SE450090B - Sett och anordning for membranseparation med forhindrande av nedsmutsning genom avlagring av losta emnen - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 450 090 2 Föreliggande uppfinning är därför inriktad på ett förbättrat sätt att förhindra bildning av avlagringar, förorsakade genom utfällning av lösta ämnen, på membranbarriärer i vätskefasseparationsenheter. Sättet innebär att man anordnar en effektiv mängd av små kärnbildande kristaller i den vätskeström, som passerar genom separationsenheten. Genom lämpligt val av mängden och storleken på de kärnbildande kristallerna, baserat på fällningshastigheten för de svagt lösliga ämnena, separationshastigheten för lösningsmedlet och anläggningens volym, kommer utfällningen av de svagt lösliga lösta ämnena att ske på de kärnbildande kristallerna snarare än på membranbarriären. De kärnbildande kristallerna, som innehåller utfällda lösta ämnen, kan sedan separeras från enheten och återföras till det cirkulerande fluidet med olika medel. De återförda kristallerna pulveriseras företrädesvis för att reducera kristallstorleken till det korrekta området för optimal kärnbildningseffekt.

Föreliggande uppfinning är också inriktad på en apparat för att separera ett lösningsmedel från ett löst ämne med hjälp av en semipermeabel membranbar- riär, som väsentligen eliminerar problemet med nedsmutsning på grund av ackumulering av avlagringar av lösta ämnen pâ barriären. Apparaten innefattar inloppsorgan för matarvätskan, separationsorgan innefattande en semipermeabel membranbarriär, utloppsorgan på såväl uppströms- som nedströmssidan av mem- branbarriären för att avlägsna de koncentrerade lösta ämnena och det renade lösningsmedlet från separationsorganen, och organ för att införa en mängd av kärnbildningskristaller i matarvätskan, vilka fördröjer bildandet av avlagringar på den semipermeabla membranbarriären. Apparaten innehåller även organ för att separera kärnbildningskristallerna från de koncentrerade lösta ämnena, som avlägsnas från separationsorganen. Detta möjliggör återmatning av kristallerna till matarströmmen för fortsatt användning i systemet. Organ för sönderdelning av kristallerna kan anordnas vid denna punkt.

Sättet och apparaten enligt föreliggande uppfinning erbjuder sålunda ett effektivt medel för att separera ett lösningsmedel från lösta ämnen, samtidigt som man kontrollerar utfällningen av de lösta ämnena i det vätskeformiga mediet för att förhindra ackumulering av avlagringar på membranbarriären. Genom att utnyttja kärnbildningskristaller för att med företräde utfälla avlagringsbildande lösta ämnen i matarvätskan är sättet och apparaten enligt föreliggande uppfinning dessutom lämpade för användning med vätskor, som innehåller extremt höga koncentrationer av lösta ämnen, utan att det föreligger behov av förbehandlingar eller införande av främmande kroppar som sätter igen membranet, vilket krävs vid tidigare kända metoder och apparater. 10 15 20 25 30 35 450 090 3 Ritningsfigurerna illustrerar olika speciella arbetssätt för vätskefas- separationsenheter med utnyttjande av det avlagringsförhindrande sättet enligt föreliggande uppfinning, varvid fig. l visar ett flödesdiagram för en enskild separationsenhet, fig. 2 illustrerar ett flödesdiagram för en enskild separationsenhet i kombination med en återvinningsenhet för separation av kärnbildningskristallerna från den avvisade, koncentrerade uppslamningen från separationsenheten, fig. 3 visar ett flödesdiagram för en separationsenhet med återmatad uppslamning, fig. 4 illustrerar ett flödesdiagram för ett system, som kombinerar särdragen enligt figurerna 2 och 3 genom kombination av en separationsenhet med en âtervinningsenhet för matarvätska och återmatad uppslamning, fig. 5 visar ett flödesdiagram för separationsenheten med återmatad uppslamning och en behållare för att åstadkomma ytterligare uppehållsvolym för den återmatade uppslamningen, och fig. 6 visar ett flödesdiagram för ett system, som kombinerar särdragen enligt figurerna 2,3 och 5, genom användning av en kristallåtervinningsenhet i kombination med en separationsenhet och återmatad uppslamning, med en behållare för att bilda ytterligare upphållsvolym. Även om sättet enligt föreliggande uppfinning kan anpassas för användning vid alla typer av vätskefasseparationsenheter, som utnyttjar en semipermeabel . membranbarriär, är det speciellt användbart vid processer utnyttjande utrustning för omvänd osmos och elektrodialys, där de svagt lösliga, avlagringsbildande lösta ämnena är kalciumfluorid, kalciumkarbonat, kalciumsulfat, kalciumfosfater och kiseldioxid. De sista tre av dessa avlagringsbildande lösta ämnen utgör speciellt ett problem vid processer för återvinning av renat vatten genom koncentrering av saltlake. Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning införs sålunda kärnbildande kristaller i en ström av avfallssaltlake innan den införs i en enhet för omvänd osmos. De kärnbildande kristallerna orsakar företrädesutfällning av kalciumsulfat, kalciumfosfater och kiseldioxid i saltlaken, vilka kan avlägsnas som en koncentrerad uppslamning från enheten för omvänd osmos. Eventuellt kan uppslamningen behandlas vidare för att man skall få kärnbildningskristaller för återmatning till den inmatade avfallssaltlaken. ' Även om man kan använda varje material, som med företräde attraherar de speciella, avlagringsbildande lösta ämnena i vätskeströmmen, är det att föredra att använda samma material som det som utfälls såsom kärnbildningskristaller. För att uppnå optimal kärnbildningseffekt och säkerställa att utfällningen sker med 10 15 20 25 30 35 450 090 4 företräde pä kärnbildningskristallerna skall den totala ytarean hos kärnbildningskri- stallerna i systemet regleras i proportion till utfällningshastigheten av de lösta ämnena i systemet. Denna reglering kan åstadkommas på olika sätt. Om det exempelvis är önskvärt att öka ytarean hos kärnbildningskristallerna kan medelkri- stallstorleken minskas genom sönderdelning eller med andra medel för att öka ytarean hos kristallerna i förhållande till deras volym. Andra sätt att öka den totala ytarean hos kristallerna är att öka den totala volymen av systemet, samtidigt som man håller koncentrationen per volymenhet av kärnbildningskristallerna konstant. Ännu ett sätt att öka den totala arean av kristallerna i systemet är att införa en ytterligare mängd kristaller, antingen som färska kärnbildningskristaller eller som återmatade kristaller från den återvunna uppslamningen.

Ritningsfigurerna illustrerar speciellt föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning. Det grundläggande systemet illustreras i figur i. Matar- vätskan går in i en separationsenhet efter att ha mottagit en kvantitet kärnbildningskristaller. Renat lösningsmedel återvinns på nedströmssidan av mem- branet i separationsenheten, När den inmatade vätskan är saltlake utgörs det återvunna lösningsmedlet av vatten. Det avvisade uppslamningskoncentratet, som innehåller de utfällda lösta ämnena på kärnbildningskristallerna, avlägsnas från uppströmssidan av membranbarriären i separationsenheten. Som illustreras i fig. 2 kan det avlägsnade uppslamningskoncentratet behandlas vidare för att separera kärnbildningskristaller från återstoden av uppslamningskoncentratet. Kristallerna kan sedan återmatas till matarströmmen. Alternativt kan det från separationsen- heten återvunna uppslamningskoncentratet återmatas, utan ytterligare behandling, för att separera kärnbildningskristallerna, såsom visas i fig. 3, eller återmatas dels som uppslamningskoncentrat och dels som återvunna kristaller, såsom visas i fig. 4.

Slutligen kan man i systemet införliva anordningar för att öka uppehållsvolymen för det återmatade uppslamningskoncentratet eller de separerade och återmatade kärnbildningskristallerna, såsom visas i fig. 5 resp. 6. Denna ytterligare volym, som vanligtvis åstadkommes av en stor tank eller behållare, tjänar ett dubbelt syfte genom att öka uppehållstiden, vilket låter ytterligare utfällning ske innan uppslamningskoncentratet återmatas till separationsenheten, och genom att öka den totala ytarean hos kärnbildningskristallerna relativt systemet, varigenom man ytterligare säkerställer att utfällningen av de avlagringsbildande lösta ämnena sker på kärnbildningskristallerna. Slutligen är det föredraget att inkludera anordningar för att sönderdela eller finfördela massan av utfällda lösta ämnen för att uppnå ytterligare kärnbildningskristaller för återmatning tillbaka till matarvätskan. Varje konventionell anordning för sönderdelning av kristaller kan utnyttjas, och den kan placeras på godtyckligt ställe mellan utloppet för uppslamningskoncentratet och 10 15 20 25 30 35 450 090 inloppet för matarvätskan.

Vid genomförandet av sättet enligt föreliggande uppfinning skall man vidta normala försiktighetsåtgärder för drift av separationsanläggningar, med undantag av att mättningsgränserna för de svârlösliga fasta ämnena, dvs. kalcium- karbonat, kalciumfluorid, kalciumsulfat, kalcíumfosfater och kiseldioxid, kan överskridas. Detta är fallet eftersom närvaron av kärnbildningskristallerna kommer att säkerställa, att man vid överskott av lösta ämnen får en utfällning på kärn- bildningskristallerna snarare än avlagring på membranbarriären. Vid genomförande av förfarandet enligt uppfinningen kan man sålunda behandla matarvätskor, vars koncentration av lösta ämnen kraftigt överstiger mättningsgränsen. Den enda faktor, som begränsar koncentrationen av de lösta ämnenali matarvätskan, är i själva verket tryckbehovet i separationsenheten. Eftersom en ökning av koncentra- tionen av lösta ämnen proportionellt ökar det tryck, som krävs för att övervinna det osmotiska trycket och tvinga lösningsmedlet genom det semipermeabla membranet, uppnår man tillslut en punkt, där tryckbehovet är så stort, att det inte är praktiskt att driva separationsenheten.

Det är även önskvärt att inkludera biocider i matarströmmen för att förhindra mikrobiologisk tillväxt och/eller mikrobiologiskt angrepp på membran- barriären. Detta problem är speciellt vanligt när membranet är sammansatt av organiskt material såsom cellulosaacetat.

Eftersom en uppslamning av fasta ämnen cirkuleras genom systemet måste man dessutom vidta normala försiktighetsåtgärder för uppslamningar, vilka krävs för att förhindra avlagring av de fasta ämnena och undvika döda eller stillastående områden i systemet. Beroende på den speciella typen av använd membranbarriär är det ofta lämpligt att justera vätejonkoncentrationen i det vätskeformiga mediet för att tillför-säkra optimala prestanda hos membranbarri- ären. I detta avseende är pH-nivâer på ca 5,5 att föredra vid användning av en enhet för omvänd osmos.

Apparaten enligt föreliggande uppfinning utnyttjar konventionella vätske- fasseparationsenheter, som innehåller semipermeabla membranbarriärer, t.ex. enheter för omvänd osmos och elektrodialys. De membran, som avses för användning i apparaten enligt uppfinningen, är också välkända för fackmannen.

Speciellt föredragna är asymmetriska cellulosaacetatmembran för omvänd osmos.

Sådana membran har visat sig vara speciellt effektiva för att rena vatten från saltlakelösningar.

Separationsenheten ansluts till systemet med hjälp av ledningar, som tjänstgör som ett inlopp för matarvätskan, som innehåller de avlagringsbildande l0 15 20 25 30 35 450 090 6 lösta ämnena och kärnbildningskrístallerna, vilka sistnämnda har tillsatts vid en punkt uppströms inloppet till separationsenheten. Utloppsledningar är belägna på såväl uppströms- som nedströmssidorna av membranbarriären i separationsenheten.

Utloppet nedströms släpper ut renat lösningsmedel. Utloppet uppströms avger en koncentrerad uppslamning av utfällda lösta ämnen och matarvätska, som sedan kan behandlas på flera olika sätt, varvid syftet är att återvinna kärnbildningskristaller för återmatning till matarvätskan. Sålunda kan uppslamningskoncentratet helt enkelt utsättas för sönderdelning för att reducera storleken på de utfällda lösta ämnena till storleken på kärnbildningskristallerna före återmatning. Alternativt kan uppslamningen få undergå något mera sofistikerad behandling. Exempelvis kan en enhet för återvinning av kärnbildningskristaller placeras mellan utloppet för uppslamningskoncentratet och matningsinloppet för att separera de utfällda lösta ämnena från koncentratet. Typiska exempel på sådana enheter är centrifuger, hydrocyklonanordningar, självtryckssedimentatorer och -filter, även om man generellt sett kan använda varje anordning för att separera fasta ämnen från vätska. Den återvunna fällningen av, lösta ämnen kan sedan finfördelas och återföras till matarströmmen. Anordningar för att åstadkomma sönderdelning av fällningen inbegriper höghastighetsdrivanordningar såsom skärblandare, kugghjuls- pumpar, etc. Som tidigare beskrivits kan också en tank eller behållare placeras vid någon punkt mellan utloppet för uppslamningskoncentratet och matarinloppet för att öka uppehållstiden och volymen, vilket fördelaktigt ökar utfällningen av de avlagringsbildande lösta ämnena.

Som tidigare beskrivits styrs optimeringen av sättet enligt uppfinningen genom justering av förhållandet mellan ytarean på kärnbildningskristallerna och utfällningshastigheten för de Enligt uppfinningen skall detta förhållande vara 2,5x1o6 cmz/g/min. och företrädesvis större än ca 5,0 x l06cm2/g/min. Detta motsvarar en kärnbildnings- kristallstorlek, som i stort sett sträcker sig från ca l till 100 mikron i längd, och företrädesvis har ett medelvärde på ca 10 mikron i längd. Det har vidare observerats, att det vid genomförande av sättet enligt uppfinningen med en vätska innehållande kalciumsulfat, kalciumfosfat och kiseldioxid som avlagringsbildande lösta ämnen, är nödvändigt att hålla förhållandet kiseldioxid till kalciumsulfat i den utfällda fasta substansen under ca 4096 och företrädesvis under ca 2096 för att säkerställa att kiseldioxiden faller ut med företräde på kärnbildningskristallerna lösta ämnena. större än ca och inte på membranbarriären. Av samma skäl bör förhållandet mellan kalcium- fosfat och totalt utfällda fasta ämnen hållas omkring ca 1096. Om mängden kiseldioxid och fosfat överstiger dessa värden kan kalciumklorid och natriumsulfat eller andra vattenlösliga kalcium- och sulfatbärande föreningar tillsättas efter 10 15 20 450 D90 7 behov till matarvätskan för att justera förhållandet nedåt.

För att ytterligare illustrera sättet enligt uppfinningen anges följande exempel, vars syfte uteslutande är illustrerande och inte på något sätt är avsett att begränsa uppfinningens omfattning.

Exem El 1 Vatten med den i tabell I angivna sammansättningen behandlades i ett vätskefasseparationssystem, som schernatiskt illustreras i fig. 5 och som innefat- tade en rörformig enhet för omvänd osmos som separationsenhet. Man kunde notera, att bildning av avlagringar på membranet i enheten för omvänd osmos förhindrades genom att man upprätthöll betíngelserna i systemet enligt Tabell Il.

Tabell I Sammansättníng hos matarvätska använd vid tubulär omvänd osmos Komænent Mängd (som ion) Natrium 60 mg/I Kalcium 529 Magnesium 275 Klorid 62 Bikarbonat 0 Karbonat 0 Sulfat 2.388 Kiseldioxid (som sådan) 55 Totalt lösta fasta ämnen 3.374 pH 5,7 lO 15 20 450 090 Systemtyp: Utfallande fasta ämnen: Ympkristallstorlek: Ym pkristallkoncentration: Koncentratíon av lösta fasta ämnen: Fällningshastighet: Extra systemvolym: Tryck: Matningshastighet: Hastighet för separat lösnings- medel: Rejektkoncentration: Förhållande ytarea hos kärn- bildningskristaller till fällnings- hastighet: 8 Tabell II Figur 5 Kalciumsulfat och kiseldioxid lO mikron medeldiameter (diameteromrâde l till 50 mikron) 20.000 mg/i 20.000 mg/l 230 mg/mín. 60 liter 21,1 kg/cmz (300 p.s.i.) 187 liter/dag 019,4 gallon/dag) l7l liter/dag (423 gallon/dag) 15,5 liter/dag (4,1 gallon/dag) 9,6 x 106 cmz/g/min. Även om uppfinningen beskrivits í termer av vissa föredragna utförings- former är det för fackmannen uppenbart att olika modifikationer, ändringar, uteslutanden och substitutioner kan göras utan att man avviker från uppfinningens grundtanke. Avsikten är sålunda att uppfinningens omfattning endast skall be- gränsas av de efterföljande patentkraven.

I) III

Claims (16)

1. 0 15 20 25 30 4 5 0 Û 9 Û 9 PATENTKRAV l. Sätt att förhindra nedsmutsning eller igensättning av semipermeabla separationsmembran i sådana apparater, som innefattar en semipermeabel membranbarriär och i vilka lösningsmedel separeras från avlagringsbildande lösta ämnen, varvid man i den vätskeström, som leds till separationsapparaten, inför kärnbildande kristaller för det eller de avlagringsbildande lösta ämnena, varvid de kärnbildande kristallerna innefattar en eller flera av kalciumfluorid, kalcium- karbonat, kaldumsulfat, kalciumfosfater och kiseldioxid, k ä n n e t e c k n a t av att man tillför de kärnbildande kristallerna i en mängd, som är verksam för att fördröja bildning av avlagringar på den semipermeabla membranbärriären genom att bringa det eller de avlagringsbildande lösta ämnena att med företräde fällas ut på de kärnbildande kristallerna i stället för på den semipermeabla membranbarriären, och att man håller förhållandet mellan de kärnbildande kristallernas ytarea och utfällningshastigheten för det eller de lösta ämnenai apparaten vid ett värde större än ca 2,5 x 106 cmz/gram/minut.

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att det utförs i en separationsapparat för omvänd osmos eller elektrodialys.

3. Sätt enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att de kärnbildande kristallerna, som innehåller utfällda lösta ämnen, efter att ha passerat genom separationsapparaten separeras från utflödet från separationsenhetens uppströmssída och âtermatas till inmat- ningsströmmen. ä.

4. Sätt enligt patentkravet 3, av att de från utflödet återvunna kärnbildande kristallerna sönderdelas innan de återmatas till inmatningsströmmen. kännetecknat

5. Sätt enligt något av patentkraven 1-14, k ä n n e t e c k n a t av att man återvinner det renade lösningsmedlet från membranbarriärens nedströmssida.

6. Sätt enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t av att det renade lösningsmedlet är renat vatten.

7. Sätt enligt något av patentkraven l - 6, k ä n n e t e c k n a t av att de kärnbildande kristallerna är av samma material som de lösta ämnena.

8. Sätt enligt något av patehtkraven l - 7, 10 15 20 25 30 450 090 io k ä n n e t e c k n a t av att de kärnbildande kristallerna är en eller flera av kalciumsulfat, kalciumfosfater och kiseldioxid.

9. Sätt enligt något av patentkraven l - 8, k ä' n n e t e c k n a t av att de kärnbildande kristallerna har längder från ca l till 100 mlkron.

10. lO. Sätt enligt något av patentkraven l - 9, k ä n n e t e c k n a t av att man håller förhållandet mellan de kärnbildande kristallernas ytarea och fällningshastigheten för de lösta ämnena vid ett värde av minst ca 5,0 x 106 Cmz/B/fflïn-

11. ll. Sätt enligt något av patentkraven l - 10, k ä n n e t e c k n a t av att det används för att återvinna renat vatten från saltlake.

12. Apparat för att separera lösningsmedel från ett eller flera lösta ämnen, innefattande inloppsorgan för införande av matarvätska, separationsorgan omfat- tande en semipermeabel membranbarriär, utloppsorgan på såväl uppströms- som nedströmssidan av den semipermeabla membranbarriären för att avlägsna koncentrerade lösta ämnen i form av en uppslamning resp. renat lösningsmedel från separationsorganen, k ä n n e t e c k n a d av organ för att införa_ kärnbildande kristaller i matarvätskan i en mängd tillräcklig för att fördröja bildning av avlagringar på den semipermeabla membranbarriären, och av organ för att separerakärnbildan- de kristaller från uppslamningen av koncentrerade lösta ämnen, som avlägsnats från separationsorganen genom utloppsorganen på uppströmssidan av den semi- permeabla membranbarriären.

13. Apparat enligt patentkravet l2, k ä n n e t e c k n a d av att de den semipermeabla membranbarriären innefattande separatlonsorganen är en enhet för omvänd osmos eller elektro- dialys. lß.

14. Apparat enligt patentkravet 12 eller 13, , k ä n n e t e c k n a d av att organen för att separera kärnbildande kristaller från uppslamningen av koncentrerade lösta ämnen innefattar organ för att separera de utfällda lösta ämnena från uppslamningen av koncentrerade lösta ämnen samt organ för att minska storleken på de utfällda lösta ämnena och därigenom producera kärnbildande kristaller. 450 090 ll

15. Apparat enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k n a d av att den vidare innefattar organ för âtermatning av de kärnbildande kristallerna till nämnda inloppsorgan för införande av matarvätska.

16. Apparat enligt patentkravet 15, k ä n n e t e c k n a d av att den vidare innefattar en behållare placerad mellan nämnda utloppsorgan för avlägsnande av uppslamningen av koncentrerade lösta ämnen från separationsorganen och nämnda inloppsorgan för införande av matarvätska till separationsorganen.