PL214673B1

PL214673B1 - Membrane module with filter for differentiating diagnostics

Info

Publication number: PL214673B1
Application number: PL381432A
Authority: PL
Inventors: Marek Gryta
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2013-09-30
Also published as: PL381432A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest moduł membranowy z filtrem do destylacji membranowej wody oraz sposób destylacji wody z użyciem tego modułu.The present invention relates to a membrane module with a filter for membrane distillation of water and a method of distilling water using this module.

Techniki membranowe znajdują coraz szersze zastosowanie w technologii uzdatniania wody. Na skalę przemysłową wdrożono rozwiązania wykorzystujące odwróconą osmozę (RO) oraz nanofiltrację (NF).Membrane techniques are increasingly used in water treatment technology. On an industrial scale, solutions using reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) have been implemented.

W procesie MD podgrzewana, poniżej temperatury wrzenia, woda odparowuje przez porowate membrany. Membrany te są wykonane z hydrofobowych polimerów i podczas procesu woda nie może wnikać do ich wnętrza, stąd pory membran wypełnia jedynie faza parowa.In the MD process, when heated below its boiling point, water evaporates through porous membranes. These membranes are made of hydrophobic polymers and during the process water cannot penetrate into them, hence the pores of the membranes are only filled with the vapor phase.

Podczas ogrzewania oczyszczanej wody obecne w niej wodorowęglany wapnia i magnezu rozkładają się, co powoduje powstanie na powierzchni membran osadu. Przy zasilaniu instalacji MD twardą wodą już po kilkunastu godzinach pracy wskutek wydzielania osadów występuje prawie 100% spadek wydajności modułów. Aby temu zapobiec należy zastosować kosztowne metody wstępnego przygotowania wody. Jedną z możliwości jest jej zakwaszenie do pH = 4, czego główną wadą jest duże zużycie kwasu oraz korozja instalacji. Z opisu patentowego USA nr 3896004 znane jest rozwiązanie aparatu do destylacji wody w gospodarstwie domowym, w którym powstawanie kamienia kotłowego ograniczono przez szczepienie wody (zamiana twardości węglanowej na niewęglanową) kwasem cytrynowym.When the treated water is heated, the calcium and magnesium bicarbonates present in it decompose, which causes the formation of a sediment on the surface of the membranes. When supplying the MD installation with hard water, after several hours of operation, due to the release of sediments, there is an almost 100% decrease in the efficiency of the modules. In order to prevent this, expensive methods of preliminary water preparation should be used. One of the possibilities is its acidification to pH = 4, the main disadvantage of which is high acid consumption and corrosion of the installation. U.S. Patent No. 3,896,004 discloses a household water distillation apparatus in which the formation of limescale is reduced by inoculating water (replacing carbonate hardness with non-carbonate hardness) with citric acid.

Tworzenie osadów (fouling) jest jedną z głównych przyczyn ograniczających rozwój destylatorów membranowych. Podczas krystalizacji osad wrasta w pory membran, co przyspiesza proces ich zwilżania. Negatywny wpływ osadu krystalizującego na powierzchni membran proponuje się ograniczyć przez dobór struktury membran - mniejsze pory w warstwie powierzchniowej, co przedstawiono w opisie patentowym USA nr 4419187. Takie rozwiązanie nie eliminuje jednak powstawanie osadów, gdyż wskutek wytwarzanego podczas procesu MD przesycenia roztworu soli ich krystalizacja występuje na powierzchni całej instalacji, w tym także na powierzchni membran.The formation of fouling is one of the main causes limiting the development of membrane distillers. During crystallization, the sediment grows into the pores of the membranes, which speeds up the process of wetting them. It is proposed to reduce the negative influence of the sediment crystallizing on the surface of the membranes by selecting the membrane structure - smaller pores in the surface layer, as presented in US Patent No. 4,419,187. This solution, however, does not eliminate the formation of sediments, because their crystallization occurs due to the supersaturation of the salt solution produced during the MD process. on the surface of the entire installation, including the surface of the membranes.

Instalacje membranowe często wyposaża się w duże układy filtracyjne, których zadaniem jest usuwanie zawiesiny z wody zasilającej. Z reguły, dodatkowo przed modułami membranowymi na zbiorczym rurociągu doprowadzającym wodę montuje się wspólny dla wszystkich modułów filtr mikronowy (lub zespół filtrów), którego zadaniem jest wyłapywanie bardzo drobnych zanieczyszczeń, nie usuniętych podczas głównego wstępnego procesu oczyszczania wody zasilającej. Takie rozwiązania nie zabezpieczają jednak przed tworzeniem osadów powstających wskutek ciągłego zatężania przepływającego przez moduły roztworu. Nieoczekiwanie okazało się, że umieszczenie indywidualnych filtrów tuż przed wlotem do membran kapilarnych pozwoliło zakłócić proces krystalizacji i wykorzystując zjawisko wymaganego czasu inicjacji krystalizacji w roztworze przesyconym przesunąć strefę powstawania osadów poza powierzchnię membran.Membrane plants are often equipped with large filtration systems to remove suspended solids from the feed water. As a rule, additionally in front of the membrane modules, a micron filter (or a set of filters) common to all modules is installed on the collective water supply pipeline, whose task is to catch very fine impurities, not removed during the main preliminary feed water purification process. Such solutions do not, however, protect against the formation of sediments resulting from the continuous concentration of the solution flowing through the modules. Surprisingly, it turned out that placing individual filters just before the inlet to the capillary membranes made it possible to disturb the crystallization process and, using the phenomenon of the required time of crystallization initiation in a supersaturated solution, to move the zone of sediment formation beyond the surface of the membranes.

Moduł membranowy według wynalazku, składający się z membran kapilarnych zamocowanych w posiadającej dwa króćce boczne obudowie, do końców której przymocowano odpowiednio głowicę dolną i górną, charakteryzuje się tym, że ma filtr siatkowy zamontowany w odległości od 0,5 mm do 100 mm od płaszczyzny wlotów do wnętrza membran kapilarnych, przy czym rozmiar oczek filtra siatkowego jest mniejszy od średnicy wewnętrznej zamontowanych membran kapilarnych, ale większy od 50 mikrometrów, zaś powierzchnia siatek filtra siatkowego stanowi co najmniej 10% powierzchni wewnętrznej zamontowanych w module membran kapilarnych. Filtr siatkowy ma postać jednostronnie otwartego cylindra, który jest zamontowany w głowicy dolnej dnem w kierunku płaszczyzny wlotów do membran kapilarnych. Przeciwległa do tego dna krawędź cylindrycznego filtra siatkowego przyklejona jest do pierścienia wzmacniająco-uszczelniającego, który uszczelnia przestrzeń pomiędzy ścianką filtra a ścianką głowicy dolnej. Korzystnie wnętrze cylindrycznego filtra siatkowego wypełnione jest dodatkowymi siatkami.The membrane module according to the invention, consisting of capillary membranes mounted in a housing with two side connectors, to the ends of which the lower and upper heads are respectively attached, characterized by the fact that it has a mesh filter mounted at a distance of 0.5 mm to 100 mm from the plane of the inlets into the capillary membranes, the mesh size of the filter mesh being smaller than the inside diameter of the mounted capillary membranes but greater than 50 micrometers and the area of the strainer meshes being at least 10% of the inside surface area of the mounted capillary membranes in the module. The strainer is in the form of a one-sided open cylinder, which is mounted in the lower head with its bottom facing the plane of the inlets to the capillary membranes. The edge of the cylindrical mesh filter opposite to this bottom is glued to the strengthening and sealing ring which seals the space between the filter wall and the wall of the lower head. Preferably, the interior of the cylindrical strainer is filled with additional meshes.

W innej odmianie modułu filtr siatkowy ma postać jednostronnie otwartego cylindra umieszczonego w zewnętrznej obudowie i zamontowany jest do króćca wlotowego głowicy dolnej.In another variant of the module, the strainer is in the form of a one-sided open cylinder placed in the outer casing and mounted to the inlet port of the lower head.

W innej wersji moduł ma dodatkowy filtr siatkowy w postaci płaskiej siatki, która jest zamontowana pomiędzy płaszczyzną wlotów do membran kapilarnych a dnem cylindrycznego filtra siatkowego, przy czym rozmiar oczek dodatkowego filtra siatkowego jest mniejszy od średnicy wewnętrznej zamontowanych membran, kapilarnych ale większy od 50 mikrometrów, zaś powierzchnie siatek cylindrycznego filtra siatkowego i dodatkowego płaskiego filtra siatkowego stanowią razem co najmniej 10% powierzchni wewnętrznej zamontowanych w module membran kapilarnych. Cylindryczny filtrIn another version, the module has an additional mesh filter in the form of a flat mesh, which is mounted between the plane of the inlets to the capillary membranes and the bottom of the cylindrical mesh filter, the mesh size of the additional mesh filter is smaller than the inside diameter of the mounted capillary membranes but greater than 50 micrometers, and the mesh surfaces of the cylindrical strainer and the additional flat strainer together constitute at least 10% of the inner surface of the capillary membranes mounted in the module. Cylindrical filter

PL 214 673 B1 siatkowy i dodatkowy płaski filtr siatkowy zamontowane są w głowicy dolnej, przy czym dodatkowy płaski filtr siatkowy jest oddzielony od płaszczyzny wlotów do membran kapilarnych pierścieniem dystansowym o grubości nie większej niż 5 mm. Korzystnie wnętrze cylindrycznego filtra siatkowego wypełnione jest dodatkowymi siatkami.The mesh filter and the additional flat mesh filter are mounted in the lower head, and the additional flat mesh filter is separated from the plane of the inlets to the capillary membranes by a spacer ring not more than 5 mm thick. Preferably, the interior of the cylindrical strainer is filled with additional meshes.

Konstrukcja modułu membranowego według wynalazku pozwala zabezpieczyć powierzchnię membran przed powstawaniem na niej osadów i w efekcie ograniczyć szybkość spadku wydajności membran, zwłaszcza wskutek powstawania osadów wydzielających się podczas ogrzewania wody naturalnej.The structure of the membrane module according to the invention makes it possible to protect the surface of the membranes against the formation of sediments on it and, consequently, to limit the rate of decline in membrane efficiency, especially due to the formation of sediments that are released during natural water heating.

Sposób destylacji wody według wynalazku polegający na podgrzaniu wody zasilającej do temperatury niższej od temperatury jej wrzenia, następnie przetłoczeniu gorącej wody wzdłuż powierzchni hydrofobowych membran, przez pory których odparowuje woda a powstałą parę kondensuje się z drugiej strony membran, po której to stronie jest przetłaczana zimna woda destylowana, a powstający wskutek kondensacji nadmiar wody odprowadza się jako destylat, charakteryzuje się tym, że przed wpłynięciem do wnętrza membran kapilarnych nadawę kontaktuje się z powierzchnią filtra siatkowego o powierzchni filtracyjnej nie mniejszej niż 10% powierzchni membran zamontowanych w module, przy czym filtr siatkowy umieszcza się w odległości nie większej niż 100 mm od wlotów do wnętrza membran kapilarnych. Wskutek krystalizacji heterogenicznej na powierzchni siatek filtra powstają osady związków trudnorozpuszczalnych, jak CaCO3. Użyta powierzchnia siatek jest dostatecznie duża, aby zredukować przesycenie tych związków do poziomu uniemożliwiającego inicjację krystalizacji wewnątrz modułu wskutek występującego w nim odparowania wody i przesunąć strefę krystalizacji osadów poza przestrzeń wewnętrzną membran kapilarnych. Powstałe na siatce osady usuwa się cyklicznie, korzystnie co 2 godziny, przepuszczając przez filtr siatkowy porcję kwasu solnego w ilości powodującej obniżenie odczynu wody na wylocie z modułu do wartości pH=6. Część wody wypływającej z modułu, w ilości wynikającej z zastosowania 75% współczynnika odzysku, wyprowadza się poza układ, zaś resztę zawraca się do zbiornika nadawy, gdzie powstałe ubytki objętości nadawy uzupełnia się dodając nowe porcje wody zasilającej. Następnie nadawę nagrzewa się do temperatury 353-358K i zawraca do modułu membranowego w objętości zapewniającej prędkość przepływu wzdłuż powierzchni membran powyżej 0,6 m/s. Korzystnie do modułu podaje się roztwór kwasu solnego o stężeniu 5%.The method of water distillation according to the invention consisting in heating the feed water to a temperature below its boiling point, then forcing hot water along the surface of hydrophobic membranes through which water evaporates and the resulting vapor condenses on the other side of the membranes, on which side cold water is forced. distilled, and the excess water formed as a result of condensation is drained as a distillate, characterized by the fact that before it flows into the capillary membranes, the feed contacts the surface of the mesh filter with a filtration area of not less than 10% of the membranes installed in the module, and the mesh filter is placed at a distance of not more than 100 mm from the inlets to the interior of the capillary membranes. As a result of heterogeneous crystallization, deposits of poorly soluble compounds, such as CaCO3, are formed on the surface of the filter meshes. The surface area of the meshes used is large enough to reduce the supersaturation of these compounds to a level that prevents the initiation of crystallization inside the module due to water evaporation occurring therein, and to move the sediment crystallization zone outside the inner space of the capillary membranes. The sediments formed on the mesh are removed cyclically, preferably every 2 hours, by passing through the mesh filter an amount of hydrochloric acid that reduces the pH value of the water at the outlet of the module to pH = 6. Part of the water flowing out of the module, in the amount resulting from the application of the 75% recovery coefficient, is discharged outside the system, and the rest is returned to the feed tank, where the resulting volume losses of the feed are replenished by adding new portions of feed water. The feed is then heated to 353-358K and returned to the membrane module in a volume ensuring a flow velocity along the membrane surface above 0.6 m / s. Preferably, a 5% hydrochloric acid solution is fed to the module.

Zaletą sposobu według wynalazku jest ograniczenie zużycia kwasu jedynie do okresowego i kontrolowanego usuwania osadu z powierzchni filtra, bez konieczności reakcji kwasu z całą objętością wody zasilającej.The advantage of the method according to the invention is that the acid consumption is limited to only the periodic and controlled removal of the deposit from the filter surface, without the acid having to react with the entire volume of the feed water.

Konstrukcja modułu membranowego według wynalazku została przedstawiona na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia moduł membranowy z filtrem siatkowym w kształcie otwartego cylindra zamontowanym w głowicy dolnej, fig. 2 przedstawia ten sam moduł z tym, że wnętrze filtra siatkowego wypełnione jest dodatkowymi siatkami, fig. 3 przedstawia moduł membranowy z filtrem siatkowym w kształcie otwartego cylindra umieszczonym w obudowie i zamontowanym do króćca wlotowego, fig. 4 przedstawia moduł membranowy z filtrem siatkowym w kształcie otwartego cylindra zamontowanym w głowicy dolnej z dodatkowym płaskim filtrem siatkowym.The structure of the membrane module according to the invention is shown in the drawings, in which Fig. 1 shows the membrane module with an open cylinder mesh filter mounted in the lower head, Fig. 2 shows the same module, but the inside of the strainer is filled with additional meshes, Fig. Fig. 3 shows a membrane module with an open cylinder mesh filter positioned in the housing and mounted to the inlet port, Fig. 4 shows a membrane module with an open cylinder mesh filter mounted in the bottom head with an additional flat mesh filter.

Zasada działania modułu według wynalazku oraz sposób, według wynalazku przedstawione zostały w przykładach wykonania.The principle of operation of the module according to the invention and the method according to the invention have been illustrated in the exemplary embodiments.

Moduły opisane w przykładzie 3 i przykładzie 5 przedstawiają rozwiązania inne niż według wynalazku i są zamieszczone w przykładach wykonania dla porównania ich działania z działaniem modułów według wynalazku.The modules described in example 3 and example 5 represent non-inventive solutions and are included in exemplary embodiments to compare their operation with that of the inventive modules.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Moduł membranowy składa się z obudowy 1 o średnicy 25 mm, wewnątrz której umieszczono 30 polipropylenowych membran kapilarnych 2 o średnicy 1,8 mm i grubości ścianki 0,4 mm oraz długości czynnej 50 cm. Membrany wklejone są na końcach obudowy tak, że klej wypełnia przestrzeń pomiędzy membranami a ścianką obudowy 1, ale nie zatyka wlotów do membran 2. Na każdym końcu obudowy 1 założone są głowice: górna 3 i dolna 6. Każda z głowic zaopatrzona jest w króciec, który zamocowany jest w głowicy tak, że odległość od jego wlotu do powierzchni mocowania membran 2 wynosi w głowicy górnej 3 cm, a w głowicy dolnej 15 cm. W pobliżu obydwu końców obudowy 1, powyżej płaszczyzny wlotów 5 do wnętrza membran kapilarnych, zamontowane są króćce boczne 4, o średnicy wewnętrznej 12 mm. W dolnej głowicy 6 w odległości 1 cm od płaszczyzny wlotów 5 do wnętrza membran kapilarnych 2 umieszczono filtr siatkowy 8, w postaci jednostronnie otwartego cylindra, o rozmiarze oczek 0,4 mm. Filtr zamontowano dnem w kierunku płaszczyzny 5, natomiast przestrzeńThe membrane module consists of a housing 1 with a diameter of 25 mm, inside which 30 polypropylene capillary membranes 2 with a diameter of 1.8 mm and a wall thickness of 0.4 mm and an active length of 50 cm are placed. The membranes are glued to the ends of the housing so that the glue fills the space between the membranes and the wall of the housing 1, but does not block the inlets to the membranes 2. At each end of the housing 1 there are heads: upper 3 and lower 6. Each of the heads is equipped with a connector, which is fixed in the head so that the distance from its inlet to the membrane mounting surface 2 is 3 cm in the upper head and 15 cm in the lower head. In the vicinity of both ends of the housing 1, above the plane of the inlets 5 towards the interior of the capillary membranes, side stubs 4 with an internal diameter of 12 mm are mounted. In the lower head 6, at a distance of 1 cm from the plane of the inlets 5 to the inside of the capillary membranes 2, a strainer 8, in the form of a one-sided open cylinder, with a mesh size of 0.4 mm, is placed. The filter was mounted with its bottom facing plane 5, while the space

PL 214 673 B1 pomiędzy drugim otwartym końcem filtra a ścianką głowicy 6 uszczelniono poprzez pierścień wzmacniająco-uszczelniający 9. Całkowita powierzchnia siatek filtracyjnych wynosi 90 cm , zaś powierzchnia robocza membran 2 wynosi 850 cm . Powierzchnia filtra wynosi 10% powierzchni membran.Between the second open end of the filter and the wall of the head 6, the sealing ring 9. The total area of the filter meshes is 90 cm, and the working area of the membranes 2 is 850 cm. The filter area is 10% of the area of the membranes.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Moduł membranowy jak w przykładzie 1, z tym, że wnętrze filtra siatkowego 8, uformowanego w postaci jednostronnie otwartego cylindra, wypełnione jest dodatkowymi siatkami 10. Powierzchnia filtra w stosunku do powierzchni membran wynosi 15%.Membrane module as in example 1, but the inside of the strainer 8, formed as a one-sided open cylinder, is filled with additional meshes 10. The filter area in relation to the membrane area is 15%.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Moduł membranowy jak w przykładzie 1, z tym, że w module zmontowano krótszy filtr o po₂ wierzchni 41 cm , w odległości 4 cm od płaszczyzny 5. Powierzchnia filtra wynosi 4,8% powierzchni membran.Membrane module as in Example 1 except that, in the assembled module shorter filter of the _two upper 41 cm, 4 cm from the plane 5. The surface of the filter is 4.8% of the membrane surface.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Moduł membranowy składa się z obudowy 1 o średnicy 12 mm, wewnątrz której osiowo umieszczono polipropylenową membranę kapilarną 2 o średnicy 1,8 mm i grubości ścianki 0,4 mm oraz długości czynnej 105 cm. Membrana wklejona jest na końcach obudowy tak, że klej wypełnia przestrzeń pomiędzy membraną a ścianką obudowy, ale nie zatyka wlotów do membrany 2. Na każdym końcu obudowy 1 założone są głowice: górna 3 i dolna 6. Każda z głowic zaopatrzona jest w króciec, który zamocowany jest w głowicy tak, że jego odległość od wlotu do wnętrza membrany wynosi 1 cm. W pobliżu obydwu końców obudowy 1, powyżej płaszczyzny wlotów 5 do wnętrza membrany 2, zamontowane są króćce boczne 4, o średnicy wewnętrznej 12 mm. Do króćca 7 dolnej głowicy 6 przymocowano filtr zewnętrzny w obudowie 11, zawierający filtr siatkowy 8 o rozmiarze oczekThe membrane module consists of a housing 1 with a diameter of 12 mm, inside which a polypropylene capillary membrane 2 with a diameter of 1.8 mm and a wall thickness of 0.4 mm and an active length of 105 cm is axially placed. The diaphragm is glued to the ends of the casing so that the glue fills the space between the diaphragm and the casing wall, but does not clog the inlets to the diaphragm 2. At each end of the casing 1 there are heads: upper 3 and lower 6. Each of the heads is equipped with a connector, which it is fixed in the head such that its distance from the inlet to the inside of the diaphragm is 1 cm. In the vicinity of both ends of the housing 1, above the plane of the inlets 5 towards the inside of the diaphragm 2, side ports 4 with an internal diameter of 12 mm are mounted. An external filter in housing 11 containing a mesh filter 8 with a mesh size is attached to the stub 7 of the lower head 6

0,4 mm, uformowany w kształt jednostronnie otwartego cylindra, o długości 4 cm i średnicy dna 1 cm.0.4 mm, formed into the shape of a one-sidedly open cylinder, 4 cm long and 1 cm diameter at the bottom.

Powierzchnia filtra 8 wynosi 12,5 cm , zaś powierzchnia robocza membrany 2 wynosi 59 cm . Powierzchnia filtra 8 wynosi 21% powierzchni membrany 2. Odległość ścianki bocznej filtra 8 od obudowy filtra 11 wynosi 2 mm. Odległość dna filtra 8 od płaszczyzny wlotów do membran 2 wynosi 5 cm.The filter 8 has an area of 12.5 cm and the working area of the membrane 2 is 59 cm. The area of the filter 8 is 21% of the area of the membrane 2. The distance of the side wall of the filter 8 from the filter housing 11 is 2 mm. The distance of the bottom of the filter 8 from the plane of the inlets to the membranes 2 is 5 cm.

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

Zastosowano moduł membranowy i filtr jak w przykładzie 4, z tym że odległość dna filtra 8 od płaszczyzny wlotów do membran 2 wynosi 100 cm.A membrane module and a filter were used as in Example 4, except that the distance of the bottom of the filter 8 from the plane of the inlets to the membranes 2 is 100 cm.

P r z y k ł a d 6P r z k ł a d 6

Moduł membranowy jak w przykładzie 1, z tym że, dodatkowo w głowicy dolnej 6 pomiędzy płaszczyzną wlotów 5 do wnętrza membran kapilarnych 2, a filtrem siatkowym 8 umieszczono płaski filtr siatkowy 12, o rozmiarze oczek 0,27 mm, który umocowano do płaszczyzny wlotów 5 poprzez pierścień dystansowy 13 o grubości 0,5 mm.Membrane module as in example 1, except that, additionally, in the lower head 6, between the plane of the inlets 5 into the interior of the capillary membranes 2 and the mesh filter 8, a flat mesh filter 12 with a mesh size of 0.27 mm was placed, which was attached to the plane of the inlets 5 through a spacer ring 13 with a thickness of 0.5 mm.

P r z y k ł a d 7P r z k ł a d 7

Moduł membranowy składa się z obudowy 1 o średnicy 12 mm, wewnątrz której osiowo umieszczono 6 polipropylenowych membran kapilarnych 2 o średnicy 1,8 mm i grubości ścianki 0,4 mm oraz długości czynnej 45 cm. Membrany wklejono na końcach obudowy tak, że klej nie zatyka wlotów do membran 2. Na każdym końcu obudowy 1 założone są głowice: górna 3 i dolna 6. Każda z głowic zaopatrzona jest w króciec, który zamocowany jest w głowicy tak, że jego odległość od wlotu do wnętrza membrany wynosi 2 cm. W pobliżu obydwu końców obudowy 1, powyżej wlotów do membran 2, zamontowane są króćce boczne 4, o średnicy wewnętrznej 12 mm. Do króćca 7 dolnej głowicy 6 przymocowano filtr zewnętrzny w obudowie 11 zawierający filtr siatkowy 8 o rozmiarze oczek 0,4 mm, uformowany w kształt jednostronnie otwartego cylindra, o powierzchni 25 cm², zaś powierzchnia robo₂ cza membran 2 wynosi 153 cm .The membrane module consists of a housing 1 with a diameter of 12 mm, inside which 6 polypropylene capillary membranes 2 with a diameter of 1.8 mm and a wall thickness of 0.4 mm and an active length of 45 cm are axially placed. The membranes are glued to the ends of the casing so that the glue does not clog the inlets to the membranes 2. At each end of the casing 1 there are heads: upper 3 and lower 6. Each of the heads is equipped with a spigot, which is fixed in the head so that its distance from the inlet to the inside of the diaphragm is 2 cm. In the vicinity of both ends of the housing 1, above the inlets to the membranes 2, side nozzles 4 with an internal diameter of 12 mm are mounted. An external filter in a housing 11 containing a strainer 8 with a mesh size of 0.4 mm, formed in the shape of a one-sided open cylinder with an area of 25 cm ² , is attached to the stub 7 of the lower head 6, and the working surface _{2 of the} membranes 2 is 153 cm.

Powierzchnia filtra 8 wynosi 16% powierzchni membran 2. Odległość powierzchni filtra 8 od wlotu do membran 2 wynosiła 10 cm.The area of the filter 8 is 16% of the area of the membranes 2. The distance of the filter area 8 from the inlet to the membranes 2 was 10 cm.

P r z y k ł a d 8P r z k ł a d 8

Instalacja MD składała się z dwóch zamkniętych termostatowanych obiegów cieczy podłączonych do modułu membranowego. W przykładzie wykorzystano kolejno moduł jak w przykładzie 4, moduł jak w przykładzie 4 z odłączonym filtrem oraz moduł jak w przykładzie 5. W każdym przypadku moduł membranowy ustawiono pionowo. Przez dolną głowicę 6 do wnętrza membrany kapilarnej 2 wpływała pobrana z wodociągu woda zasilająca (nadawa) podgrzana do temperatury 353K. Nadawa przepływała przez moduł od dołu ku jego górze, skąd wypływała z modułu przez górną głowicę 3. Chłodzony destylat (293K) podawano z jego zbiornika bocznym dolnym króćcem 4 do modułu, gdzie przepływał przestrzenią pomiędzy membranami od dołu do góry modułu, skąd powracał do zbiornika destylatu. Natężenie przepływu nadawy wynosiło 3,6 ml/s, a destylatu było równe 7 ml/s. W wynikuThe MD installation consisted of two closed, thermostated liquid circuits connected to a membrane module. The example uses successively a module as in example 4, a module as in example 4 with the filter disconnected, and a module as in example 5. In each case, the membrane module was positioned vertically. Feed water (feed), heated to 353K, flowed into the capillary membrane 2 through the lower head 6 into the capillary membrane 2. The feed flowed through the module from the bottom to its top, from where it flowed out of the module through the upper head 3. The cooled distillate (293K) was fed from its tank through the bottom side port 4 to the module, where it flowed through the space between the membranes from the bottom to the top of the module, from where it returned to the tank distillate. The feed flow rate was 3.6 ml / sec and the distillate was 7 ml / sec. As a result

PL 214 673 B1 prowadzonego procesu destylacji membranowej objętość wody destylowanej systematycznie wzrasta₂ ła. Wydajność obliczano w przeliczeniu na 1 m² membran w ciągu 24 h trwania procesu.GB 214 673 B1 of the process of membrane distillation a volume of distilled water, steadily increasing ₂ La. The yield was calculated per 1 m ^{2 of} membranes during 24 hours of the process.

Podczas pomiarów stwierdzono systematyczny spadek wydajności modułu. Przeprowadzone po pomiarach badania membran z użyciem mikroskopu skaningowego połączonego z mikroanalizą rentgenowską (SEM-EDS) potwierdziły, że na powierzchni membrany (od strony przepływu nadawy) powstawał osad, głównie węglanu wapnia. Intensywność tego zjawiska zależała od wariantu pracy z filtrem. W tabeli 1 zamieszczono wyniki wpływu obecności filtra i jego odległości od wlotu do membrany na zmiany wydajności modułu. Wyniki te przedstawiają obserwowane zmiany wydajności poszczególnych modułów oraz wartość stopnia zmian (obliczonego, jako stosunek wielkości strumienia w danym czasie do początkowej wartości maksymalnej).During the measurements, a systematic decrease in the module's efficiency was found. The tests of the membranes carried out after the measurements with the use of a scanning microscope combined with X-ray microanalysis (SEM-EDS) confirmed that a sediment, mainly calcium carbonate, was formed on the membrane surface (from the feed flow side). The intensity of this phenomenon depended on the variant of working with the filter. Table 1 presents the results of the impact of the presence of the filter and its distance from the inlet to the membrane on the changes in module efficiency. These results show the observed changes in the efficiency of individual modules and the value of the degree of change (calculated as the ratio of the flux size in a given time to the initial maximum value).

T a b e l a 1T a b e l a 1

Czas Procesu [h] Time The process [h] Bez filtra Nb [dm³/m²24h]Without Nb filter [dm ³ / m ² 24h] NB/NBmax NB / NBmax 5 cm od wlotu n₅ [dm³/m²24h]5 cm from the n ₅ inlet [dm ³ / m ² 24h] Ns/Nsmax Ns / Nsmax 100 cm od wlotu N100 [dm³/m²24h]100 cm from the N100 inlet [dm ³ / m ² 24h] N100/N100max N100 / N100max 0 (Nmax) 0 (Nmax) 680,0 680.0 1 1 669,0 669.0 1 1 672,0 672.0 1 1 3 3 671,3 671.3 0,999 0.999 5 5 670,6 670.6 0,998 0.998 7 7 668,4 668.4 0,983 0.983 667,0 667.0 0,997 0.997 15 15 671,3 671.3 0,999 0.999 19 19 667,4 667.4 0,981 0.981 668,0 668.0 0,998 0.998 667,9 667.9 0,994 0.994 23 23 666,8 666.8 0,996 0.996 25 25 663,2 663.2 0,975 0.975 667,0 667.0 0,997 0.997 30 thirty 659,3 659.3 0,969 0.969 655,8 655.8 0,975 0.975 34 34 650,0 650.0 0,955 0.955 668,0 668.0 0,998 0.998 643,5 643.5 0,957 0.957 40 40 667,0 667.0 0,997 0.997 45 45 631,8 631.8 0,929 0.929 640,6 640.6 0,958 0.958 53 53 625,9 625.9 0.920 0.920 58 58 618,1 618.1 0,907 0.907

P r z y k ł a d 9P r z k ł a d 9

Do badań zastosowano instalację opisaną w przykładzie 8, przy czym temperatura wody zasilającej wynosiła 358K. W tym przykładzie do instalacji MD podłączono kolejno moduły jak w przykładzie 1, jak w przykładzie 3 oraz jak w przykładzie 4. Stosunek powierzchni filtracyjnej do powierzchni membran w tych modułach wynosił:For the tests, the installation described in Example 8 was used, with the feed water temperature being 358K. In this example, modules were connected successively to the MD installation as in example 1, as in example 3 and as in example 4. The ratio of the filtration area to the membrane area in these modules was:

N1) 21% - moduł opisany w Przykład 4N1) 21% - module described in Example 4

N2) 10% - moduł opisany w Przykład 1N2) 10% - module described in Example 1

N3) 4,8% - moduł opisany w Przykład 3.N3) 4.8% - module described in Example 3.

Nadawa przepływała wewnątrz kapilar z prędkością 1,3 m/s (N2 i N3) oraz z prędkością 1,4 m/s (N1), a destylat przepływał pomiędzy kapilarami z prędkością 0,25 m/s.The feed flowed inside the capillaries at a velocity of 1.3 m / s (N2 and N3) and a velocity of 1.4 m / s (N1), and the distillate flowed between the capillaries at a velocity of 0.25 m / s.

W tabeli 2 przedstawiono wpływ stosunku powierzchni filtra do powierzchni zamontowanych membran na zmiany wydajności modułu membranowego.Table 2 shows the effect of the ratio of the filter surface to the surface of the mounted membranes on the changes in the efficiency of the membrane module.

PL 214 673 B1PL 214 673 B1

T a b e l a 2T a b e l a 2

Czas [h] Time [h] N1 [dm³/m²24h]N1 [dm ³ / m ² 24h] N1/N1max N1 / N1max N2 [dm³/m²24h]N2 [dm ³ / m ² 24h] ^N2^/N2max ^N 2 ^{/ N} 2max N3 [dm³/m²24h]N3 [dm ³ / m ² 24h] ^N3^/N3max ^N 3 ^{/ N} 3max 0 0 763,0 763.0 1 1 500,5 500.5 1 1 589,0 589.0 1 1 3 3 499,5 499.5 0,998 0.998 6 6 497,0 497.0 0,993 0.993 584,3 584.3 0,992 0.992 8 8 760,1 760.1 0,996 0.996 495,4 495.4 0,990 0.990 10 10 490,0 490.0 0,980 0.980 12 12 485,5 485.5 0,970 0.970 558,9 558.9 0,949 0.949 14 14 475,5 475.5 0,950 0.950 16 16 752,1 752.1 0,985 0.985 25 25 741,0 741.0 0,971 0.971 518,3 518.3 0,880 0.880 29 29 730,0 730.0 0,956 0.956

P r z y k ł a d 10P r z k ł a d 10

Zastosowano instalację jak w przykładzie 8, do której podłączono moduł membranowy jak w przykładzie 7, stosując różne temperatury wody zasilającej. Nadawa przepływała wewnątrz kapilar z prędkością 0,96 m/s, a destylat przepływał pomiędzy kapilarami z prędkością 0,38 m/s. Po każdej serii pomiarowej instalację płukano 2-5% roztworem HCl, co jak wykazały badania SEM-EDS pozwalało usunąć powstały osad węglanów i w efekcie przywrócić wydajność początkową modułu. Uzyskane wyniki badań przedstawiające wpływ temperatury wody zasilającej na zmiany wydajności modułu pokazano w tabeli 3. Dla porównania wykonano też pomiary dla modułu jak w przykładzie 7, ale z odłączonym filtrem.The installation used was as in Example 8, to which the membrane module was connected as in Example 7, using different feedwater temperatures. The feed flowed inside the capillaries at a speed of 0.96 m / s, and the distillate flowed between the capillaries at a speed of 0.38 m / s. After each series of measurements, the installation was rinsed with 2-5% HCl solution, which, as shown by SEM-EDS tests, allowed to remove the carbonate sediment formed and, as a result, to restore the initial efficiency of the module. The obtained test results showing the influence of the supply water temperature on the changes in the module efficiency are shown in Table 3. For comparison, measurements were also made for the module as in Example 7, but with the filter disconnected.

T a b e l a 3T a b e l a 3

Czas [h] Time [h] Bez filtra NB - 80°C [dm³/m²24h]Without NB filter - 80 ° C [dm ³ / m ² 24h] NB/NBmax NB / NBmax 80°C N80 [dm³/m²24h]80 ° C N80 [dm ³ / m ² 24h] N80/N80max N80 / N80max 85°C N85 [dm³/m²24h]85 ° C N85 [dm ³ / m ² 24h] N85/N85max N85 / N85max 90°C N90 [dm³/m²24h]90 ° C N90 [dm ³ / m ² 24h] N90/N90max N90 / N90max 0 0 548,0 548.0 1 1 549,2 549.2 1 1 610,0 610.0 1 1 788,0 788.0 1 1 3 3 549,1 549.1 0,999 0.999 608,0 608.0 0,996 0.996 4 4 772,0 772.0 0,979 0.979 5 5 548,5 548.5 0,998 0.998 770,0 770.0 0,977 0.977 8 8 528,3 528.3 0,964 0.964 545,9 545.9 0,999 0.999 763,0 763.0 0,968 0.968 10 10 598,0 598.0 0,980 0.980 12 12 519,7 519.7 0,948 0.948 585,0 585.0 0,959 0.959 747,8 747.8 0,949 0.949 15 15 517,5 517.5 0,944 0.944 549,1 549.1 0,999 0.999 18 18 546,0 546.0 0,994 0.994 20 twenty 509,0 509.0 0,929 0.929 538,0 538.0 0,979 0.979

P r z y k ł a d 11P r x l a d 11

Po kilkudziesięciu godzinach pracy modułów jak w przykładzie 9 na krawędziach wlotów do kapilar zaobserwowano bezpostaciowy osad, który jak wykazały badania SEM-EDS stanowiły związki krzemu. W celu eliminacji tego zjawiska zastosowano moduł z dodatkowym płaskim filtrem opisany w przykładzie 6. Po 30 godzinach pracy modułu zasilanego wodą kranową (353K) powierzchnia filtra 8 jak i płaskiego filtra 12 pokryta była osadem, natomiast wloty do kapilar były czyste. Po wymianie pierścienia dystansowego 13 na grubszy (5 mm) i oczyszczeniu filtrów proces MD kontynuowano przezAfter several dozen hours of operation of the modules, as in Example 9, an amorphous sediment was observed at the edges of the capillary inlets, which as shown by SEM-EDS tests were silicon compounds. In order to eliminate this phenomenon, a module with an additional flat filter described in example 6 was used. After 30 hours of operation of the module supplied with tap water (353K), the surface of the filter 8 and the flat filter 12 was covered with sediment, while the capillary inlets were clean. After replacing the spacer ring 13 with a thicker one (5 mm) and cleaning the filters, the MD process was continued through

PL 214 673 B1 kolejne 30 h. Po tym czasie ponownie stwierdzono osadzanie się znacznych ilości osadów na filtrach, ale niewielkie ilości osadu wykryto także na krawędzi wlotowej kapilar. Zanurzenie zanieczyszczonych siatek filtrów w 5% roztworze HCl spowodowało usunięcie osadu z ich powierzchni.Another 30 h. After this time, significant amounts of sediment were again deposited on the filters, but small amounts of sediment were also detected at the inlet edge of the capillaries. Immersion of the contaminated filter screens in a 5% HCl solution removed the sediment from their surface.

P r z y k ł a d 12P r z k ł a d 12

W instalacji opisanej w przykładzie 8 zamontowano moduł kapilarny jak w przykładzie 1, z tym, że założono filtr o oczkach 50 mikrometrów. Instalację zasilono wodą kranową o temperaturze 353K. Po godzinie prowadzenia procesu ciśnienie tłoczenia nadawy wzrosło z 230 do 345 mmHg. Badania wykazały, że spowodował to osad gromadzący się na powierzchni filtra. Wymienienie filtra na filtr o rozmiarach oczek 0,4 mm pozwoliło wyeliminować problem wzrostu oporów przepływu.In the installation described in example 8, a capillary module was mounted as in example 1, except that a 50 micrometer mesh filter was installed. The installation was supplied with tap water at 353K. After one hour of running the process, the feed pressure increased from 230 to 345 mmHg. Studies have shown that this was caused by sediment build-up on the filter surface. Replacing the filter with a filter with a mesh size of 0.4 mm allowed to eliminate the problem of an increase in flow resistance.

P r z y k ł a d 13P r x l a d 13

Moduł jak w przykładzie 2 eksploatowano w sposób ciągły przez cztery kolejne dni zgodnie z warunkami podanymi w przykładzie 9. Po każdych 24 h usuwano powstały w instalacji osad płucząc ją przez 2-3 minuty 5% roztworem HCl, co pozwalało przywrócić początkową wydajność modułu. Uzyskiwany destylat stanowił 70-75% objętości doprowadzanej wody, a pozostały nadmiar koncentratu w sposób ciągły odprowadzano z instalacji. Przewodnictwo uzyskiwanego destylatu wynosiło 2-2,5 mikroS/cm. Uzyskane wyniki badań przedstawiające zmiany wydajności modułu z okresowym płukaniem roztworem HCl pokazano w tabeli 4.The module as in example 2 was operated continuously for four consecutive days according to the conditions given in example 9. After every 24 h, the sediment formed in the installation was removed by rinsing it for 2-3 minutes with 5% HCl solution, which allowed to restore the original module performance. The obtained distillate constituted 70-75% of the volume of supplied water, and the remaining excess concentrate was continuously discharged from the installation. The conductivity of the obtained distillate was 2-2.5 microS / cm. The obtained test results showing changes in the efficiency of the module with periodic flushing with HCl solution are shown in Table 4.

T a b e la 4T a b e la 4

Czas [h] Time [h] Dzień 1 [dm³/m²24h]Day 1 [dm ³ / m ² 24h] Czas [h] Time [h] Dzień 2 [dm³/m²24h]Day 2 [dm ³ / m ² 24h] Czas [h] Time [h] Dzień 3 [dm³/m²24h]Day 3 [dm ³ / m ² 24h] Czas [h] Time [h] Dzień 4 [dm³/m²24h]Day 4 [dm ³ / m ² 24h] 0 0 591,5 591.5 25 25 592,2 592.2 49 49 589,0 589.0 73 73 580,2 580.2 3 3 590,2 590.2 29 29 588,6 588.6 51 51 587,5 587.5 76 76 578,5 578.5 7 7 581,3 581.3 32 32 581,5 581.5 56 56 584,3 584.3 81 81 569,7 569.7 17 17 543,8 543.8 44 44 539,4 539.4 67 67 523,4 523.4 83 83 515,4 515.4 24 24 523,1 523.1 48 48 521,8 521.8 72 72 508,5 508.5 96 96 497,8 497.8 Płukanie kwasem Flushing with acid Płukanie kwasem Flushing with acid Płukanie kwasem Flushing with acid Płukanie kwasem Flushing with acid 24,5 24.5 592,1 592.1 48,3 48.3 589,2 589.2 72,5 72.5 581,2 581.2 97 97 568,4 568.4

P r z y k ł a d 14P r z k ł a d 14

Moduł jak w przykładzie 2 eksploatowano w sposób ciągły zgodnie z warunkami podanymi w przykładzie 9. Przed pomiarami instalację i moduł wypłukano wodą destylowaną, a następnie przez godzinę płukano 10% roztworem HCl. Po usunięciu kwasu instalację płukano wodą kranową do uzyskania pH=7 i wyczyszczono filtr. Bezpośrednio do króćca wlotowego nadawy przyłączono trójnik, który podłączono dodatkowo do dozownika 5% roztworu HCI. Pracę instalacji wznowiono, zasilając ją wodą kranową i prowadząc proces z 75% współczynnikiem odzysku wody. Wydajność początkowa 32 wynosiła 574,5 dm³/m²24h. Co 2-3 godziny poprzez trójnik do wnętrza głowicy wejściowej dozowano 5 ml 5% roztworu kwasu solnego w czasie 30 sekund. Wskutek dozowania kwasu odczyn nadawy na wylocie z modułu zmniejszył się i był zbliżony do pH=6. W trakcie 17 h prowadzenie procesu wydajność modułu nie uległa zmianie i była zbliżona do uzyskanej wartości początkowej. Przeprowadzone po zakończeniu procesu badania SEM-EDS potwierdziły, że powierzchnia membran w module była czysta. Znaczne ilości osadu powstały natomiast w pozostałych częściach instalacji MD, głównie w zbiorniku nadawy i wymienniku ciepła.The module as in example 2 was operated continuously in accordance with the conditions given in example 9. Before the measurements, the installation and module were rinsed with distilled water and then rinsed for one hour with 10% HCl solution. After the acid had been removed, the installation was rinsed with tap water until the pH was 7 and the filter was cleaned. A tee was connected directly to the feed inlet, which was additionally connected to a 5% HCl solution dispenser. The installation was restarted by supplying it with tap water and carrying out the process with a water recovery rate of 75%. The initial capacity was 574.5 dm ³ / m ² 24h. Every 2-3 hours, 5 ml of 5% hydrochloric acid solution was dosed into the inside of the inlet head through the tee within 30 seconds. As a result of acid dosing, the pH of the feed at the outlet of the module decreased and was close to pH = 6. During 17 hours of running the process, the efficiency of the module did not change and was close to the initial value obtained. Post-process SEM-EDS tests confirmed that the surface of the membranes in the module was clean. On the other hand, significant amounts of sludge were formed in the remaining parts of the MD plant, mainly in the feed tank and heat exchanger.

PL 214 673 B1PL 214 673 B1

Wykaz oznaczeńList of designations

- obudowa- housing

- membrany kapilarne- capillary membranes

- głowica górna- upper head

- króciec boczny- side connection

- klejenie kapilar (płaszczyzna wlotów)- gluing capillaries (plane of inlets)

- głowica dolna- lower head

- króciec wlotowy- inlet stub

- filtr siatkowy- mesh filter

- pierścień wzmacniająco-uszczelniający- strengthening and sealing ring

- siatki wypełniające- filling meshes

- obudowa filtra zewnętrznego- external filter housing

- płaski filtr siatkowy- flat mesh filter

- pierścień dystansowy.- spacer ring.

Claims

1. Membrane module consisting of capillary membranes mounted in a housing with two side connectors, to the ends of which the lower and upper heads are attached, characterized in that it has a mesh filter (8) mounted at a distance of 0.5 mm to 100 mm from the plane (5) the inlets inside the capillary membranes (2), the mesh size of the strainer (8) being smaller than the inner diameter of the mounted capillary membranes (2), but greater than 50 micrometers, and the mesh area of the strainer (8) is at least 10% of the inner surface mounted in the capillary membrane module (2).

2. The membrane module according to claim 1 The filter according to claim 1, characterized in that the strainer (8) has the form of a one-sidedly open cylinder, which is mounted in the lower head (6) with its bottom towards the plane (5) of the inlets to the capillary membranes (2) and tightly fitted through the ring (9) to the walls head (6).

3. The membrane module according to claim 1 The method of claim 2, characterized in that the inside of the cylindrical strainer (8) is filled with additional meshes (10).

4. The membrane module according to claim 1, The filter as claimed in claim 1, characterized in that the strainer (8) is in the form of a one-sided open cylinder and is housed in the housing (11) and mounted to the inlet port (7) of the lower head (6).

5. The membrane module according to claim 1 The strainer (12), characterized in that it has an additional flat strainer (12), which is mounted between the plane (5) and the strainer (8), the mesh size of the strainer (12) being smaller than the inner diameter of the mounted capillary membranes ( 2), but greater than 50 micrometers, and the mesh surfaces of the strainer (8) and the additional strainer (12) together constitute at least 10% of the inner surface of the capillary membranes (2) mounted in the module.

6. The membrane module according to claim 1 5. The strainer according to claim 5, characterized in that the strainer (8) and the additional flat strainer (12) are mounted in the lower head (6), the additional flat strainer (12) being separated from the plane (5) by a spacer ring (13) of not more than 5 mm thick.

The method of water distillation consisting in heating the feed water to a temperature below its boiling point, then forcing hot water along the surface of hydrophobic membranes, through the pores where the water evaporates and the resulting vapor condenses on the other side of the membranes, on which side cold is forced distilled water, and the excess water formed as a result of condensation is discharged as a distillate, characterized in that before it flows into the capillary membranes, the feed contacts the surface of the mesh filter with a filtration area of not less than 10% of the surface of the membranes installed in the module, while the mesh filter is placed at a distance of not more than 100 mm from the inlets to the inside of the capillary membranes, obtaining, due to heterogeneous crystallization, on the surface of the filter meshes deposits of poorly dissolving compounds, which deposits are then removed cyclically, preferably every 2 hours, by passing through a mesh filter a portion of hydrochloric acid that reduces the pH of the water at the outlet of the module to pH = 6, with a part of the water flowing out of the module, in the amount resulting from the application of the 75% recovery coefficient, being transferred outside the system, and the rest returned to the feed tank, where the resulting losses in the volume of the feed are supplemented by adding new portions of feed water, then the feed is heated to the temperature of 353-358K and returned to the membrane module in a volume ensuring the flow velocity along the surface of the membranes above 0.6 m / s.

8. The method according to p. The method of claim 7, wherein a 5% hydrochloric acid solution is fed to the module.