DK200100286U4 - Filtreringssystem med hydrofile kapillar-membraner - Google Patents

Description

-1 - DK 2001 00286 U4

BESKRIVELSE

Benævnelse

Filtreringssystem med hydrofile kapillar-membraner.

Frembringelsens anvendelsesområde

Denne frembringelse angår et filtreringssystem til filtrering af brugsvand, hvor filtreringen foregår ved hjælp af ét eller flere kapillar-membranmoduler.

Kendt teknik

Det er kendt at have filtreringssystemer, hvor der anvendes membranmoduler med kapillar-membraner. Her er den enkelte kapillar-membran rørformet med en vandgennemtrængelig væg, og en filtrering kan foregå ved, at der ledes vand ind i den indvendige del af kapillarrøret via rørets ene ende, og idet den anden ende af kapillarrøret er lukket, trænger vandet gennem kapillarrørets væg, og det filtrerede vand kan ledes bort fra ydersiden af kapillarrøret.

Der kan også foregå en filtrering ved at lede vandet den modsatte vej, dvs. fra ydersiden af kapillarrøret, gennem væggen og ud via den ene eller begge ender af den indvendige del af kapillarrøret.

Det tekniske problem, der skal løses Når brugsvand filtreres ved brug af kapillar-membraner opstår der et problem med hensyn til rensning eller skylning af membranerne. Normalt anvendes hydrofobe membraner, der har en vandafvisende virkning. Dette betyder, at det kan være svært at foretage en effektiv skylning af disse membraner, og specielt kan det være svært at foretage en "baglæns” skylning eller "backflush” gennem membranvæggene, hvormed menes, at der skylles i den modsatte retning af flowet eller strømningsretningen under filtrering. Dette betyder igen, at der kan ophobes bakterier i systemet, der kan gøre dette ubrugeligt til filtrering af drikkevand, eller at der skal foretages en hyppig udskiftning af kapillar-membranerne.

Den nye teknik

Det nye ved frembringelsen udgøres af, at kapillar-membranmodulet omfatter et antal hydrofile kapillar-membraner.

-2- DK 2001 00286 U4

Den tekniske virkning

Ved at anvende hydrofile kapillar-membraner undgås den vandafvisende virkning, som hydrofobe membraner udviser. Herved er muligheden for rensning eller skylning af membranen blevet gjort betydeligt lettere, og det er muligt at lave et filtreringssystem, hvor der kan foretages en baglæns skylning, der giver en bedre rensning af membranvæggene, således at man undgår en ophobning af bakterier i membranvæggene. Frembringelsen og specielt fordelagtige udførelsesformer forklares i enkeltheder i det følgende under henvisning til figurerne på tegningnen.

Figurfortegnelse

Figur 1 viser en foretrukken udførelsesform for et kapillar-membranmodul ifølge den foreliggende frembringelse.

Figur 2 er et blokdiagram for et foretrukket filtreringssystem ifølge den foreliggende frembringelse. Figur 3 illustrerer strømningsforhold og trykforhold under skylning af et filtreringssystem ifølge den foreliggende frembringelse.

Udførelseseksempler I figur 1 er vist en foretrukken udførelsesform for et kapillar-membranmodul, som kan anvendes til et filtreringssystem ifølge den foreliggende frembringelse. Modulet 1 har et antal kapillar-membraner 2, også benævnt kapillarstrå, der i begge ender af modulet 1 er fasstøbt, således at der kun kan ledes vand til eller fra modul-enderne via enderne af kapillar-membranerne 2. Modulet 1 har en fødeside 3 for tilgang af ubehandlet vand, en permeatside 4 for udgang af behandlet vand, og en koncentratside 5 for udgang af skyllevand. Koncentratsiden 5 kan lukkes via en skylleventil, der ikke er vist i figur 1. Når koncentratsiden 5 er lukket, vil vand, der ledes ind via fødesiden 3, trænge gennem membranvæggene, som vist ved pilene 6, og ledes ud fra permeatsiden 4.

Den her anvendte kapillar-membran 2 er en hydrofil membran. I en foretrukken udførelsesform er kapillar-membranen af en type, der er produceret af S. Search B.V., og som er fremstillet af Polyethersulphone (PES), der er en blanding af en hydrofil og en hydrofob polymer, der efter en speciel behandling giver en permanent hydrofil karakter. Kapillar-membranen består af en speciel konstruktion, hvor 7 kapillarrør er placeret i et overordnet kapillarstrå 2. Denne type kapillar-membraner er beskrevet i den internationale patentansøgning nr. WO 102085, der har S. Search B.V. som ansøger, og som hermed inkluderes som reference. Ved at have flere kapillarrør inde i hver kapillar-membran eller kapillarstrå 2, opnås en ekstraordinær stor brudstyrke sammenlignet med de mere traditionelle "enkelt kapillarer", hvilket giver anledning til en langt større sikkerhed -3- DK 2001 00286 U4 m.h.t. brud. Den her anvendte kapillar-membran er testet til mere end 20 bar i differenstryk. De 7 kapillarrør har hver en indre diameter på 0,8 mm og den udvendige diameter af kapillarstrået er 4 mm. Væggene i de enkelte kapillarrør er vandgennemtrængelige via et antal membranporer, hvor porestørrelse er omkring 0,03 pm.

I en foretrukken udførelsesform er filtreringssystemet baseret på anvendelse af membranmoduler med en udvendig diameter på 2”, 4" eller 8” og i en længde af 400, 500,1000 eller 1500 mm. For 2” moduler foretrækkes det, at der anvendes ca. 60 kapillarstrå pr. modul, for 4” moduler foretrækkes, at der anvendes ca. 300 kapillarstrå pr. modul, og for 8” moduler foretrækkes det, at der anvendes ca. 1060 kapillarstrå pr. modul.

Den foreliggende frembringelse omfatter også et filtreringssytem, hvor de hydrofile kapillarmembraner i membranmodulet er adskilte hydrofile kapillarør, således at kapillar-membranen i dette tilfælde ikke er et kapillarstrå med flere kapillarrør.

I figur 2 er vist et blokdiagram for et foretrukket filtreringssystem ifølge den foreliggende frembringelse. I det viste system er anvendt tre 4" membranmoduler 21a, 21b, 21c af den under figur 1 beskrevne type. Hvert membranmodul har en fødeside 22a, 22b, 22c, der via manuelle afspærringsventiler 23a, 23b, 23c er forbundet til indløbet for ubehandlet brugsvand 24, idet brugsvandet dog først passere en kontraventil 25 samt en forventil eller "strainer" 26. På indløbssiden er der endvidere anbragt et manometer 27. Systemet har et udløb for rent vand 28, der via manuelle afspærringsventiler 29a, 29b, 29c er forbundet til de enkelte modulers udgange på permeatsiden. Der er endvidere anbragt et manometer 30, en ekstra udgangsventil 31 samt en ventil 32 mellem indløb og udløb. Hvert modul er på koncentratsiden via magnetventiler 33a, 33b, 33c forbundet til et afløb for skyllevand 34. Magnetventilerne 33a, 33b, 33c styres via et PLC (programmable logic controller) kredsløb 35.

Det i figur 2 viste filtreringssystem kan indsættes direkte i brugsvandssystemer, hvor det eksisterende vandtryk tjener som energikilde til drift af membranfunktionen. Systemet opererer fortrinsvis/ typisk i et trykområde på 0,1-8,0 bar. Det ufiltrerede brugsvand ledes nu via forfilteret 26 samt kontraventilen 25, direkte til den indvendige side af kapillarrørene i membranmodulerne, der udgør forseglede trykrør, hvor fødeside 3 og koncentatside 5 er forseglet via en "potting". Denne forsegling sikrer en fuldstændig adskillelse af ubehandlet vand og rent vand. I den modsatte ende af fødesiden 3 er monteret en magnetventil 33, der under drift er lukket. Det eksisterende vandtryk trykker vandet igennem kapillarmembranvæggen og opsamles på rentvandssiden eller -4- DK 2001 00286 U4 permeatsiden 4, hvorefter det ledes til forbrug af rent vand. Ved forudbestemte tidsintervaller åbnes magnetventilen, hvorefter en skylle-funktion foretages. I en foretrukken udførelsesform foretages der en skylning hver 6 time. Ved denne skyllefunktion vil der i starten både blive trykket rent vand baglæns, ”back-flush”, fra permeatsiden 4 til den indvendige side at kapillarrørene og til koncentratsiden 5, samt ubehandlet vand forlæns, "forward flush”, i kapillarrørene fra fødesiden 3 til koncentratsiden 5. Efter et stykke tid er trykforskellen mellem permeatsiden 4 og koncentratsiden 5 ikke stor nok til, at der kan opretholdes en back-flush, og der foregår kun en fremadrettet "forward-flush” skylle funktion. Denne funktion leder det opsamlede koncentrat til afløbet 34, en funktion der tager 2-6 sekunder. Herefter lukkes magnetventilen 33 langsomt via en "langsomtlukkende ventil”, dette for at undgå ekstraordinært trykstød i vandforsyningen. Systemet er derefter reetableret med rensning samt bortledning af uønskede partikler og bakterier.

Figur 3 illustrerer strømningsforhold og trykforhold under den ovenfor beskrevne skylning. I figur 3 er skematisk vist et membranmodul 41 af den under figur 1 beskrevne type. Ved en typisk driftssituation, eksempelvis ved et driftstryk på 3 bar på fødesiden 42, vil der være et tilsvarende tryk på koncentratsiden 43 samt på permeatsiden 44, hvor der er udgang af rent vand, forudsat at der ikke er forbrug af vand på systemet. Det vil sige at der er 3 bar både på fødesiden 42, rent vandsudgang 44 og koncentratside 43, idet magnetventilen 33 (ikke vist på figur 3) er lukket. Sker der en relative hurtig åbning af magnetventilen 33 på koncentratsiden 43, vil der i et kort tidsrum opstå et overtryk på både fødesiden 42 og permeatsiden 44 p.g.a. af det allerede etablerede tryk, inden magnetventilen 33 blev åbnet. Vandvolumen på rentvandssiden, permeatsiden 44, vil søge at gennemtrænge kapillarmembranen fra rentvandssiden 44 til koncentratsiden 43 p.g.a. et overtryk fra den eksisterende bufferkapacitet, dvs. vandvolumen fra selve membranmodulet samt vandvolumen fra rørsystemet. Funktionen giver sig udslag i et slags tryk-chok med en baglæns skylning af membranvæggen i et kort tidsinterval, der er afhængigt af membranmodulets længde. Når trykforholdene over membranmodulet 41 er reetableret, sker der ikke længere en baglæns skylning, idet der herefter kun foregår en forlæns skylning, "forward flush”, direkte fra fødesiden 42.

Den bagudrettede vandgennemtrængning fra membranens permeatside 44 imod koncentratsiden 43 forøges p.g.a. membranens hydrofile egenskaber. Anvendes en hydrofob membran vil der således ikke kunne opnås den samme effektive baglæns skyllefunktion, og man vil dermed ikke kunne opnå den ønskede rengøringseffekt, som er vigtig for systemets funktion og drift over en lang periode, som fx. 1-2 år uden særskilt manuel rengøring, idet der i denne periode kun foretages en automatisk skylning. For det i figur 2 viste system sker der i en foretrukken udførelsesform en automatisk skylning hver 6 time.

-5- DK 2001 00286 U4

Nye brugsmodelkrav 1 Filtrenngssystem til filtrering af brugsvand, hvilket filtrenngssystem omfatter mindst et kapillar-membranmodul med et antal hydrofile kapillar-membraner og som er nyt ved at kapillar-membranmodulet har en fødeside for indgang af ubehandlet brugsvand, en permeatside for udgang af behandlet vand, og en koncentratside for udgang af skyllevand, idet der på koncentratsiden er en skylleventil til åbning og lukning af skyllevandsudgangen, hvor skylleventilen har en indgangsside og en udgangsside, det ubehandlede brugsvand fra fødesiden kan ledes til en indvendig side af kapillar-membranerne og kan filtreres ved at trænge fra denne indvendige side gennem væggene i en kapillar-membran til den udvendige side af kapillar-membranen, og hvor den udvendige side af kapillar-membranerne er forbundet til permeatsiden, således at det filtrerede vand fra den udvendige side af kapillar-membranerne kan føres bort via permeatsiden, koncentratsiden for udgang af skyllevand er forbundet til den indvendige side af kapillar-membranerne, således at når skylleventilen er åben, så kan vand ledes fra den indvendige del af kapillar-membranerne til koncentratsiden og ud via skyllevandsudgangen, og at systemet er dimensioneret således, at når systemet er i dnft og skylleventilen er lukket, så vil der både på fødesiden, permeatsiden og indgangssiden af skylleventilen være et vandtryk, der er større end trykket på udgangssiden af skylleventilen, således at når skylleventilen åbnes, så vil der ske en trykudligning ved, at ubehandlet vand ledes direkte fra fødesiden gennem den indvendige del af kapillar-membranerne til koncentratsiden og gennem skylleventilen til skyllevandsudgangen, og ved at behandlet vand ledes fra permeatsiden gennem væggene i kapillar-membranerne til koncentratsiden og gennem skylleventilen til skyllevandsudgangen 2 Filtrenngssystem ifølge krav 1, som er nyt ved at skylleventilen kan åbnes og lukkes til forudbestemte tidsintervaller -6- DK 2001 00286 U4 3 Filtreringssystem ifølge krav 1 eller 2, som er nyt ved at der kan foretages en relativ hurtig åbning af skylleventilen og en relativ·langsom lukning af skylleventilen, således at den tid, der bruges til åbning af skylleventilen er kortere end den tid, der bruges til lukning af skylleventilen 4 Filtrenngssystem ifølge krav 2 eller 3, som er nyt ved at skylleventilen holdes åben i tidspenoder i intervallet 1-6 sekunder 5 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 2-4, som er nyt ved at åbning og lukning af skylleventilen styres af en PLC (programmable logic controller) 6 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, som er nyt ved at skylleventilen er en magnetventil 7 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er nyt ved at systemet omfatter mindst 2 eller 3 membranmoduler 8 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-7, som er nyt ved at der på koncentratsiden af hvert membranmodul er anbragt en skylleventil 9 Filtrenngssystem ifølge krav 8, som er nyt ved at udgangen af hver skylleventil er forbundet til skyllevandsudgangen 10 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-9, som er nyt ved at et membranmodul omfatter flere hydrofile kapillar-membraner i form af kapillarstrå, hvor hvert kapillarstrå indeholder flere kapillarrør 11 Filtrenngssystem ifølge krav 10, som er nyt ved at et kapillarstrå indeholder mindst 3 kapillarrør 12 Filtrenngssystem ifølge krav 11, som er nyt ved at et kapillarstrå indeholder mindst 5 kapillarrør 13 Filtrenngssystem ifølge krav 12, som er nyt ved at et kapillarstrå indeholder mindst 7 kapillarrør - 7- DK 2001 00286 U4 14 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 10-13, som er nyt ved at et kapillarstrå indeholder maximalt 15 kapillarrør 15 Filtrenngssystem ifølge krav 14, som er nyt ved at et kapillarstrå indeholder maximalt 10 kapillanrør 16 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er nyt ved at de hydrofile kapillar-membraner er fremstillet af Polyethersulphone 17 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 10-16, som er nyt ved at en kapillar-membran er et kapillarstrå med en udvendig diameter omknng 4 mm, og at hvert kapillar-strå indeholder 7 kapillarrør, hvor hvert kapillarrør har en indvendig diameter omknng 0,8 mm 18 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 10-17, som er nyt ved at et kapillar-membranmodul har en diameter på 2 tommer og indeholder omknng 60 kapillarstrå 19 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 10-17, som er nyt ved at et kapillar-membranmodul har en diameter på 4 tommer og indeholder omknng 300 kapillarstrå 20 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 10-17, som er nyt ved at et kapillar-membranmodul har en diameter på 8 tommer og indeholder omknng 1060 kapillarstrå 21 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er nyt ved at kapillar-membranerne er forseglet i begge ender af et kapillar-membranmodul, således at der fra enderne af modulerne kun kan føres vand ind via de indvendige sider af kapillar-membranerne 22 Filtrenngssystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, som er nyt ved at systemet er dimensioneret til et dnftstryk på fødesiden i intervallet 0,1-8,0 bar 23 Filtrenngssystem ifølge krav 22, som er nyt ved at systemet er dimensioneret til et dnftstryk på fødesiden omkring 3 bar DK 2001 00286 U4

Fig. 1

DK 2001 00286 U4 26

J T32 ^ Stramer ^ ^ Kontraventn Kold tvands ledning 2" mf

Fra stik 2" mf 25 DK 2001 00286 U4

Fig.3