WO2018100215A1 - Módulo de membrana para tratamiento de fluidos y procedimiento de fabricación de un módulo de membrana - Google Patents

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WO2018100215A1
WO2018100215A1 PCT/ES2017/070702 ES2017070702W WO2018100215A1 WO 2018100215 A1 WO2018100215 A1 WO 2018100215A1 ES 2017070702 W ES2017070702 W ES 2017070702W WO 2018100215 A1 WO2018100215 A1 WO 2018100215A1
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membrane module
membrane
mesh
spacer element
fluid treatment
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PCT/ES2017/070702
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Inventor
José Miguel Arnal Arnal
Jaime Lora García
Beatriz García Fayos
María Pino Sancho Fernández
María Isabel ALCAINA MIRANDA
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Universitat Politècnica De València
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • B01D63/101—Spiral winding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules

Definitions

  • the present invention relates to a membrane module for fluid treatment in which the deposition of fouling during the operation phase is minimized.
  • the invention relates to a membrane module comprising a turbulence promoting device incorporating a pendular element, located near the active surface of the membrane, which causes changes in the hydrodynamic conditions inside the module and prevents trajectories of the preferential fluid that exacerbate the problem of fouling and the consequent loss of membrane permeability and selectivity.
  • the invention further relates to the method of manufacturing the membrane module.
  • the membranes used to implement these treatments are configured in modules that are where the membranes are housed, of different arrangement, where they most often have a spiral winding configuration and other formats.
  • suspended and dissolved organic matter, salts, suspended solids, colloidal matter and microorganisms are deposited on the active layer of the membrane reducing its permeability (its permeate flow production capacity) and its selectivity (its retention capacity or rejection of the contaminant).
  • fouling in English
  • fouling motivated by different transport mechanisms as precipitation, crystallization or adsorption, among others, and requires periodic cleaning, interrupting the production of water, as well as the annual replacement of a percentage of annual membranes, when they reach an irreversible fouling.
  • membrane modules comprising at least one membrane sheet and a spacer element mesh, where the spacer element mesh comprises one or more wires fixed to said spacer element mesh whose vibration improves hydrodynamic conditions, mass transfer and the flow with respect to conventional separators.
  • the membrane module of the present invention solves all the above inconveniences by limiting the amount of dirt deposited, reducing fouling and the frequency of membrane cleaning, extending its useful life and improving the permeoselectivity in its operation. Consequently, it is also possible to reduce the operating costs of the corresponding installation.
  • the present invention relates to a membrane module for fluid treatment of special configuration in which the deposition of fouling is minimized during the operation phase in which the passage of a hydrodynamic flow through the interior of the membrane module is carried out.
  • the invention relates to a membrane module comprising at least one membrane sheet and at least one spacer element mesh, where the membrane module is traversed by a hydrodynamic flow, where the at least one spacer element mesh It comprises at least one pendular element that acts as a turbulence promoter in the vicinity of the at least one membrane sheet, which causes changes in the hydrodynamic conditions inside the membrane module and avoids preferential paths of the hydrodynamic flow flowing through the interior. of the membrane module that exacerbate the problem of fouling and the consequent loss of membrane permeability and selectivity.
  • the membrane module further comprises at least one permeate collector that allows hydrodynamic flow to be collected after passing through the at least one membrane sheet.
  • the at least one pendular element that acts as a turbulence promoter confers a high mechanical resistance over time and better supports the turbulent flow generated with respect to the membrane module solutions with one or more wires attached to the mesh of spacer element.
  • the at least one spacer element mesh has a diamond-shaped configuration comprising connecting nodes between first strands of the mesh oriented in a first direction and second strands of the mesh oriented in a second direction, where the first and the second filaments are cut at the junction nodes, and where the at least one pendular element is attached to one of the junction nodes.
  • the at least one pendular element is perpendicular to the direction of the hydrodynamic flow that circulates inside the membrane module. This special configuration reduces the pressure loss generated by the hydrodynamic flow inside the membrane module through the element mesh spacer, which facilitates the passage of liquid.
  • the at least one pendular element is an elastic element, which gives it the property of being able to be oriented according to the direction of the hydrodynamic flow that circulates inside the membrane module.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a membrane module for fluid treatment comprising at least one stage of manufacturing a spacer element mesh where the spacer element mesh comprises at least one pendular element integrated in the mesh of spacer element.
  • the manufacturing of the spacer element mesh with the at least one integrated pendular element can be carried out on an industrial scale, so that the resistance of said spacer element mesh that integrates the at least one pendular element is uniform.
  • Figure 1 shows a schematic view of the spacer element mesh of the fluid treatment membrane module of the present invention, where the displacement of the pendular element is shown on the left side when the hydrodynamic flow shifts to the left, in the right part shows the displacement of the pendular element when the hydrodynamic flow moves to the right and in the central part the pendular element is shown when there is no hydrodynamic flow.
  • Figure 2 shows Figure 1 where the instability of the primary and secondary flow caused by the pendular element in the upper part, with respect to the conventional hydrodynamic flow without the presence of a pendular element in the lower part, has been represented.
  • Figure 3 shows a cross-sectional view of the fluid treatment membrane module of the present invention.
  • Figure 4 shows a plan view of Figure 3. PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • the membrane module comprises at least one membrane sheet (1), at least one spacer element mesh (2) and at least one permeate manifold (3), where the at least one spacer element mesh (2) has configuration in the form of a diamond comprising joining nodes (4) between first filaments (2 ') of the mesh (2) oriented in a first direction and a few second filaments (2 ") of the mesh (2) oriented in a second direction, where the first filaments (2 ') and the second filaments (2 ") are cut at the junction nodes (4).
  • the membrane module comprises at least one pendular element (5) attached to one of the joining nodes (4), the at least one pendular element (5) being perpendicular to the direction of the hydrodynamic flow (7) that circulates inside of the membrane module.
  • the at least one pendular element (5) is an elastic element, which gives it the property of being oriented according to the direction of the hydrodynamic flow that circulates inside the membrane module, recovering its initial position when the hydrodynamic flow (7).
  • This orientation capacity of the at least one pendular element (5) subjects the membrane module to vibrations of the hydrodynamic flow (7) that cause a zone of primary instability (7 ') on the surface of the at least one membrane sheet (1 ), which is directly affected, and secondary instability (7 "), caused as a result of the primary instability (7 '), which interferes with the at least one spacer element mesh (2), which in conjunction allows to minimize the deposition of fouling during the operation phase
  • the membrane module is of the spiral type, preferably comprising a membrane sheet (1) arranged on each side of the at least one spacer element mesh (2), wrapping it, and where the at least one permeate collector (3) It is arranged adjacent to the membrane sheets (1) for the collection of the hydrodynamic flow after passing through the at least one membrane sheet.
  • the method of manufacturing a membrane module for fluid treatment comprising at least one stage of manufacturing a spacer element mesh (2), wherein the spacer element mesh (2) comprises at least one pendular element (5).
  • the manufacturing stage of a spacer element mesh (2) is an injection molding manufacturing stage, where the at least one pendular element (5) is integrated and forms part of the spacer element mesh (2).

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Abstract

La presente invención se refiere a un módulo de membrana para tratamiento de fluidos en el que se minimiza la deposición de ensuciamiento durante la fase de operación, donde el módulo de membrana comprende un dispositivo promotor de turbulencias que incorpora un elemento pendular, situado cerca de la superficie activa de la membrana, que provoca cambios en las condiciones hidrodinámicas del interior del módulo y evita trayectorias del fluido preferenciales que agudizan el problema del ensuciamiento y la consiguiente pérdida de permeabilidad y selectividad de la membrana. La invención se refiere además al procedimiento de fabricación del módulo de membrana.

Description

MÓDULO DE MEMBRANA PARA TRATAMIENTO DE FLUIDOS Y
PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE UN MÓDULO DE MEMBRANA
DESCRIPCION
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un módulo de membrana para tratamiento de fluidos en el que se minimiza la deposición de ensuciamiento durante la fase de operación. En concreto, la invención se refiere a un módulo de membrana que comprende un dispositivo promotor de turbulencias que incorpora un elemento pendular, situado cerca de la superficie activa de la membrana, que provoca cambios en las condiciones hidrodinámicas del interior del módulo y evita trayectorias del fluido preferenciales que agudizan el problema del ensuciamiento y la consiguiente pérdida de permeabilidad y selectividad de la membrana.
La invención se refiere además al procedimiento de fabricación del módulo de membrana. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde sus comienzos, el desarrollo de la tecnología de membranas ha permitido resolver con éxito problemas de abastecimiento y de falta de calidad de agua en diversos sectores a través de su aplicación en potabilización de agua, tratamiento de efluentes líquidos, depuración de aguas residuales y desalación, entre otros.
Las membranas utilizadas para implementar estos tratamientos están configuradas en módulos que es donde se albergan las membranas, de distinta disposición, donde presentan la mayor parte de las veces una configuración de arrollamiento en espiral y otros formatos. Como consecuencia de su funcionamiento, la materia orgánica suspendida y disuelta, sales, sólidos en suspensión, materia coloidal y microorganismos se depositan sobre la capa activa de la membrana disminuyendo su permeabilidad (su capacidad de producción de flujo de permeado) y su selectividad (su capacidad de retención o rechazo del contaminante). Este fenómeno se denomina ensuciamiento ("fouling" en inglés), motivado por diferentes mecanismos de transporte como precipitación, cristalización o adsorción, entre otros, y obliga a realizar limpiezas periódicas, interrumpiendo la producción de agua, así como al reemplazo anual de un porcentaje de membranas anual, cuando alcanzan un ensuciamiento irreversible. Con el fin de minimizar este fenómeno, tradicionalmente se han planteado dos líneas de acción: la aplicación de secuencias de pretratamiento previas a la entrada de agua en la membrana, que mejoren la calidad del agua que llega a éstas, así como la aplicación de protocolos de limpieza que recuperen de forma eficaz las propiedades permeoselectivas de la membrana.
Sin embargo, estas dos líneas de acción no son inherentes a la estructura de la propia membrana, con lo que dependen de la eficacia de dichos tratamientos o protocolos de limpieza. Existen soluciones de módulos de membrana que comprenden al menos una lámina de membrana y una malla de elemento espaciador, donde la malla de elemento espaciador comprende uno o varios hilos fijados a dicha malla de elemento espaciador cuya vibración mejora las condiciones hidrodinámicas, la transferencia de masa y el flujo respecto a los separadores convencionales.
Sin embargo, la anterior solución presenta inconvenientes en cuanto a que en el momento de llevar a cabo la limpieza de la membrana se puede producir la rotura o desprendimiento de los hilos respecto a la lámina del elemento espaciador, lo que se ve agravado por la disposición perpendicular de los hilos respecto a los filamentos de la malla de elemento espaciador.
El módulo de membrana de la presente invención solventa todos los inconvenientes anteriores limitando la cantidad de suciedad depositada, reduciendo el ensuciamiento y la frecuencia de las limpiezas de las membranas, alargando su vida útil y mejorando la permeoselectividad en su funcionamiento. En consecuencia, también se consigue disminuir los costes de operación de la instalación correspondiente.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un módulo de membrana para tratamiento de fluidos de especial configuración en el que se minimiza la deposición de ensuciamiento durante la fase de operación en la que se lleva a cabo el paso de un flujo hidrodinámico por el interior del módulo de membrana. En concreto, la invención se refiere a un módulo de membrana que comprende al menos una lámina de membrana y al menos una malla de elemento espaciador, donde el módulo de membrana es atravesado por un flujo hidrodinámico, donde la al menos una malla de elemento espaciador comprende al menos un elemento pendular que actúa como promotor de turbulencias en la proximidad de la al menos una lámina de membrana, lo que provoca cambios en las condiciones hidrodinámicas del interior del módulo de membrana y evita trayectorias preferenciales del flujo hidrodinámico que circula por el interior del módulo de membrana que agudizan el problema del ensuciamiento y la consiguiente pérdida de permeabilidad y selectividad de la membrana.
Opcionalmente, el módulo de membrana comprende además al menos un colector de permeado que permite la recogida del flujo hidrodinámico tras su paso por la al menos una lámina de membrana. Debido a su especial configuración, el al menos un elemento pendular que actúa como promotor de turbulencias confiere una alta resistencia mecánica en el tiempo y soporta mejor el flujo turbulento generado respecto a las soluciones de módulos de membrana con uno o varios hilos fijados a la malla de elemento espaciador. Preferentemente, la al menos una malla de elemento espaciador presenta configuración en forma de diamante que comprende unos nodos de unión entre unos primeros filamentos de la malla orientados en una primera dirección y unos segundos filamentos de la malla orientados en una segunda dirección, donde los primeros y los segundos filamentos se cortan en los nodos de unión, y donde el al menos un elemento pendular se encuentra unido a uno de los nodos de unión.
De manera también preferente, el al menos un elemento pendular es perpendicular a la dirección del flujo hidrodinámico que circula por el interior del módulo de membrana. Esta especial configuración disminuye la pérdida de carga generada por el flujo hidrodinámico en el interior del módulo de membrana a través de la malla de elemento espaciador, lo que facilita el paso de líquido.
Opcionalmente, el al menos un elemento pendular es un elemento elástico, lo que le confiere la propiedad de poder orientarse de acuerdo con la dirección del flujo hidrodinámico que circula por el interior del módulo de membrana.
La invención se refiere también a un procedimiento de fabricación de un módulo de membrana para tratamiento de fluidos que comprende al menos una etapa de fabricación de una malla de elemento espaciador donde la malla de elemento espaciador comprende al menos un elemento pendular integrado en la malla de elemento espaciador.
De esta manera se puede llevar a cabo la fabricación a escala industrial de la malla de elemento espaciador con el al menos un elemento pendular integrado, de manera que la resistencia de dicha malla de elemento espaciador que integra el al menos un elemento pendular es uniforme.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra una vista en esquema de la malla de elemento espaciador del módulo de membrana para tratamiento de fluidos de la presente invención, donde en la parte izquierda se muestra el desplazamiento del elemento pendular cuando el flujo hidrodinámico se desplaza hacia la izquierda, en la parte derecha se muestra el desplazamiento del elemento pendular cuando el flujo hidrodinámico se desplaza hacia la derecha y en la parte central se muestra el elemento pendular cuando no hay flujo hidrodinámico.
La Figura 2 muestra la Figura 1 donde se ha representado la inestabilidad del flujo primario y secundario provocado por el elemento pendular en la parte superior, respecto al flujo hidrodinámico convencional sin la presencia de elemento pendular en la parte inferior.
La Figura 3 muestra una vista en sección transversal del módulo de membrana para tratamiento de fluidos de la presente invención. La Figura 4 muestra una vista en planta de la Figura 3. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación se procederá a describir de manera detallada el módulo de membrana de especial configuración en el que se minimiza la deposición de ensuciamiento durante la fase de operación.
El módulo de membrana comprende al menos una lámina de membrana (1), al menos una malla de elemento espaciador (2) y al menos un colector de permeado (3), donde la al menos una malla de elemento espaciador (2) presenta configuración en forma de diamante que comprende unos nodos de unión (4) entre unos primeros filamentos (2') de la malla (2) orientados en una primera dirección y unos segundos filamentos (2") de la malla (2) orientados en una segunda dirección, donde los primeros filamentos (2') y los segundos filamentos (2") se cortan en los nodos de unión (4).
El módulo de membrana comprende al menos un elemento pendular (5) unido a uno de los nodos de unión (4), siendo el al menos un elemento pendular (5) perpendicular a la dirección del flujo hidrodinámico (7) que circula por el interior del módulo de membrana.
El al menos un elemento pendular (5) es un elemento elástico, lo que le confiere la propiedad de orientarse de acuerdo con la dirección del flujo hidrodinámico que circula por el interior del módulo de membrana, recuperando su posición inicial cuando no incide sobre él el flujo hidrodinámico (7). Esta capacidad de orientación del al menos un elemento pendular (5) somete al módulo de membrana a vibraciones del flujo hidrodinámico (7) que provocan una zona de inestabilidad primaría (7') sobre la superficie de la al menos una lámina de membrana (1), que se ve afectada de forma directa, y una inestabilidad secundaria (7"), provocada como consecuencia de la inestabilidad primaría (7'), que interfiere en la al menos una malla de elemento espaciador (2), lo que en conjunción permite minimizar la deposición de ensuciamiento durante la fase de operación
El módulo de membrana es del tipo espiral, comprendiendo preferentemente una lámina de membrana (1 ) dispuesta por cada lado de el al menos una malla de elemento espaciador (2), envolviéndolo, y donde el al menos un colector de permeado (3) se encuentra dispuesto adyacente a las láminas de membrana (1) para la recogida del flujo hidrodinámico tras su paso por la al menos una lámina de membrana.
En este ejemplo de realización, el procedimiento de fabricación de un módulo de membrana para tratamiento de fluidos que comprende al menos una etapa de fabricación de una malla de elemento espaciador (2), donde la malla de elemento espaciador (2) comprende al menos un elemento pendular (5).
Preferentemente, la etapa de fabricación de una malla de elemento espaciador (2) es una etapa de fabricación de moldeo por inyección, donde el al menos un elemento pendular (5) queda integrado y forma parte de la malla de elemento espaciador (2).

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Módulo de membrana para tratamiento de fluidos que comprende al menos una lámina de membrana (1 ) y al menos una malla de elemento espaciador (2), donde el módulo de membrana es atravesado por un flujo hidrodinámico (7) que se desplaza en una dirección de flujo hidrodinámico (7) caracterizado por que la al menos una malla de elemento espaciador (2) comprende al menos un elemento pendular (5) para promover turbulencias en la proximidad de la al menos una lámina de membrana (1).
2.- Módulo de membrana para tratamiento de fluidos según reivindicación 1 caracterizado por que comprende además al menos un colector de permeado (3) para la recogida del flujo hidrodinámico (7) tras su paso por la al menos una lámina de membrana (1 ).
3.- Módulo de membrana para tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la malla de elemento espaciador presenta configuración en forma de diamante que comprende unos nodos de unión (4) entre unos primeros filamentos (2') de la malla (2) orientados en una primera dirección y unos segundos filamentos (2") de la malla (2) orientados en una segunda dirección, donde los primeros filamentos (2') y los segundos filamentos (2") se cortan en los nodos de unión (4), y donde el al menos un elemento pendular (5) se encuentra unido a uno de los nodos de unión (4).
4. - Módulo de membrana para tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el al menos un elemento pendular (5) es perpendicular a la dirección del flujo hidrodinámico (7).
5. - Módulo de membrana para tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el al menos un elemento pendular (5) es un elemento elástico orientable de acuerdo con la dirección del flujo hidrodinámico (7).
6. - Módulo de membrana para tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que es del tipo espiral.
7. - Módulo de membrana para tratamiento de fluidos según reivindicaciones 2 y 6 caracterizado por que comprende una lámina de membrana (1 ) dispuesta por cada lado de el al menos una malla de elemento espaciador (2), envolviéndolo, y donde el al menos un colector de permeado (3) se encuentra dispuesto adyacente a las láminas de membrana (1).
8. - Procedimiento de fabricación de un módulo de membrana según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende al menos una etapa de fabricación de una malla de elemento espaciador (2) donde la malla de elemento espaciador (2) comprende al menos un elemento pendular (5) integrado en la malla de elemento espaciador (2).
9. - Procedimiento de fabricación de un módulo de membrana según reivindicación 8 caracterizado por que la etapa de fabricación de una malla de elemento espaciador (2) es una etapa de fabricación de moldeo por inyección.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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