone do wspólnej pompy próżniowej (6) oraz mają wspólny ciśnieniomierz (7) i licznik (8).