PL208051B1

PL208051B1 - Osmotic membrane distilation and system for osmotic membrane distilation

Info

Publication number: PL208051B1
Application number: PL379337A
Authority: PL
Inventors: Marek Gryta; Michał Sasim; Antoni Waldemar Morawski
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-03-31
Also published as: PL379337A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest osmotyczna destylacja membranowa oraz układ do prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki.The subject of the invention is an osmotic membrane distillation and a system for conducting an osmotic membrane distillation with brine regeneration.

W klasycznej destylacji membranowej (MD), jak w patencie PL 184391 opisującym układ do oczyszczania wody zaolejonej, po jednej stronie powierzchni hydrofobowej porowatej membrany przepływa podgrzewany w wymienniku ciepła gorący roztwór zasilający (nadawa), a po jej drugiej stronie przepływa chłodzony w wymienniku ciepła destylat. W wyniku podgrzania roztworu zasilającego obecne w nim lotne składniki, jak woda, odparowują i dyfundują przez fazę gazową wypełniającą pory membrany na jej drugą stronę, gdzie kondensują w strumieniu zimnego destylatu. Warunkiem koniecznym realizacji procesu MD jest utrzymanie fazy gazowej w porach membran, co uzyskuje się stosując membrany wykonane z silnie hydrofobowych polimerów, jak politetrafluoroetylen, poli(fluorek winylidenu) lub polipropylen.In classical membrane distillation (MD), as in the patent PL 184391 describing a system for purifying oily water, on one side of the hydrophobic porous membrane surface flows the hot feed solution (feed) heated in the heat exchanger, and on the other side flows the distillate cooled in the heat exchanger . When the feed solution is heated, volatile components such as water evaporate and diffuse through the gas phase filling the pores of the membrane to the other side of the membrane where it condenses in the cold distillate stream. A necessary condition for the implementation of the MD process is to maintain the gas phase in the pores of the membranes, which is achieved by using membranes made of highly hydrophobic polymers such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride or polypropylene.

Siłą napędową transportu masy w destylacji membranowej jest różnica prężności pary, która w klasycznej MD wzrasta wraz z róż nicą temperatury pomię dzy roztworem zasilają cym a destylatem. Z tego względu stosuje się wysokie temperatury roztworu zasilającego (zatężanego), rzędu 353-368 K. Tak wysokie temperatury wykluczają zastosowanie procesu MD do zatężania roztworów substancji wrażliwych na podwyższoną temperaturę, jak soki owocowe czy antybiotyki. Do zatężania takich roztworów stosuje się osmotyczną destylację membranową (OMD), której zasady przedstawiono między innymi w patentach US 4781837, US 656934, US 5824223. W osmotycznej destylacji membranowej temperatury roztworów przepływających po obu stronach membrany są takie same, z reguły zbliżone do temperatury otoczenia. Silę napędową transportu masy (różnicę prężności pary) w OMD uzyskuje się stosując po stronie destylatu roztwory osmotyczne o niskiej prężności pary, na przykład stężone roztwory soli, jak NaCl czy CaCl2. Lotne składniki roztworu zatężanego, jak woda, odparowują przez porowatą membranę i są pochłaniane w roztworze osmotycznym. Taki układ do działania nie wymaga podgrzewania roztworu zatężanego. Jednak, w trakcie procesu wskutek pochłaniania wody następuje rozcieńczanie roztworu osmotycznego, co powoduje systematyczne zmniejszanie siły napędowej procesu. Jej utrzymanie wymusza wprowadzenie dodatkowego procesu, to jest zatężania roztworu osmotycznego. Do tego celu z reguły proponuje się zastosować termiczne zatężanie roztworu osmotycznego w wyparkach, jak w patencie USA 5824223. W efekcie, kompleksowo rozważany proces OMD wymaga (podobnie jak i klasyczna MD) dostarczenia znacznych ilości ciepła, które są zużywane do odparowania wody podczas regeneracji roztworu osmotycznego. Ponadto, zawracany z instalacji wyparnej zatężony roztwór osmotyczny przed wpłynięciem do instalacji OMD musi być schłodzony w wymiennikach ciepła, przynajmniej do temperatury roztworu zatężanego (nadawy), co powoduje dodatkowe straty energii. Kolejnym problemem jest fakt, że wskutek przemian fazowych, to jest odparowania roztworu zatężanego i skraplania pary w roztworze osmotycznym, temperatura przymembranowa roztworu zatężanego zmniejsza się, a osmotycznego rośnie. Prowadzi to do niekorzystnych zmian wartości prężności pary nad tymi roztworami, co powoduje dodatkową redukcję siły napędowej procesu OMD.The driving force for mass transport in membrane distillation is the difference in vapor pressure, which in classical MD increases with the temperature difference between the feed solution and the distillate. For this reason, high temperatures of the (concentrated) feed solution are used, in the order of 353-368 K. Such high temperatures exclude the use of the MD process for concentrating solutions of substances sensitive to elevated temperature, such as fruit juices or antibiotics. For the concentration of such solutions, osmotic membrane distillation (OMD) is used, the principles of which are presented, inter alia, in US patents US 4781837, US 656934, US 5824223. In osmotic membrane distillation, the temperatures of the solutions flowing on both sides of the membrane are the same, usually close to ambient temperature . The driving force for mass transport (vapor pressure difference) in OMD is achieved by using osmotic solutions with a low vapor pressure on the distillate side, for example concentrated salt solutions such as NaCl or CaCl2. The volatile components in the concentrated solution, such as water, evaporate through the porous membrane and are absorbed in the osmotic solution. Such a system does not require heating of the concentrated solution to operate. However, during the process, due to the absorption of water, the osmotic solution is diluted, which systematically reduces the driving force of the process. Maintaining it requires the introduction of an additional process, i.e. concentration of the osmotic solution. For this purpose, it is usually proposed to use thermal concentration of the osmotic solution in evaporators, as in US patent 5,824,223. As a result, the OMD process considered comprehensively requires (similarly to the classic MD) supply of significant amounts of heat, which are used to evaporate the water during the regeneration of the solution. osmotic. In addition, the concentrated osmotic solution returned from the evaporation plant must be cooled in heat exchangers to at least the temperature of the concentrated solution (feed) before it enters the OMD plant, which causes additional energy losses. Another problem is the fact that due to phase changes, i.e. evaporation of the concentrated solution and condensation of the vapor in the osmotic solution, the diaphragm temperature of the concentrated solution decreases and the temperature of the osmotic solution increases. This leads to unfavorable changes in the value of the vapor pressure above these solutions, which causes an additional reduction in the driving force of the OMD process.

Sposób według wynalazku pozwala na utrzymanie siły napędowej transportu masy w procesie osmotycznej destylacji membranowej bez stosowania wyparnych metod zagęszczania roztworu osmotycznego. Istota sposobu polega na tym, że zużyty, rozcieńczony w procesie OMD roztworu osmotycznego rozprowadza się w sposób wytwarzający rozbudowaną powierzchnię swobodną cieczy, którą kontaktuje się z powietrzem, tworząc powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze. W trakcie przepływu roztworu z powierzchni międzyfazowej część cząsteczek wody odparowuje do kontaktującego się z nią powietrza. Wilgotność powietrza, z którym kontaktuje się powierzchnię swobodną roztworu musi być niższa od wynikającej z prężności pary wodnej nad powierzchnią roztworu osmotycznego, w danej jego temperaturze i stężeniu. W takich warunkach woda z roztworu osmotycznego odparowuje do otoczenia (powietrza) jednocześnie schładzając roztwór, czego efektem jest dodatkowe zwiększenie siły napędowej procesu OMD. Wielkość wymaganej powierzchni międzyfazowej roztwór/powietrze zależy od wielkości instalacji OMD oraz wilgotności powietrza. Uwzględniając to, wymagany stosunek wielkość powierzchni międzyfazowej roztwór/powietrze do powierzchni membran zamontowanych w instalacji osmotycznej destylacji membranowej wynosi 1,1 przy wilgotności powietrza mniejszej od 50% lub gdy wilgotność powietrza mieści się w zakresie od 50 do 65% to stosunek ten wynosi od 1,1 do 2,3. Zatężony roztwór osmotyczny, po odparowaniu nadmiaru wody do powietrza, jest ponownie wykorzystywany w procesie OMD.The process of the invention allows the driving force of mass transport to be maintained in the osmotic membrane distillation process without the use of evaporative osmotic solution thickening methods. The essence of the method consists in the fact that the used, diluted in the OMD process, the osmotic solution is distributed in a way that produces an extended free surface of the liquid, which is in contact with the air, creating a solution / air interface. As the solution flows from the interface, some of the water molecules evaporate into the air that contacts it. The humidity of the air with which the free surface of the solution is in contact must be lower than that resulting from the water vapor pressure above the surface of the osmotic solution, at a given temperature and concentration. Under such conditions, the water from the osmotic solution evaporates to the environment (air) while cooling the solution, which results in an additional increase in the driving force of the OMD process. The size of the required solution / air interface depends on the size of the OMD plant and the air humidity. Taking this into account, the required ratio of the solution / air interface to the surface area of membranes installed in the osmotic membrane distillation plant is 1.1 at an air humidity of less than 50% or when the air humidity is in the range of 50 to 65%, the ratio is from 1 , 1 to 2.3. The concentrated osmotic solution, after the excess water has evaporated into the air, is reused in the OMD process.

PL 208 051 B1PL 208 051 B1

Kontakt roztworu osmotycznego z powietrzem uzyskuje się tworząc powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze przez rozlanie zatężonego roztworu osmotycznego po rozległej powierzchni płaskiej typu zbiornikowego. Korzystnie głębokość cieczy w zbiorniku nie przekracza 10 cm. Korzystnie powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze tworzy się poprzez podzielenie wypływającego z moduł ów membranowych strumienia roztworu osmotycznego na szereg mniejszych strug, które są rozpylane w postaci kropel i rozdeszczowywane nad powierzchnią płaską typu zbiornikowego. Korzystnie powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze tworzy się umieszczając na powierzchni płaskiej typu zbiornikowego, wypełnienie wykonane z elementów z materiału polipropylenowego, korzystnie pierścieni Białeckiego, które to wypełnienie zrasza się zatężanym roztworem osmotycznym, który spływa grawitacyjnie po powierzchni wypełnienia. Wypełnienie umieszczone jest w otwartej przestrzeni, tak, że otaczające powietrze może swobodnie przepływać pomiędzy jego elementami. Korzystnie jeśli spadek temperatury roztworu zatężanego (nadawę) ogranicza się poprzez jego podgrzewanie, co zwiększa szybkość odparowania roztworu osmotycznego i siłę napędowąContact of the osmotic solution with air is achieved by creating a solution / air interface by spilling the concentrated osmotic solution over a vast, tank-type flat surface. Preferably, the depth of the liquid in the reservoir does not exceed 10 cm. Preferably, the solution / air interface is formed by dividing the osmotic solution stream flowing from the membrane modules into a series of smaller jets which are sprayed as droplets and spread over a flat surface of the tank-type. Preferably, the solution / air interface is created by placing, on a flat surface of the tank-type, a filling made of elements of polypropylene material, preferably Białecki's rings, which filling is sprinkled with a concentrated osmotic solution which flows down by gravity over the filling surface. The filling is placed in an open space, so that the surrounding air can freely flow between its elements. Preferably, the temperature drop of the concentrated solution (feed) is limited by heating it, which increases the rate of evaporation of the osmotic solution and the driving force

Układ według wynalazku zawierający zbiornik roztworu zatężanego, pompę roztworu zatężonego, moduł OMD, zbiornik roztworu osmotycznego, pompę roztworu osmotycznego charakteryzuje się tym, że zbiornik roztworu osmotycznego jest otwarty do otoczenia, tak, że pozwala to na kontakt powierzchni swobodnej roztworu osmotycznego z otaczającym powietrzem i umożliwia odparowanie wody z roztworu osmotycznego. Korzystnie zbiornik ma postać rozległego płaskiego zbiornika o głębokości cieczy nie przekraczającej 10 cm. Korzystnie układ wyposażony jest w system orurowania do rozdeszczowania roztworu osmotycznego nad powierzchnią otwartego zbiornika. Korzystnie w zbiorniku roztworu osmotycznego umieszczone jest wypełnienie w postaci elementów wykonanych z materiału polipropylenowego, korzystnie pierścieni Białeckiego. Korzystnie zbiornik roztworu zatężanego wyposażony jest w element wymiany ciepła służący do podgrzania roztworu zatężanego. Korzystnie układ wyposażony jest w urządzenia do regulacji temperatury roztworu zasilającego.The system according to the invention, comprising a concentrated solution reservoir, a concentrated solution pump, an OMD module, an osmotic solution reservoir, an osmotic solution pump, is characterized in that the osmotic solution reservoir is open to the environment, so that it allows the free surface of the osmotic solution to come into contact with the surrounding air and allows water to evaporate from the osmotic solution. Preferably, the reservoir is in the form of an extensive flat reservoir with a liquid depth not exceeding 10 cm. Preferably, the system is equipped with a piping system for spraying the osmotic solution over the surface of the open tank. Preferably, a filling in the form of elements made of polypropylene material, preferably Białecki rings, is placed in the osmotic solution reservoir. Preferably, the concentrate solution tank is equipped with a heat exchange element for heating the concentrated solution. Preferably, the system is equipped with devices for regulating the temperature of the feed solution.

Sposób oraz układ według wynalazku pozwala zachować siłę napędową procesu OMD utrzymując wysokie stężenie solanki i jednocześnie obniżając jej temperaturę poprzez odparowanie części wody z roztworu osmotycznego do powietrza otaczającego instalację, bez konieczności zatężania w wyparkach i dodatkowego chł odzenia zatężonego roztworu osmotycznego.The method and system according to the invention allows to maintain the driving force of the OMD process by maintaining a high concentration of brine and at the same time reducing its temperature by evaporating some of the water from the osmotic solution into the air surrounding the installation, without the need for concentration in evaporators and additional cooling of the concentrated osmotic solution.

Sposób i układ według wynalazku objaśniono w przykładach wykonania, z tym, że w celu pokazania przebiegu tradycyjnie prowadzonego procesu OMD i zachodzących w nim zmian stężenia roztworu osmotycznego oraz spadku siły napędowej procesu w przykładzie 1 opisano klasyczny sposób i układ osmotycznej destylacji membranowej z zamkniętym zbiornikiem roztworu osmotycznego.The method and system according to the invention are explained in the examples, but in order to show the course of the traditionally conducted OMD process and the changes in the concentration of the osmotic solution and the decrease in the driving force of the process, example 1 describes the classical method and system of osmotic membrane distillation with a closed solution tank. osmotic.

Układ według wynalazku przedstawiono na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia układ z otwartym, płaskim zbiornikiem roztworu osmotycznego, fig. 2 przedstawia wersję układu, w której jest on wyposażony w system orurowania do rozdeszczowania roztworu osmotycznego, a w zbiorniku roztworu osmotycznego umieszczone są elementy wypełnienia z materiału polipropylenowego, korzystnie pierścieni Białeckiego.The system according to the invention is shown in the drawings, in which Fig. 1 shows a system with an open, flat tank of the osmotic solution, Fig. 2 shows a version of the system, in which it is equipped with a piping system for spraying the osmotic solution, and the filling elements are placed in the osmotic solution tank. made of polypropylene material, preferably Białecki rings.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Układ składa się z ustawionego pionowo kapilarnego modułu membranowego 1, do którego podłączono dwa obiegi wodne - obieg roztworu zatężanego i obieg roztworu osmotycznego. Obieg roztworu zatężanego składa się ze zbiornika 2 oraz pompy wirowej 3. Zbiornik 2 ma objętość 5 dm³oraz wyposażony jest w układ pomiarowy (biureta) pozwalający zmierzyć występujące w nim ubytki cieczy z dokładnością do 0,5 ml. Obieg roztworu osmotycznego składa się ze zbiornika 7 oraz pompy 11. Polipropylenowy zbiornik 7 ma wysokość 28 cm, szerokość równą 27 cm oraz długość 40 cm. Przed wylotem ze zbiornika 7 w jego wnętrzu zamontowano filtr siatkowy 10 o wielości oczek 100 mikronów. Pokrywę górną zbiornika można było usunąć. Temperatury cieczy w instalacji mierzono termometrem elektronicznym, z dokładnością do 0,1°C. Natężenie przepływu mierzono rotametrami. Moduł kapilarny OMD wykonano z membran polipropylenowych Accurel PP S6/2 (Membrana, Niemcy). Porowatość całkowita membran wynosiła około 73%, średni rozmiar porów 0,2 μm, a grubość ścianki 400 μm. Średnica zewnętrzna kapilar wynosiła 2,6 mm. W obudowie rurowej, o średnicy 21 mm, zamontowano 18 kapilar o długość 820 mm, co dawało powierzchnię odparowania (wewnętrzną) około 840 cm². Membrany kapilarne przełożono przez co drugie oczko siatek mieszających, które umieszczono co 15 cm wzdłuż obudowy modułu. Strumienie przepływały przez moduł współprądowo (od dołu ku górze), roztwór osmotyczny na zewnątrz kapilar. Natężenie przepływu strumieni, w przeliczeniu na 1 m² zamontowanych membran, wynosiło 0,82 kg/s m² (roztwór zatężany) i 1,65 kg/s m² (roztwór osmotyczny). Do przygotowania roztworu osmotycznego zastosowano NaCl (POCh, czda). Roztworem zatężanymThe system consists of a vertically oriented capillary membrane module 1, to which two water circuits are connected - the concentrated solution circuit and the osmotic solution circuit. The concentrated solution circulation consists of a tank 2 and a centrifugal pump 3. The tank 2 has a volume of 5 dm ³ and is equipped with a measuring system (burette) that allows to measure the liquid losses in it with an accuracy of 0.5 ml. The osmotic solution circuit consists of a reservoir 7 and a pump 11. The polypropylene reservoir 7 is 28 cm high, 27 cm wide and 40 cm long. Before leaving the tank 7, a mesh filter 10 with a mesh size of 100 microns is mounted inside it. The top cover of the tank could be removed. The liquid temperatures in the installation were measured with an electronic thermometer with an accuracy of 0.1 ° C. The flow rate was measured with rotameters. The OMD capillary module is made of Accurel PP S6 / 2 polypropylene membranes (Membrana, Germany). The total porosity of the membranes was approximately 73%, the average pore size was 0.2 µm, and the wall thickness was 400 µm. The outer diameter of the capillaries was 2.6 mm. In the tubular housing, 21 mm in diameter, 18 capillaries with a length of 820 mm were mounted, giving a vaporization area (internal) of about 840 cm ² . Capillary membranes were inserted through every second mesh of mixing meshes, which were placed every 15 cm along the module housing. The streams flowed through the module co-current (bottom to top), the osmotic solution outside the capillaries. The flow rate of the streams, based on 1 m ^{2 of} installed membranes, was 0.82 kg / sm ² (concentrated solution) and 1.65 kg / sm ² (osmotic solution). NaCl (POCh, pure) was used to prepare the osmotic solution. Concentrated solution

PL 208 051 B1 (nadawą) była woda destylowana (5 dm³), co pozwoliło ograniczyć wpływ zjawisk polaryzacyjnych po tej stronie membrany i dokładnie poznać wpływ parametrów roztworu osmotycznego. W trakcie badań przebiegu procesu OMD instalacja doświadczalna pracowała w sposób ciągły. Cała instalacja umieszczona była w oszklonej komorze o objętości 2,8 m³. Do pomiaru wilgotności powietrza w komorze zastosowano meteorologiczny higrometr TZ 18. Do pomiaru stężenia NaCl zastosowano miernik Myron 6P.The PL 208 051 B1 (feed) was distilled water (5 dm ³ ), which allowed to limit the influence of polarization phenomena on this side of the membrane and to get to know the influence of parameters of the osmotic solution in detail. During the OMD process flow tests, the experimental installation was operated continuously. The whole plant was placed in a glazed chamber having a volume of 2.8 m ^3. A TZ 18 meteorological hygrometer was used to measure the air humidity in the chamber. A Myron 6P meter was used to measure the NaCl concentration.

Zbiornik roztworu osmotycznego na starcie pomiarów zwierał 7 dm³ stężonego roztworu NaCl (solanka) i był zamknięty. Instalacja pracowała nieprzerwanie przez ponad tydzień. Temperatura powietrza wokół instalacji wynosiła 31-32°C. Uzyskane wyniki przebiegu procesu OMD zamieszczono w Tabeli 1. Wydajność procesu (N) obliczono jako ilość dm³ wody odparowują c ą z powierzchni 1 m² membran w ciągu godziny (dm³/m²h). Siłę napędową (ΔΡ) obliczono odejmując prężność pary nad nadawą (dla Tnadawa) od prężności pary nad solanką (dla Tsolanka i Cs), na podstawie danych z publikacji: Morton, R.; Smith, J. (Eds.) Saline Water Conversion Engineering Data Book, 2 nd Ed.; The M.W.At the start of the measurements, the osmotic solution tank contained 7 dm ^{3 of} concentrated NaCl solution (brine) and was closed. The installation worked continuously for over a week. The air temperature around the installation was 31-32 ° C. The obtained results of the OMD process are presented in Table 1. The process efficiency (N) was calculated as the amount of dm ^{3 of} water evaporating from the surface of 1 m ^{2 of} membranes per hour (dm ³ / m ² h). Driving force (ΔΡ) was calculated by subtracting the vapor pressure above the feed (for Tnadawa) from the vapor pressure above the brine (for Tsolanka and Cs), based on data from Morton, R .; Smith, J. (Eds.) Saline Water Conversion Engineering Data Book, 2nd Ed; The MW

Kellogg Company: Washington, 1971.Kellogg Company: Washington, 1971.

T a b e l a 1. Przebieg OMD z zamkniętym zbiornikiem roztworu osmotycznego (klasyczny układ OMD)T a b e l a 1. The course of OMD with a closed tank of an osmotic solution (classic OMD system)

Dni Days Tsolanka [°C] Tsolanka [° C] ^Tnadawa ^{[ C]} ^T broadcast ^[C] N [dm³/m²h]N [dm ³ / m ² h] Cs [g NaCl/dm³]Cs [g NaCl / dm ³ ] AP [Pa] AP [Pa] 1 1 27,6 27.6 26,8 26.8 0,316 0.316 280,1 280.1 666 666 2 2 29,3 29.3 28,7 28.7 0,346 0.346 276,2 276.2 746 746 3 3 32,2 32.2 31,4 31.4 0,427 0.427 272,0 272.0 724 724 4 4 32,2 32.2 31,6 31.6 0,380 0.380 255,4 255.4 733 733 5 5 32,1 32.1 31,4 31.4 0,366 0.366 232,5 232.5 623 623 6 6 32,1 32.1 31,5 31.5 0,337 0.337 208,3 208.3 540 540 7 7 32,1 32.1 31,5 31.5 0,326 0.326 198,3 198.3 519 519

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Zastosowano układ do instalacji OMD i parametry jego eksploatacji opisane w przykładzie 1, z tym, że ze zbiornika roztworu osmotycznego 7 zdjęto pokrywę. Temperatura powietrza wokół instalacji wynosiła 31,5-32°C. Zbiornik roztworu osmotycznego na starcie pomiarów zwierał 7 dm³ stężonego roztworu NaCl (solanka). Wlot rozcieńczonej solanki zawracanej z modułu membranowego znajdował się na jednym końcu zbiornika, poniżej lustra cieczy. Na przeciwległym końcu zbiornika znajdował się króciec, którym solanka była pobierana pompą do modułu. Otwarcie zbiornika umożliwiło naturalne odparowanie wody z powierzchni solanki przepływającej wzdłuż dna zbiornika. Powierzchnia odparowania wynosiła 0,1 m². Instalacja OMD pracowała nieprzerwanie przez ponad tydzień, w tym czasie wilgotność powietrza wokół instalacji zmieniała się w granicach 49-53%. Uzyskane wyniki przebiegu procesu OMD z jednoczesnym odparowaniem naturalnym solanki zamieszczono w Tabeli 2.The OMD installation system and operating parameters described in Example 1 were used, except that the cover was removed from the osmotic solution tank 7. The air temperature around the installation was 31.5-32 ° C. At the start of the measurements, the osmotic solution tank contained 7 dm ^{3 of} concentrated NaCl solution (brine). The inlet for the dilute brine returned from the membrane module was at one end of the reservoir, below the liquid level. At the opposite end of the tank, there was a connector through which the brine was taken by the pump to the module. The opening of the reservoir allowed for the natural evaporation of water from the brine surface flowing along the bottom of the reservoir. The evaporation area was 0.1 m ² . The OMD installation operated continuously for more than a week, during which time the air humidity around the installation varied between 49-53%. The obtained results of the OMD process with the simultaneous natural evaporation of brine are presented in Table 2.

T a b e l a 2. Przebieg OMD z otwartym zbiornikiem roztworu osmotycznegoT a b e l a 2. The course of OMD with an open reservoir of osmotic solution

Dni Days Tsolanka [°C] Tsolanka [° C] ^Tnadawa ^{[ C]} ^T broadcast ^[C] N [dm³/m²h]N [dm ³ / m ² h] Cs [g NaCl/dm³]Cs [g NaCl / dm ³ ] AP [Pa] AP [Pa] 1 1 31,7 31.7 31,2 31.2 0,478 0.478 275,5 275.5 833 833 2 2 31,4 31.4 30,8 30.8 0,440 0.440 272,2 272.2 742 742 3 3 31,1 31.1 30,6 30.6 0,447 0.447 265,5 265.5 783 783 4 4 31,4 31.4 30,8 30.8 0,444 0.444 259,3 259.3 765 765 5 5 31,3 31.3 30,9 30.9 0,397 0.397 231,1 231.1 673 673 6 6 31,3 31.3 30,8 30.8 0,376 0.376 228,9 228.9 664 664 7 7 31,2 31.2 30,9 30.9 0,384 0.384 228,5 228.5 668 668 8 8 31,2 31.2 30,9 30.9 0,390 0.390 228,7 228.7 672 672

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Zastosowano układ do instalacji OMD i parametry jego eksploatacji opisane w przykładzie 1, z tym, że ze zbiornika roztworu osmotycznego 7 zdjęto pokrywę, a na wylot rury doprowadzającej do zbiornika 7 solankę, zwracaną z modułu OMD, założono kilkuotworową dyszę 9 dzielącą strumieńThe system for the OMD installation and its operating parameters described in example 1 were used, except that the cover was removed from the osmotic solution tank 7, and a multi-hole nozzle 9 dividing the stream was installed on the outlet of the pipe supplying brine to the tank 7, returned from the OMD module.

PL 208 051 B1 cieczy na sześć oddzielnych strug. Dyszę 9 umieszczono 25 cm powyżej lustra cieczy. Temperatura powietrza wokół instalacji wynosiła 31,5-32°C. Zbiornik roztworu osmotycznego na starcie pomiarów zwierał 7 dm³ stężonego roztworu NaCl. Odkrycie zbiornika 7 umożliwiło naturalne odparowanie wody z powierzchni solanki zgromadzonej w tym zbiorniku. Zastosowanie dyszy 9 pozwoliło uzyskać efekt rozdeszczowania roztworu osmotycznego, który rozproszony spadał do otwartego zbiornika solanki, zwiększając dodatkowo burzliwość powierzchni cieczy w zbiorniku oraz powierzchnię odparowania, która wynosiła około 0,14 m². Instalacja OMD pracowała przez cztery dni, w tym czasie wilgotność powietrza wokół instalacji zmieniała się w granicach 52-66%. Uzyskane wyniki przebiegu procesu OMD z odparowaniem naturalnym solanki (powierzchniowym połączonym z rozdeszczowaniem) zamieszczono w Tabeli 3.The liquid into six separate streams. The nozzle 9 was positioned 25 cm above the liquid level. The air temperature around the installation was 31.5-32 ° C. The osmotic solution tank at the start of the measurements contained 7 dm ^{3 of} concentrated NaCl solution. The discovery of the reservoir 7 allowed for the natural evaporation of water from the brine surface collected in this reservoir. The use of the nozzle 9 made it possible to obtain the effect of spraying the osmotic solution, which dispersed fell into the open brine tank, additionally increasing the turbulence of the liquid surface in the tank and the evaporation surface, which was about 0.14 m ² . The OMD installation was in operation for four days, during which the air humidity around the installation varied between 52-66%. The obtained results of the OMD process with natural evaporation of brine (surface combined with sprinkling) are presented in Table 3.

T a b e l a 3. Przebieg OMD z rozdeszczowaniem roztworu osmotycznegoT a b e l a 3. The course of OMD with the spraying of an osmotic solution

Dni Days Tsolanka [°C] Tsolanka [° C] ^Tnadawa ^{[ C]} ^T broadcast ^[C] N [dm³/m²h]N [dm ³ / m ² h] Cs [g NaCl/dm³]Cs [g NaCl / dm ³ ] ΔΓ [Pa] ΔΓ [Pa] 1 1 29,3 29.3 30,4 30.4 0,339 0.339 219,7 219.7 616 616 2 2 29,4 29.4 29,6 29.6 0,356 0.356 212,4 212.4 581 581 3 3 29,4 29.4 29,5 29.5 0,361 0.361 214,3 214.3 598 598 4 4 29,9 29.9 30,5 30.5 0,377 0.377 223,7 223.7 722 722

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Zastosowano instalację OMD i parametry jej eksploatacji opisane w przykładzie 3. Temperatura powietrza wokół instalacji wynosiła 24-28°C. Zbiornik 7 roztworu osmotycznego na starcie pomiarów zwierał 6 dm³ stężonego roztworu NaCl (solanka). Ze zbiornika zdjęto pokrywę górną i wewnątrz zbiornika umieszczono wieżę wypełnienia 8 ustawioną z 20 polipropylenowych pierścieni Białeckiego (średnica 80 mm). W dolnej warstwie ustawiono heksagonalnie 7 sztuk stykających się ściankami pierścieni, a pierścienie w kolejnych warstwach ustawiano tak, że zarys ścianki pierścienia górnego przechodził nad środkami dolnych trzech pierścieni sąsiadujących ze sobą. Wylot rury doprowadzającej solankę z modułu OMD do zbiornika umieszczono nad środkiem pierścienia postawionego na szczycie wieży, uzyskując podział strumienia cieczy na kilkanaście oddzielnych strug, które spływając w dół równomiernie zraszały całą powierzchnię wypełnienia. Rozproszony po ściankach pierścieni roztwór osmotyczny w formie filmu cieczy spływał do zbiornika jednocześnie odparowując do otoczenia. Obliczona powierzchnia odparowania wynosiła około 0,21 m². Instalacja OMD pracowała nieprzerwanie przez dwa dni, w tym czasie wilgotność powietrza wokół instalacji zmieniała się w granicach 55-62%. Uzyskane wyniki OMD z odparowaniem solanki z powierzchni pierścieni Białeckiego zamieszczono w Tabeli 4.An OMD installation was used and its operating parameters described in Example 3. The air temperature around the installation was 24-28 ° C. The tank 7 of the osmotic solution at the start of the measurements contained 6 dm ^{3 of} concentrated NaCl solution (brine). The top cover was removed from the tank and a filling tower 8 was placed inside the tank, set from 20 Białecki polypropylene rings (diameter 80 mm). In the lower layer, 7 pieces of adjacent wall rings were hexagonal, and the rings in successive layers were arranged so that the wall contour of the upper ring passed over the centers of the lower three adjacent rings. The outlet of the brine supply pipe from the OMD module to the tank was placed over the center of the ring placed on the top of the tower, dividing the liquid stream into several separate streams which, flowing down, evenly sprinkled the entire surface of the filling. The osmotic solution in the form of a liquid film, dispersed on the walls of the rings, flowed into the reservoir and evaporated to the environment at the same time. The calculated evaporation area was about 0.21 m ² . The OMD installation worked continuously for two days, during which time the air humidity around the installation was changing within 55-62%. The obtained results of OMD with the evaporation of brine from the surface of Białecki rings are presented in Table 4.

T a b e l a 4. Przebieg OMD z odparowaniem solanki na wypełnieniuT a b e l a 4. The course of OMD with brine evaporation on the filling

Godz. O'clock ^Tsolanka [°C] ^T brine [° C] ^Tnadawa [°C] ^T feed [° C] ^Tpowietrza [°C] ^T air [° C] Wilgotność [%] Humidity [%] N [dm³/m²h]N [dm ³ / m ² h] Cs [g NaCl/dm³]Cs [g NaCl / dm ³ ] ΔP [Pa] ΔP [Pa] 0 0 30,2 30.2 32,2 32.2 28,8 28.8 55 55 -- - 196,1 196.1 1060 1060 1 1 26,5 26.5 30,2 30.2 26,1 26.1 58 58 0,406 0.406 198,4 198.4 1197 1197 3 3 24,1 24.1 27,5 27.5 25,5 25.5 62 62 0,397 0.397 202,3 202.3 933 933 17 17 24,7 24.7 24,2 24.2 24,5 24.5 60 60 0,335 0.335 221,2 221.2 553 553 22 22 24,2 24.2 25,1 25.1 25,5 25.5 62 62 0,340 0.340 225,1 225.1 731 731 27 27 25,1 25.1 26,0 26.0 25,8 25.8 62 62 0,356 0.356 228,2 228.2 782 782

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

Zastosowano instalację OMD i parametry jej eksploatacji opisane w przykładzie 4. Nadawą była woda destylowana, którą dodatkowo ogrzewano grzałką o mocy 300 W. Temperatura powietrza wokół instalacji wynosiła 25-26°C. Instalacja OMD pracowała nieprzerwanie przez dwa dni, w tym czasie wilgotność powietrza wokół instalacji zmieniała się w granicach 60-64%. Uzyskane wyniki przebiegu procesu OMD z odparowaniem naturalnym solanki z powierzchni pierścieni Białeckiego z dodatkowym ogrzewaniem nadawy zamieszczono w Tabeli 5.The OMD installation was used and its operation parameters described in example 4. The source was distilled water, which was additionally heated with a 300 W heater. The air temperature around the installation was 25-26 ° C. The OMD installation worked continuously for two days, during which time the air humidity around the installation was changing within 60-64%. The obtained results of the OMD process with natural evaporation of brine from the surface of Białecki rings with additional heating of the feed are presented in Table 5.

PL 208 051 B1PL 208 051 B1

T a b e l a 5. Przebieg OMD z odparowaniem solanki na wypełnieniu i z ogrzewaniem nadawyT a b e l a 5. The course of OMD with evaporation of brine on the filling and heating of the feed

Czas [h] Time [h] ^Tsolanka [°C] ^T brine [° C] ^Tnadawa [°C] ^T feed [° C] Wilgotność [%] Humidity [%] N [dm³/m²h]N [dm ³ / m ² h] Cs [g NaCl/dm³]Cs [g NaCl / dm ³ ] ΔP [Pa] ΔP [Pa] 1 1 25,1 25.1 26,0 26.0 61 61 0,335 0.335 221,2 221.2 640 640 3 3 28,5 28.5 31,7 31.7 62 62 0,549 0.549 226,3 226.3 730 730 6 6 28,2 28.2 32,0 32.0 62 62 0,689 0.689 230,2 230.2 1251 1251 8 8 28,5 28.5 32,4 32.4 62 62 0,705 0.705 235,6 235.6 1330 1330 12 12 31,9 31.9 32,4 32.4 62 62 0,694 0.694 238,5 238.5 1133 1133 25 25 31,0 31.0 31,9 31.9 63 63 0,698 0.698 270,9 270.9 1135 1135 32 32 31,3 31.3 31,8 31.8 64 64 0,878 0.878 298,5 298.5 1273 1273

Zastrzeżenia patentowePatent claims

Claims

Zastrzeżenia patentowePatent claims

1. Sposób prowadzenia osmotycznej destylacji membranowej, w którym jako siłę napędową transportu masy wykorzystuje się gradient prężności pary przez membranę, który jest wytwarzany przez zastosowanie stężonego roztworu osmotycznego przepływającego wzdłuż powierzchni porowatej hydrofobowej membrany, znamienny tym, że odbierany z modułów membranowych rozcieńczony roztwór osmotyczny rozprowadza się w sposób wytwarzający rozbudowaną powierzchnię swobodną cieczy, którą kontaktuje się z powietrzem tworząc powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze, przy czym stosunek wielkość powierzchni międzyfazowej roztwór/powietrze do powierzchni membran zamontowanych w instalacji osmotycznej destylacji membranowej wynosi 1,1 przy wilgotności powietrza mniejszej od 50%, zaś gdy wilgotność powietrza mieści się w zakresie od 50 do 65% to stosunek ten wynosi od 1,1 do 2,3, przy czym roztwór osmotyczny po usunięciu nadmiaru wody jest zawracany do modułów membranowych.Method for carrying out osmotic membrane distillation, whereby a gradient of vapor pressure through the membrane is used as the driving force for mass transport, which is generated by the use of a concentrated osmotic solution flowing along the surface of a porous hydrophobic membrane, characterized in that the diluted osmotic solution received from the membrane modules distributes in a way that produces an extended free surface of the liquid, which contacts the air, creating a solution / air interface, with the ratio of the size of the solution / air interface to the surface of membranes installed in the osmotic membrane distillation installation is 1.1 at air humidity less than 50% and when the air humidity is in the range from 50 to 65%, the ratio is from 1.1 to 2.3, the osmotic solution being returned to the membrane modules after removal of excess water.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kontakt roztworu osmotycznego z powietrzem uzyskuje się tworząc powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze przez rozlanie zatężanego roztworu osmotycznego po rozległej powierzchni płaskiej typu zbiornikowego.2. The method according to p. The process of claim 1, wherein the contact of the osmotic solution with air is achieved by creating a solution / air interface by spreading the concentrated osmotic solution over an extensive flat surface of the reservoir type.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, ż e rozlewa się roztwór osmotyczny na głębokość nie przekraczającą 10 cm.3. The method according to p. The method of claim 2, characterized in that the osmotic solution is poured to a depth not exceeding 10 cm.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kontakt roztworu osmotycznego z powietrzem uzyskuje się tworząc powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze poprzez podzielenie roztworu osmotycznego na strumienie i krople cieczy, które rozdeszczowuje się nad powierzchnią płaską typu zbiornikowego.4. The method according to p. The process of claim 1, wherein the contact of the osmotic solution with air is achieved by creating a solution / air interface by dividing the osmotic solution into streams and droplets of liquid that are sprayed over a flat surface of the tank-type.

5. Sposób według zastrz. 1 i 4, znamienny tym, że kontakt roztworu osmotycznego z powietrzem uzyskuje się tworząc powierzchnię międzyfazową roztwór/powietrze przez wytworzenie filmu roztworu osmotycznego spływającego grawitacyjnie po powierzchni wypełnienia, które to wypełnienie umieszcza się na powierzchni płaskiej typu zbiornikowego, a elementy wypełnienia wykonano z materiału polipropylenowego, korzystnie pierścieni Białeckiego.5. The method according to p. The method of claims 1 and 4, characterized in that the contact of the osmotic solution with air is achieved by creating a solution / air interface by creating a film of the osmotic solution flowing by gravity on the surface of the filling, which filling is placed on a flat surface of the tank-type, and the filling elements are made of polypropylene material , preferably Białecki rings.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e podgrzewa się roztwór zatężany.6. The method according to p. The process of claim 1, wherein the concentrated solution is heated.

7. Układ do osmotycznej destylacji membranowej zawierający zbiornik roztworu zatężanego, pompę roztworu zatężanego, moduł OMD, zbiornik roztworu osmotycznego, pompę roztworu osmotycznego, znamienny tym, że zbiornik (7) roztworu osmotycznego jest otwarty do otoczenia, a nad nim znajduje się zadaszenie (13).7. System for osmotic membrane distillation, including a concentrated solution tank, a concentrated solution pump, an OMD module, an osmotic solution tank, an osmotic solution pump, characterized in that the osmotic solution tank (7) is open to the environment and there is a roof above it (13 ).

8. Ukł ad wedł ug zastrz. 7, znamienny tym, ż e głębokość czynna zbiornika (7) roztworu osmotycznego nie przekracza 10 cm.8. Layout according to claims The method of claim 7, characterized in that the active depth of the osmotic solution reservoir (7) does not exceed 10 cm.

9. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że układ wyposażony jest w system orurowania (9) do rozdeszczowania roztworu osmotycznego.The system according to p. The method of claim 7, characterized in that the system is provided with a piping system (9) for spraying the osmotic solution.

10. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że w zbiorniku (7) roztworu osmotycznego umieszczone jest wypełnienie (8) w postaci elementów wykonanych z materiału polipropylenowego, korzystnie pierścieni Białeckiego.10. The system according to p. The method of claim 7, characterized in that the filling (8) in the form of elements made of polypropylene material, preferably Białecki rings, is placed in the osmotic solution tank (7).

PL 208 051 B1PL 208 051 B1

11. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że zbiornik (2) roztworu zatężanego wyposażony jest w element wymiany ciepła służący do podgrzania roztworu zatężanego.11. The system according to p. The process of claim 7, characterized in that the concentrated solution tank (2) is provided with a heat exchange element for heating the concentrated solution.

12. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że układ wyposażony jest w urządzenia do regulacji temperatury roztworu zasilającego.12. The system according to p. The method of claim 7, characterized in that the system is provided with devices for regulating the temperature of the feed solution.