ES2199597T3 - Metodo y aparato para la eliminacion de substancias flotantes y sales de un liquido por medio de filtrado mediante membrana. - Google Patents
Metodo y aparato para la eliminacion de substancias flotantes y sales de un liquido por medio de filtrado mediante membrana.Info
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Abstract
Método para la eliminación de sustancias flotantes y sales en un líquido por medio de filtrado de membrana, en el que se utilizan solamente membranas de tipo arrollado en disposición vertical, placas y armazones, preferentemente membranas capilares o de tubos, que son adecuadas para nano- e hiper- filtración, y en el que se suministra líquido a dichas membranas, caracterizado porque dicho método es discontinuo y en el que se llevan a cabo de manera discontinua y repetida, así como consecutivamente etapas que comprenden: a) producir un producto de permeación sin descarga de concentrado durante un período de tiempo predeterminado; b) guiar a continuación un gas, por ejemplo aire, a lo largo de la membrana, sin descarga del producto de permeación y sin descarga del concentrado; c) descargar finalmente el concentrado sin descarga del producto de permeación.
Description
Método y aparato para la eliminación de
substancias flotantes y sales de un líquido por medio de filtrado
mediante membrana.
La presente invención se refiere, en primer
lugar, a un método para la eliminación de sustancias flotantes y
sales de un líquido, por medio de filtrado mediante membrana.
Es conocido, para eliminar sales de un líquido
por medio de nanofiltración y ósmosis inversa o hiperfiltrado, el
utilizar módulos de fibras arrolladas en espiral y fibras huecas.
Dado que cuando se utilizan dichos módulos de fibras en espiral y/o
fibras huecas, el líquido tiene que encontrarse libre de sustancias
flotantes (puesto que estos módulos se taponarían) es necesaria una
drástica limpieza previa del líquido, por ejemplo, por medio de
filtrado en arena y/o microfiltrado, o bien ultrafiltrado,
respectivamente. Esto significa que se necesitaría un método de dos
etapas.
Uno de los problemas que se encuentran con el
filtrado de membranas es la llamada concentración de polarización
de los componentes presentes (tales como sales, sustancias en
flotación y otras sustancias). A causa del flujo de líquido a
través de una membrana (producción de producto de permeación) las
sales son todas forzadas en la dirección de la membrana. Esto
produce una concentración que, en las proximidades de la membrana,
es superior a la concentración promedio del volumen o masa en
consideración. A este fenómeno es al que se llama polarización de
concentración. Cuando la solubilidad de producto de la
correspondiente sal se supera, esta sal puede precipitar sobre la
membrana, teniendo una influencia negativa en el funcionamiento de
la membrana. La precipitación de la sal se puede impedir por
añadidura de productos químicos (que comprenden una reducción de la
sobresaturación en el volumen por añadidura de un ácido y/o un
antiprecipitante) o por medio de una operación llamada de flujo
cruzado.
El método conocido de dos etapas tiene varias
desventajas. Tanto durante la primera etapa (filtrado en arena y/o
microfiltrado o ultrafiltrado respectivamente), como también
durante la segunda etapa (nanofiltración o hiperfiltración,
respectivamente) tiene lugar la producción de un concentrado. La
producción total de concentrado finalmente obtenida es, por lo
tanto, elevada. Además, siempre tiene lugar la producción con
arrollamiento en espiral y módulos de fibras huecas en condiciones
continuas (es decir, producción continua del producto de permeación
y eliminación continua del concentrado) a efectos de disminuir la
polarización de concentración que se ha mencionado anteriormente.
Estas condiciones operativas continuas llevan a un elevado consumo
energético y, dado que la presión disminuye (comprendiendo una
válvula de control de concentrado) en el lado correspondiente a la
eliminación del concentrado, se produce una significativa pérdida
de energía. Finalmente, se ha demostrado en la práctica que el
arrollamiento en espiral y/o módulos de fibras huecas se deben
cambiar muy frecuentemente, lo que hace las instalaciones, que
comprenden estos módulos, bastante onerosas en su utilización.
La patente
USA-A-5 690 830 da a conocer un
aparato para la eliminación de sustancias flotantes y sales.
La patente
USA-A-3 992 301 da a conocer un
método discontinuo para la eliminación de sustancias y sales de un
líquido por medio de una membrana.
La patente GB-A-1
535 832 da a conocer un método para la eliminación de sustancias y
sales de un líquido por medio de una membrana de filtrado, un
método para limpieza de las membranas y un aparato para llevar a
cabo el método.
La presente invención está destinada a dar a
conocer un método según la reivindicación 1.
De acuerdo con el método de la presente
invención, se lleva a cabo la eliminación de sustancias flotantes y
sales de líquido en una etapa, sin limpieza previa excesiva. Las
membranas capilares o tubulares (que tienen, por ejemplo, un
diámetro de 0,5 a 25mm) están posicionadas verticalmente a efectos
de hacer posible la utilización de un gas (por ejemplo aire) durante
la etapa "b".
Durante la primera etapa (etapa "a") no
tiene lugar eliminación de concentrado. Como resultado de ello,
cerca de la superficie de la membrana se produce una llamada capa
límite que comprende una concentración elevada de partículas/sales
(la llamada polarización de concentración). Esto es aceptable
durante un corto periodo de tiempo, sin que el funcionamiento de la
membrana correspondiente quede influenciada negativamente. Es
posible recircular el concentrado durante la etapa "a" sin
eliminación del concentrado. Durante la etapa subsiguiente (etapa
"b") se lleva a cabo la entrada de gas, que provoca la mezcla
del líquido en la membrana capilar o tubular y que provoca la
eliminación de la polarización de concentración que se ha obtenido.
Durante esta introducción de aire no tiene lugar todavía la
eliminación del concentrado. Finalmente, durante la última etapa
(etapa "c") se interrumpe la eliminación del producto de
permeación y se hace una conmutación para eliminar el concentrado.
De esta manera, las sustancias en flotación que han sido recogidas
y también las sales que se han acumulado, son eliminadas. A
continuación se repiten estas etapas.
Dado que se utiliza un método de una sola etapa,
la producción de concentrado es mucho más baja que con cualquier
otro método conocido. El funcionamiento discontinuo utiliza también
menos energía, mientras que el cambio de módulos de filtrado tiene
que ser llevado a cabo con menor frecuencia.
Dentro del campo de la presente invención existen
varias posibilidades. Una realización preferente del método, según
la invención, consiste en eliminar durante la etapa "c" el
concentrado, lo cual se lleva a cabo por una alimentación combinada
de líquido/gas. En este caso, también la posición vertical comporta
ventajas. La entrada de líquido/gas a lo largo de la membrana
provoca una elevada turbulencia y una elevada velocidad del agua,
así como un elevado esfuerzo de cizalladura, respectivamente, sobre
la superficie de la membrana, lo que proporciona una eliminación
muy eficaz de contaminación de la membrana. Se observará que esta
técnica es conocida en sí misma por la micro y ultrafiltración (tal
como en los llamados biorreactores de membrana).
Además, existe la posibilidad de que, de manera
conocida en sí misma, durante la etapa "c" se añadan productos
químicos al líquido.
El método, según la presente invención, puede ser
llevado a cabo de manera efectiva si, durante la etapa "b", el
suministro de gas tiene lugar a una presión menor que la presión
durante la fase "a". Durante la fase "a", es decir,
durante la producción (de producto de permeación), se produce una
elevada presión, mientras que durante la introducción de gas en la
etapa "b" existe una presión baja, durante la cual la
producción termina durante un corto periodo de tiempo. En
principio, esta baja presión se mantendrá durante la etapa "c",
de manera tal que se consigue un bajo consumo energético (el
concentrado es eliminado de forma discontinua y a baja presión por
medio de una válvula abierta/cerrada, de acuerdo con la invención,
mientras que según el estado de la técnica se utiliza una válvula
de estrangulación a efectos de disminuir la elevada presión inicial
de concentrado y que solamente se obtiene con una elevada pérdida
de energía).
La producción del producto de permeación sin
eliminación de concentrado es permisible durante un corto periodo
de tiempo. No obstante, si la polarización de la concentración
llega a un valor demasiado elevado, se tiene que iniciar la etapa
"b". A este respecto, de acuerdo con una realización del
método, según la invención, el tiempo durante el cual se lleva a
cabo la etapa "a" se determina por el incremento de la
resistencia a la presión que encuentra el producto de permeación
sobre la membrana. Cuanto mayor es el incremento de la polarización
de concentración, así como la precipitación sobre la superficie de
la membrana, más difícil es el flujo de producto de permeación a
través de la membrana, lo cual incrementa también la resistencia a
la presión. La determinación de esta resistencia a la presión puede
tener lugar, por ejemplo, por medio de un número de revoluciones de
la bomba de suministro de líquido, cuyo número de revoluciones
disminuye al aumentar la resistencia a la presión.
A efectos de incrementar el funcionamiento y
limpieza de las membranas, se menciona que se pueden añadir carbón
pulverizado y/o floculantes u otros aditivos. Además, es posible
que durante la etapa "a" y/o durante la etapa "b" y/o
durante la etapa "c" se lleve a cabo recirculación del
concentrado sobre la membrana. Esta adición de carbón pulverizado
y/o de floculantes, así como la posible recirculación de un
concentrado sobre la membrana, son conocidos en sí mismos,
llevándose a cabo asimismo según el estado de la técnica (por
ejemplo con micro y ultrafiltración).
La presente invención se refiere también a un
aparato para eliminar sustancias flotantes y sales de un líquido
por medio de una membrana de filtrado, según la reivindicación
7.
Con el aparato objeto de la presente invención se
puede llevar a cabo el método antes mencionado.
De acuerdo con una realización preferente, los
medios de control son tales que, durante la etapa "c", el
suministro de gas queda también abierto. La apertura del suministro
de gas facilita un suministro combinado de líquido/gas. De esta
manera, tal como se ha mencionado anteriormente, se puede obtener
una eliminación efectiva de la contaminación por la membrana.
Son realizaciones preferentes del aparato, según
la invención, entre otras: la utilización de un dispositivo para
añadir productos químicos al líquido, durante la etapa "c",
medios para controlar la presión de suministro del gas y/o del
líquido (tal como, por ejemplo, el suministro de gas durante la
etapa "b" a presión más baja que la presión operativa durante
la etapa "a"), sensores conectados a los medios de control
para determinar la resistencia a la presión que encuentra el
producto de permeación a través de la membrana (para determinar el
tiempo óptimo para la etapa "a"), medios para añadir al líquido
carbón pulverizado y/o floculantes (lo que disminuye el
taponamiento de la membrana) y la utilización de un tubo de
recirculación que conecta el tubo de descarga de concentrado con el
tubo de suministro de líquido a efectos de hacer posible que, tanto
durante la etapa "a" como durante la etapa "b", así como
durante la etapa "c", se puede llevar a cabo la recirculación
del concentrado, a efectos de disminuir la polarización de la
concentración.
La invención se describirá a continuación
mediante el dibujo que muestra esquemáticamente un aparato para
llevar a cabo el método según la invención.
La figura 1 muestra esquemáticamente una
realización del aparato según la invención y
Las figuras 2 a 4 muestran una realización algo
modificada del aparato según la invención durante tres etapas
subsiguientes.
La figura 1 muestra esquemáticamente un aparato
para eliminar sustancias flotantes y sales de un líquido por medio
de filtrado por membrana. El aparato comprende en disposición
vertical membranas capilares o tubulares M destinadas a llevar a
cabo una nano- o hiper-filtración, un conducto V
para suministro de líquido, un tubo P de descarga del producto de
permeación y un tubo C de descarga de concentrado. Paralelamente al
conducto V de suministro de líquido y terminando en el mismo se ha
dispuesto un conducto L de suministro de aire. Para transportar el
líquido y el aire se han dispuesto la bomba P1 y el compresor C1,
mientras que se ha dispuesto además en la conducción de suministro
de líquido V una válvula de control K1, en el conducto P de
descarga de permeación se ha dispuesto una válvula de control K2,
en el tubo C de descarga de concentrado se ha dispuesto una válvula
de control K3 y en el conducto de suministro de aire L se ha
dispuesto una válvula de control K4. Además, se ha mostrado un
conducto de recirculación R, junto con una bomba P2, cuyo conducto
de recirculación R conecta el conducto C de descarga de concentrado
a un conducto V de suministro de líquido.
El conducto R de recirculación mostrado en la
figura 1 se puede omitir en caso deseado. El método de la invención
que se puede llevar a cabo mediante este aparato no depende de este
conducto de recirculación R. A este propósito, haciendo referencia
a las figuras 2 a 4, este método se describirá sin tomar en cuenta
este conducto de recirculación.
Antes de explicar el método que se puede llevar a
cabo por medio de este aparato, se indicará lo siguiente. Las
válvulas de control K1 a K4 (y la bomba P1, compresor C1 y, si
existe, la bomba P2) se conectan a medios de control que no se han
mostrado en la figura. Estos medios de control pueden comprender una
unidad de control que es conocida en sí misma, tal como un
microprocesador, etc..
La figura 2 muestra la primera etapa para llevar
a cabo el método según la invención con el aparato mostrado. La
válvula de control K1 en el tubo de suministro de líquido V y la
válvula de control K2 en el tubo P de descarga de producto de
permeación están abiertas. Las válvulas de control K3 y K4 en el
tubo C de descarga de concentrado y el tubo L de suministro de aire,
respectivamente, están cerradas. Por medio de la bomba P1 a una
elevada presión operativa, se suministra líquido a la membrana M,
de manera tal que se produce un producto de permeación. Este
producto de permeación es descargado a través del tubo P para
descarga del mismo. Cerca de la membrana se consigue el desarrollo
de una capa límite que contiene una elevada concentración de sal
(polarización de concentración). Asimismo, las sustancias flotantes
se eliminan del líquido.
Después de un cierto tiempo, se lleva a cabo la
etapa mostrada en la figura 3, es decir, la segunda etapa. El
período de tiempo durante el cual se lleva a cabo la primera etapa
hasta el momento en el que se inicia una segunda etapa, se puede
determinar por medio del incremento de la resistencia a la presión
el producto de permeación que encuentra a través de la membrana M.
Una base para ello puede ser, por ejemplo, el número de
revoluciones de la bomba P1. Durante la segunda etapa, las válvulas
de control K1 y K2 en el conducto V de suministro de líquido y el
conducto P de descarga del producto de permeación están cerrados.
Las válvulas de control K3 en el conducto C de descarga de
concentrado están todavía cerradas. La válvula de control K4 del
conducto L de suministro de aire se encuentra, no obstante,
abierta, de manera tal que, debido a la posición vertical de la
membrana M, pasa el aire a lo largo de la membrana y se produce la
entrada del mismo. Debido a esta entrada de aire, se produce una
mezcla del líquido, de manera tal que se elimina la polarización de
concentración existente. Esta acción del aire no tiene lugar
durante la presión operativa alta (puesto que la válvula de control
K1 está cerrada asimismo), pero tiene lugar preferentemente bajo
una presión más reducida. Durante esta acción del aire, debido a la
disposición cerrada de la válvula de control K3 en el conducto C de
descarga de concentrado, todavía no se descarga concentrado. La
cantidad de líquido que se desplaza por acción del aire se puede
contener temporalmente en un dispositivo tampón (no mostrado).
La última etapa para llevar a cabo el método de
acuerdo con la invención se ha mostrado en la figura 4. La válvula
de control K2 en el conducto P de descarga del producto de
permeación está cerrada, mientras que las otras válvulas de control
K1, K3 y K4 están abiertas. A continuación, preferentemente a baja
presión, tiene lugar una acción combinada de líquido y aire a lo
largo de la membrana M, a efectos de eliminar las sustancias
flotantes y también las sales que se han acumulado a lo largo de la
membrana.
Después de la terminación de la etapa mostrada en
la figura 4, se lleva a cabo nuevamente la etapa mostrada en la
figura 2 y el método se repite. Por lo tanto, el método es un
método discontinuo que comprende la producción de producto de
permeación de modo discontinuo y una descarga discontinua del
concentrado. Dado que durante la etapa mostrada en la figura 4 se
descarga un concentrado a baja presión, se produce solamente una
reducida pérdida de energía. Además, dado que no es necesario
llevar a cabo una limpieza previa (por ejemplo, filtrado de arena
y/o microfiltrado o ultrafiltrado respectivamente) se obtiene una
producción más baja de concentrado que de acuerdo con el método
conocido por el estado de la técnica.
Las conducciones de suministro para la
alimentación de productos químicos, carbón pulverizado y/o
floculantes que terminan en el tubo V de suministro de líquido, no
se han mostrado en las figuras. El efecto de estas sustancias es
conocido por el estado de la técnica (micro/ultrafiltrado).
Tal como se ha mencionado anteriormente, en la
realización según las figuras 2 a 4 se puede utilizar un conducto
de recirculación R que puede ayudar a reducir la polarización de la
concentración.
Es evidente que los medios de control de la
presión de suministro de aire y del líquido pueden formar parte de
la bomba P1 y del compresor C1.
Claims (13)
1. Método para la eliminación de sustancias
flotantes y sales en un líquido por medio de filtrado de membrana,
en el que se utilizan solamente membranas de tipo arrollado en
disposición vertical, placas y armazones, preferentemente membranas
capilares o de tubos, que son adecuadas para nano- e hiper-
filtración, y en el que se suministra líquido a dichas membranas,
caracterizado porque dicho método es discontinuo y en el que
se llevan a cabo de manera discontinua y repetida, así como
consecutivamente etapas que comprenden:
a) producir un producto de permeación sin
descarga de concentrado durante un período de tiempo
predeterminado;
b) guiar a continuación un gas, por ejemplo aire,
a lo largo de la membrana, sin descarga del producto de permeación
y sin descarga del concentrado;
c) descargar finalmente el concentrado sin
descarga del producto de permeación.
2. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque durante la etapa c) se descarga el
concentrado por un suministro combinado de líquido/gas.
3. Método, según la reivindicación 2,
caracterizado porque durante la etapa c) se añaden productos
químicos al líquido.
4. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque durante la etapa b) se lleva a cabo el
suministro de gas a una presión inferior a la presión operativa
durante la etapa a).
5. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque se añade carbón y/o floculantes al
líquido.
6. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque durante la etapa a) y/o la etapa b) y/o
la etapa c) se lleva a cabo la recirculación del concentrado a
través de la membrana.
7. Aparato para la eliminación de sustancias
flotantes y sales de un líquido por medio de filtrado de membrana,
que comprende un conducto de suministro de líquido, un conducto de
descarga de producto de permeación, un conducto de descarga de
concentrado, membranas solamente dispuestas verticalmente arrolladas
en espiral y de placa y armazón, preferentemente membranas
capilares o de tubos, que son apropiadas para nano- o hiper-
filtración, un tubo de suministro de gas conectado al conducto de
suministro de líquido y que termina en el conducto de suministro de
líquido, válvulas de control para apertura y cierre del conducto de
suministro de líquido, conducto de suministro de gas, conducto de
descarga de producto de permeación y tubo de descarga de
concentrado, caracterizado por medios de control para
controlar las válvulas de control, de manera que de forma repetida
y consecutiva:
a) el conducto de suministro de líquido y el
conducto de descarga del producto de permeación se abren y el
conducto de suministro de gas y el tubo de descarga de concentrado
se cierran, durante un período de tiempo previamente
determinado;
b) a continuación se abre solamente el conducto
de suministro de gas;
c) finalmente se cierra el conducto de descarga
de producto de permeación y se abren como mínimo el conducto de
suministro de líquido y el conducto de descarga de concentrado.
8. Aparato, según la reivindicación 7,
caracterizado porque los medios de control son tales que
durante la etapa c) se abre también el conducto de suministro de
gas.
9. Aparato, según la reivindicación 8,
caracterizado porque se disponen medios para añadir
productos químicos al líquido durante la etapa c).
10. Aparato, según la reivindicación 7,
caracterizado porque se disponen medios para controlar la
presión de suministro del gas y/o líquido.
11. Aparato, según la reivindicación 7,
caracterizado porque se conectan sensores a los medios de
control para determinar la resistencia a la presión que se
encuentra por el producto de permeación a través de la membrana.
12. Aparato, según la reivindicación 7,
caracterizado porque se disponen medios para añadir carbón
pulverizado y/o floculantes al líquido.
13. Aparato, según la reivindicación 7,
caracterizado por una conducción de recirculación que
conecta el conducto de descarga de concentrado con el conducto de
suministro de líquido.
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