NO781173L - Renseapparat samt fremgangsmaate for fremstilling av samme - Google Patents

Description

Et renseapparat som er beskrevet i søkerens tidligere US-patentsøknad nr. 617 683 innbefatter en stabel membranpakker, samt en stabel pakningsringer som adskiller membranpakkenes omkretspartier slik at membranpakningene holdes i en viss avstand fra hverandre. Høytrykks-matefluid strømmer gjennom rommene mellom membranpakkene, og rent fluid, i det følgende kalt filtrat, strømmer gjennom membranene i pakkene og deretter til pakkenes omkrets hvor filtratet strømmer ut og samles. Det øvrige matefluid, eller konsentratet, strømmer gjennom på linje innrettete utløpsåp-ninger i membranpakkene og ut fra stabelens ene ende. Membranene er vanligvis av en type som alltid må holdes fuktige for å hindre at de skades.

Ved konstruksjon av membranpakkene må det nøye påses at membranene fastholdes til bæreren, særlig ved utløpsåpningene,

idet bare en liten spalte mellom membranen og bæreren ved en ut-løpsåpning kan medføre at konsentrat strømmer inn og forurenser filtratet som strømmer gjennom bæreren. Mekanisk tetning- og fast-holdingsinnretninger, så som maljer o.l., er ikke tilfredsstillen-de etter som de nødvendigvis vil rage et stykke over membranover-flatene og således nødvendiggjøre større avstand mellom membranpakkene, hvilket igjen fører til at apparatet får mindre gjennom-strømningskapasitet. Videre er mekaniske tetninger mindre pålitelige når membranpakningene må rotere hurtig. Det kan også oppstå problemer med å sikre at filtratet strømmer ut gjennom bæreren, etter som pakningsringer som adskiller pakkene trykkes med stor kraft mot pakkenes omkretspartier for å hindre utstrømning av matefluid,. og en stor trykkraft kan bryte ned et ark filterpapir slik at meget lite filtrat vil strømme gjennom filterarket.

Ifølge en utføringsform av foreliggende oppfinnelse tilveiebringes membranpakker, som bare slipper gjennom filtratdelen av et matefluid, idet pakkene er slik konstruert at de kan konstrueres økonomisk, installeres i et kompakt arrangement hvor pakkene holdes i liten avstand fra hverandre, og anvendes på pålitelig måte og føre filtrat utover gjennom pakkene samtidig som slikt filtrat hindres fra å bli forurenset av matefluidet. Hver membranpakke kan utformes med utløpsåpninger som strekker seg gjennom hele pakken, innbefattende membranene og porøse ark som understøtter membranene. Det område av de porøse ark som omgir utløpsåpningene er av-tettet med et bindemiddel, idet bindemidlet også fastholder membranene til de porøse ark.

I et renseapparat hvor pakningsringpartier er anordnet mellom membranpakkene for å frembringe store trykk som hindrer utstrømning av matefluid, hindres fullstendig sammenbrudd av mem-branpakkebæreren ved anvendelse av et ytterligere plastark under det porøse ark. Plastarket har kanaler som fører filtrat over membranpakkens sammenpressede område.. Ved store filtratstrømmer kan plastarket konstrueres med kanaler fordelt over vesentlig hele overflaten til membranpakkene, for å lette filtratutstrømningen.

De nye trekk ved oppfinnelsen er angitt i kravene. Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvis-ning til tegningen.

Fig. 1 er et perspektivriss av et separeringsapparat ifølge

foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 er et snitt langs linjen 2-2 på fig. 1.

Fig. 3 er et perspektivriss av et parti av apparatet på fig. 2.

Fig. 4 er et snitt langs linjen 4-4 på fig. 3.

Fig. 5 er et riss langs linjen 5-5 på fig. 4.

Fig. 6 er et snitt gjennom en injeksjonsdyse, og viser hvorledes den anvendes ved konstruksjonen av et parti av membranpakken på fig. 4. Fig. 7 er et perspektivriss av et utsnitt av et bærerark ifølge

en annen utføringsform av oppfinnelsen.

Fig. 8 er et utsnitt av en membranpakke som innbefatter bærer-elementet på fig. 7, og viser det montert i et separeringsapparat. Fig. 9 er et utsnitt av en membranpakke ifølge en annen utfø-

ringsform av oppfinnelsen.

Fig. 10 er et utsnitt av en membranpakke ifølge en annen utføringsform av oppfinnelsen. Fig. 1 illustrerer et separerings- eller renseapparat 10 som innbefatter en rotor 20 med et matefluidinnløp 12 som mottar et matefluid som f.eks. urent vann fra en pumpe 14. Rotoren innbefatter også et utløp 16 gjennom hvilket et filtrat, f.eks. rent ferskvann, kan avgis, og et utløp 18 gjennom hvilket et konsentrat, f.eks. meget urent vann, leveres. Rotoren 20 er dreibart montert på en akse 22 og dreies ved hjelp av en motor 24.

Som illustrert i fig. 2 innbefatter rotoren 20 en stabel membranpakker 26 med omkretspartier 26p innbyrdes adskilt ved hjelp av en stabel pakningsringer 28, og med navpartier 26h innbyrdes, adskilt ved hjelp av en stabel skilleelementer 30. Matefluid som kommer inn ved innløpet 12 strømmer inn ved aksielle spor 32 i skilleelementene og inn i rommene 34 mellom membranpakkene. Hver membranpakke omfatter et par membraner og en bærer som er innlagt mellom membranene. Idet trykkmatefluidet strømmer mellom membranpakkene kan fluidets ferskvannskomponent trenge gjennom (ved filtre-ring eller omvendt osmose, avhengig av de spesielle membraner) membranene. Ferskvannskomponenten strømmer deretter radielt utover langs membranpakkens innside til dens omkretskant 48. Ferskvann eller annet filtrat kan deretter strømme radielt utover gjennom slisser 50 i pakningsringene, og mot en mantel 52 som samler filtratet. Matefluid som ikke trenger gjennom membranpakkene, og som derfor konsentreres med ikke-filtrert eller tilbakeholdt materiale, strømmer gjennom på linje innrettede åpninger 54 i pakningene til en topp-plate 56 på rotoren., og deretter ut gjennom konsentratutlø-pet 18.

Som illustrert i fig. 4 innbefatter membranpakkens 26 bærer 40 et par porøse plater 60, 62 samt en ledningsplate 64 av preget plast. De porøse plater 60,62 som har stor fasthet i fuktig tilstand og som er meget gjennomtrengelige, understøtter membranene 36,38 i pakken. De porøse plater 60,62 slipper også gjennom ferskvann eller annet filtrat inn i ledningsplaten 64. Bæreplatene 60,62 kan være filterpapir av den type som benyttes i oljefiltere og som skilleelementer mellom batteriplater, eller de kan være plater av hvilken som helst type som har høy gjennomtrengelighet og fasthet i fuktig tilstand. Ledningsplaten 64, som også er vist i fig. 5, har radielle kanaler 66 langs hvilke filtratet lett kan strømme, mot membranpakkens omkrets. Vevet duk kan benyttes som ledningsplater for å tilveiebringe radielle kanaler for filtratet, men den pregede plastplate kan fremstilles billig. Som vist i fig. 5 inneholder den pregede plast-ledningsplate 64 mange fine kanaler 66 som strekker seg hovedsakelig radielt langs platen for å danne radielle kanaler for filtratet. I et område rundt utløpsåpningen 54 er platen imidlertid upreget. Det upregede parti har ingen kanaler som matefluid kan trenge inn gjennom, og det oppviser en jevn overflate som bindemidlet kan klebes til.

Med filtrat så som ferskvann strømmende radielt langs bæreren 40, og med konsentrat så som vann med høy komsentrasjon av bakterier eller salt, strømmende i lengderetningen gjennom utløpsåpningene 54, er det viktig å avtette områdene rundt utløps-åpningene i membranpakkene for å hindre inntrengning av konsentrat i bæreren 40.Det er mulig å bruke mekaniske tetninger så som gummi-maljer, men de ville oppta uforholdsmessig stor plass mellom pakkene, de ville utsettes for uforholdsmessig stor belastning på grunn av sentrifugalkrefter når pakkene dreier hurtig rundt, og de er ikke så pålitelige som ønskelig.

Ifølge foreliggende oppfinnelse avtettes utløpsåpningene ved at bærerens porøse plater impregneres med et bindemiddel 70 (fig. 4) som tettende forsegler membranene 36,38 til de porøse bæreplater 60,62. Derved tilveiebringes en frittstående tetning (en tetning som ikke krever ytre mekanisk trykk) som ikke bare forsegler membranene til bæreren, men som også avtetter papir-bæreplatene mot gjennomstrømning av konsentratfluid ved kapillar-virkning eller på annen måte, i området nær utløpsåpningen 54,

og som også forsegler bærepapiret til den pregede plast-ledningsplate 64..

De best egnede membrantyper som kan skaffes for mange anvendelser, særlig for omvendt osmose, må alltid holdes fuktige for å hindre at de skades. Slike membraner tåler vanligvis ikke moderat høye temperaturer så som 150°C, hvor visse bindemidler herder best. For å avtette de porøse plater og feste dem til membranene anvendes et trykkpåvirkbart bindemiddel som ikke kan fuktes av vann, dvs. et hydrofobt bindemiddel, f.eks. av silikon-typen. Silikon har en lavere overflateenergi enn så godt som alle kjente, materialer (unntatt Teflon) , slik at det i høy grad motstår fuktpåvirkning fra så godt som alle andre materialer

innbefattende vann.

Hver membranpakke konstrueres ved å skjære store

sirkler (f.eks. sirkler med 60 cm diameter) ut fra plast-

plater, plater av porøst materiale f.eks. filterpapir, og plater av membranmateriale, idet' store åpninger utformes i sirklenes midt-parti og mindre utløpsåpninger ved 54 nær omkretsen. Plastarket preges for å danne spor som vist i fig. 5. Hver plate av porøst materiale innsettes med bindemiddel rundt dens store midtåpning og rundt hver utløpsåpning, ved å plassere en form rundt platepartiet og innsprøyte bindemiddel i formen.

Fig. 6 viser en form 72 som innbefatter to deler 74,76 som holdes sammen ved hjelp av en mutter 78. Den porøse plate 60 er fastklemt mellom formdelene slik at en stamme 80 på en av formdelene rager gjennom en utløpsåpning 54p i den porøse plate. Uher-det, trykkpåvirkbart silikonmateriale presses deretter gjennom et innløp 82 i formen og strømmer derfra gjennom løpeganger 84 som fører til det parti av den porøse plate som omgir utløpsåpningen 54p. Klebematerialet strømmer gjennom porene i platen slik at det impregnerer, og således avtetter eller forsegler, det parti av den porøse plate som omgir dens utløpsåpning. Fordelene har utsparin-ger 86,88 under nivået til de omgivende formflater 90,92 som klem-mer fast mot den porøse plate 60, slik at et tynt lag bindemateria-le blir liggende på toppen av motsatte overflater på den porøse plate 60 ved de områder av denne som omgir utløpsåpningen.

Etter at silikonmaterialet er innsprøytet, fjernes formen og bindemidlet får tørke etter overflødig løsningsmiddel er fjernet. Den porøse plate plasseres deretter i en ovn ved en temperatur på f.eks. 150°C i 5 minutter for å bevirke tverrbinding i bindemidlet, hvilket vesentlig øker bindemidlets kohesjonskraft. Deretter settes pakken sammen på en holder-innretning, med den pregede plastplate innlagt mellom et par porøse plater som igjen er innlagt mellom et par membraner. Enheten presses deretter sammen for å binde membranene og den pregede plastplate til de porøse plater. Det skal bemerkes at de porøse plater er gjennomfuktet i vann før de monteres til membranene som også er fuktige, for å sikre at membranene ikke skal tørke. Bruken av ikke-fuktbart bindemiddel gjør det ikke bare mulig å forbinde den fuktige porøse plate med den fuktige membran, men forbedrer også avtettingen av den porøse plate rundt dens utløpsåpninger. Selv om en sprekk skulle utvikles i det bindemiddelimpregnerte område av den porøse plate, vil denne sprekk eller eventuelle fibre langs denne, ikke virke som en veke som trekker inn konsentratfluid, etter som bindemidlet er hydrofobt. Istedenfor å bruke et trykkpåvirkbart bindemiddel, kan man bruke en type som herder i berøring med membranen. Dette ville imidlertid kreve at pakken holdes lenger på holderinn-retningen mens bindemidlet herder.

I enkelte rensemaskiner hvor der er liten gjennomstrøm-ning gjennom membranene, kan man benytte en enkelt plate av filterpapir som bærer, uten å benytte den pregede plastplate på fig. 5. Dette skyldes at filterpapiret tåler en moderat utadrettet filtrat-strømning langs filterpapiret. For lett håndtering er det imidlertid hensiktsmessig å bruke en forholdsvis stiv plate, f.eks. en plate av forholdsvis stiv plast tykkere enn ca. 0,125 mm. En slik plate kan benyttes uten kanaler, som en midtre bæreplate, når den innlegges mellom et par plater av filterpapir éller lignende.

I systemer hvor store fluidtrykk anvendes, kan filterpapiret bli sammentrykket i en slik grad, ved det område hvor pakningsringene 28 (fig. 2) trykker mot membranpakkene, at filtratet ikke kan strømme utover forbi sammentrykningsområdet. Fig. 7 og 8 viser en ledningsplate i00 som har kanaler eller spor 102 bare ved det område hvor pakningsringene trykker meget hardt mot membranpakken. Fig. 8 viser en pakningsring 28 med en innvendig flens eller tetningskant 104 som tvinger membranpakken sammen slik at det dannes en tetning som hindrer utstrømning av matefluid. Selv om filtrat ikke kan trenge gjennom den porøse plate 60 ved området over tetningskanten 104, kan slikt filtrat strømme utover gjennom sporene 102 i ledningsplaten.

Når matefluidet har meget høyt trykk, f.eks. omkring

60 kp/cm 2 , er det fare for at også o en konstruksjon som den på o fig.

8 viste vil være utilstrekkelig, fordi pakningsringens tetningskan-ter 104 kan presse de porøse plater 60 dypt inn i sporene 102 i ledningsplaten slik at disse spor blokkeres. Fig. 9 viser en annen konstruksjon av en membranpakke, lik den som er vist på fig. 8, bortsett fra at et par stive plater 110,112 av et materiale så som Mylar, er plassert på hver side av ledningsplaten 100. De stive plater 110,112 hindrer at papirbæreplaten 60 blir presset inn i sporene 102 i bæreplaten og hindrer derfor blokkering av slike spor.

Fig. 10 viser en ytterligere membranpakkekonstruksjon

som hindrer blokkering av kanalene i en ledningsplate ved områdene

J

hvor pakningsringene presses hardt mot membranpakken. I denne konstruksjon anvendes to plast-ledningsplater 116,118 som1 hver har pregede spor 120,122 som strekker seg bare delvis gjennom lednings-platene, og med disse plater orientert slik at sporene 120,122 vender mot hverandre. Dette innebærer at de sammentrykkede porøse plater så som en 60 ikke kan trykkes inn i sporene for blokkering av disse. Det er utformet åpninger 124 som muliggjør innstrømning av filtrat i sporene 120,122.

En membranpakke som er blitt utviklet som den på fig. 4 viste type, anvender en ledningsplate 64 av meget slagfast styren med en tykkelse på 0,254 mm, porøse plater 60,62 av filterpapir med en tykkelse på 0,635 mm for hver plate, og membraner 36,38 hver med en tykkelse på 0,064 mm. Membranpakkens totale tykkelse blir derved ca. 1,6 5 mm. I en annen membranpakke anvendte man bare én enkelt plate filterpapir innlagt mellom to membraner, idet filterpapiret hadde en tykkelse på ca. 1,27 mm, mens pakningsringene hver hadde en tykkelse på ca. 0,064 mm, hvilket ga en total tykkelse av membranpakken på ca. 1,52 mm.

Oppfinnelsen tilveiebringer således tynne, pålitelige og produksjonsmessig økonomiske membranpakker for et renseapparat. Membranene i pakkene fastholdes til bærere i pakningene ved hjelp

av et bindemiddel som impregnerer porøse plater som bærer membranene. Bindemidlet kan være av en trykkpåvirkbar, hydrofob type så som silikon, for å lette sammenføyning av fuktige membraner Bindemidlet kan tilsettes ved å holde de porøse plater i en form som har ut-sparinger hvorved bindemiddellag dannes på toppen av platen. Den porøse plate med bindemidlet kan deretter varmherdes og deretter fuktes og forbindes med den fuktige membran. For å hindre blokkering av bæreren anvendes en 'ledningsplate-med spor som strekker seg over det parti hvor det høyeste virker på membranpakkene for å avtette dem, slik at filtratet kan strømme ut gjennom disse spor.

Selv om spesielle utføringsformer av oppfinnelsen er vist og beskrevet skal det forståes at modifikasjoner og endringer.vil være åpenbare for en fagmann på området, og følgelig skal kravene tolkes slik at de dekker slike modifikasjoner og ekvivalente løs-ninger .

Claims (16)

1. Membranpakke for å slippe gjennom et filtratfluid og stoppe et avfallsmateriale,karakterisert vedat den omfatter en midtre bærerflate, et par filterplater av porøst materiale som ligger sideveis umiddelbart over motstående sider på bæreplaten, samt et par membraner som ligger sideveis umiddel- bart over hver filterplate, idet midtplaten er utformet av et materiale som er stivere enn det porøse materiale i filterplatene, hvorved det tilveiebringes en lett håndterbar membranpakke.
2. 2. Membranpakke ifølge krav 1,karakterisertved at midtplaten har et antall kanaler som er utformet langs pla-tens plan, for å føre fluid langs disse.
3. 3. Membranpakke ifølge krav 1,karakterisertved at den omfatter en mengde bindemiddel som impregnerer hvert av et antall områder på hver filterplate, idet hver bindemiddelmengde innbefatter et par lag bindemiddel som ligger på motsatte sider av filterplaten og fastholder filterplaten til midtbæreplaten og til en tilstøtende membran.
4. 4. Renseapparat innbefattende en stabel membranpakker, en stabel pakningsringer beliggende nær pakkenes omkretspartier, hvilke pakningsringer har tetningspartier anordnet mellom tilstøtende pakker for å holde pakkene adskilt slik at trykk-matefluid kan strømme mellom pakkene, organer som omgir pakkene for opptagelse av fluid som har strømmet inn i pakkene og deretter har strømmet utover ut av pakkenes omkretser, samt organer for ansetting av en kraft som sammenpresser pakningsringstabelen for å avtette tetnings-partiene mot pakkene for å hindre den utadrettede strøm av matefluid som ligger mellom pakkene,karakterisert vedat en membranpakke omfatter: en tynn ledningsplate, et par filterplater som ligger over motsatte sider av ledningsplaten, og et par membraner som ligger over sidene på filterplatene som ligger på motsatte sider av ledningsplaten, hvilken ledningsplate har et antall kanaler som strekker seg parallelt med ledningsplatens plan, hvilke kanaler strekker seg over de steder på pakken som ligger mellom pakningsringenes tetningspartier, slik at kanalene kan føre fluid fra steder inne i nevnte omkrets-pakkepartier til steder utenfor nevnte omkretspakkepartier, hvorved renset fluid kan føres utover forbi omkretspakkepartiene hvor filter<p>latene kan sammen-presses tilstrekkelig til i vesentlig grad å hemme utadrettet fluid-strøm gjennom dem.
5. 5. Renseapparat ifølge krav 4,karakterisertved at det omfatter et par beskyttende plater av et materiale som er stivere enn filterplatene, hvilke beskyttende plater ligger mellom ledningsplaten og filterplatene ved nevnte pakningsring-tetningspartier, hvorved hindres at filterplatene presses inn i kanalene i ledningsplaten slik at kanalene blokkeres.
6. 6. Membranpakke for gjennomstrømning av et filtratfluid og tilbakeholdelse av et avfallsmateriale,karakterisertved at den omfatter en fuktig membran som må holdes konstant fuktig for å hindre hurtig nedbrytning, en fuktig porøs filterplate anordnet sideveis mot membranen, idet valgte partier på filterplaten er impregnert med et bindemiddel som ikke kan fuktes av vann, idet bindemidlet ligger på f ilterplatens. overflate og ved hjelp av bindemidlet er forbundet med membranen.
7. 7. Membranpakke ifølge krav 6,karakterisertved at bindemidlet er.et varmherdbart trykkpåvirkbart bindemiddel.
8. 8. Membranpakke ifølge krav 6,karakterisertved at filterplaten omfatter fuktbart fibrøst materiale, at membranen og filterplaten har på linje innrettede åpninger, og at de valgte partier på filterplaten omfatter partier på filterplaten som ligger umiddelbart rundt åpningene, hvorved hindres at fibrene rundt åpningene fuktes og virker som veke.
9. 9. Membranpakke,karakterisert vedat den omfatter et par membraner, en bærer som er innlagt mellom membranene og har porøse platepartier som ligger mot membranene, at bæreren og membranene har e.t antall på linje innrettede hull, og at en mengde bindemiddel som ikke fuktes av vann fyller porene i bærerens porøse platepartier ved områder umiddelbart rundt åpningene, og at bindemidlet binder membranene til platepartiene.
10. 10. Fremgangsmåte for fremstilling av en membranpakke,karakterisert vedat den omfatter plassering av et parti av en plate av filtermateriale i et formrom som er tykkere enn platen, innsprøyting av bindemiddel i formrommet for å impreg-nere platepartiet med bindemidlet og danne et klebemiddellag over en overflate på platepartiet, og pressing av overflaten på platepartiet mot en membran.
11. 11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor membranen er av en type som skades når den oppvarmes og hvor bindemidlet er av en type som herder når det oppvarmes til en temperatur ved hvilken membranen skades,karakterisert vedoppvarming av platepartiet etter innsprøytingstrinnet og før pressetrinnet.
12. 12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor membranen er av en type som ødelegges når den tørker og hvor bindemidlet er av en type som ikke fuktes av vann,karakterisert vedat<p>latepartiet fuktes før platepartiet presses mot membranen.
13. 13. Fremgangsmåte for fremstilling av en membranpakke,karakterisert vedimpregnering av valgte partier av en porøs plate med bindemiddel som ikke fuktes av vann, til-føring av vann til den porøse plate og påsetting av membranen, mens denne er fuktig, sideveis mot den porøse plate mens platen er fuktig, for å holde dem sammen.
14. 14. Fremgangsmåte ifølge krav 13,karakterisertved at åpninger utformes i membranen og i den porøse plate og at impregneringstrinnet innbefatter impregnering av platepartiene som ligger umiddelbart rundt åpningene, hvorved man samtidig oppnår avtetting av åpningspartiene mot fluidstrøm og fastholding av membranen til platen.
15. 15. Fremgangsmåte for fremstilling av et renseapparat,karakterisert vedat den omfatter utforming av ut-løpsåpninger i en membran og utforming av tilsvarende åpninger i en porøs plate av porøst materiale, impregnering av de partier av den porøse plate som omgir åpningene, med et bindemiddel, og anordning av platen og membranen sideveis mot hverandre med åpningene

    innrettet på linje, og sammenpressing av platen og membranen i partiene rundt åpningene, hvorved platen og membranen holdes sammen i en fluidtett forsegling, og hvorved også veggene i åpningene i den porøse plate avtettes mot innstrømning av fluid.
16. 16. Fremgangsmåte ifølge krav 15,karakterisertved at den omfatter utforming av utløpsåpninger i en ledningsplate, utforming av utløpsåpninger i en andre membran, og utforming av utløpsåpninger i en andre porøs plate, og impregnering av den andre porøse plate med bindemiddel, og at anordningstrinnet innbefatter anordning av den andre porøse plate og den andre membran sideveis mot hverandre og innlegging av ledningsplaten mellom førstnevnte plate og den andre porøse plate, idet utløpsåpningene i alle membranene og platene er innrettet på linje, idet utløpsåpnings-utform-ningstrinnet innbefatter utformning av utløpsåpningene i hver membran og porøse plate til samme størrelse, hvorved man unngår at membranene krøller seg.