(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (13) B1 (51) IntCl7 C02F 1/44 B01D 61/08 B01D 61/18 (54) Urządzenie do otrzymywania wody ultraczystej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/98 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Szczecińska, Szczecin, PL (72) Twórcy wynalazku: Krzysztof Karakulski, Szczecin, PL Kazimierz Kałucki, Szczecin, PL Antoni Waldemar Morawski, Szczecin, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/03 (74) Pełnomocnik: Zawadzka Renata, Politechnika Szczecińska, Dział Patentów i Transferu Technologii PL B1 (57) 1. Urządzenie do otrzymywania wody ultraczystej, zawierające moduły do odwróconej osmozy, zbiornik, pompę oraz moduł do ultrafiltracji, znamienne tym, że co najmniej jeden moduł do ultrafiltracji (1) jest połączony poprzez zbiornik permeatu ultrafiltracyjnego (7) i pompę (6) z dwoma modułami odwróconej osmozy (4, 5), połączonymi szeregowo, przy czym pierwszy moduł (4) odwróconej osmozy jest modułem spiralnym wysokociśnieniowym z membraną kompozytową odporną na chlor, zaś drugi moduł (5) odwróconej osmozy jest modułem spiralnym niskociśnieniowym z membraną kompozytową o wysokiej rozdzielczości. Fig. 1

2 Urządzenie do otrzymywania wody ultraczystej Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do otrzymywania wody ultraczystej, zawierające moduły do odwróconej osmozy, zbiornik, pompę oraz moduł do ultrafiltracji, znamienne tym, że co najmniej jeden moduł do ultrafiltracji (1) jest połączony poprzez zbiornik permeatu ultrafiltracyjnego (7) i pompę (6 ) z dwoma modułami odwróconej osmozy (4, 5), połączonymi szeregowo, przy czym pierwszy moduł (4) odwróconej osmozy jest modułem spiralnym wysokociśnieniowym z membraną kompozytową odporną na chlor, zaś drugi moduł (5) odwróconej osmozy jest modułem spiralnym niskociśnieniowym z membraną kompozytową o wysokiej rozdzielczości. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że moduł do ultrafiltracji (1) ma asymetryczną membranę polimerową lub ceramiczną, lub kompozytową o ograniczonej rozdzielczości od 5000 do Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwszy moduł do odwróconej osmozy (4) ma membranę o współczynniku retencji w zakresie 90 do 99%, a drugi moduł do odwróconej osmozy (5) ma membranę o współczynniku retencji w zakresie 99 do 99,7%. * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do otrzymywania wody ultraczystej. Określenie woda ultraczysta odnosi się do wody o najwyższej osiągalnej czystości. Klasyfikację jakości wody w zależności od zawartości elektrolitów i przewodności właściwej przedstawiono w poniższej tabeli: Stopień czystości wody Przewodność właściwa μs/cm w 25 C Zawartość elektrolitów mg/dm3 Czysta ,5-5 Bardzo czysta 0,5-1 0,2-0,5 Ultraczysta 0,05-0,5 0,01-0,25 0,056 0,00 Woda ultraczysta zawiera ponadto odpowiedni poziom zanieczyszczeń cząsteczkowych składników mikrobiologicznych, pirogenów oraz substancji organicznych. Dotychczas stosowane urządzenia do otrzymywania wody ultraczystej miały w kolejności kolumnę z węglem aktywnym połączoną z modułem odwróconej osmozy, który był połączony z kolumną jonitową a ta ze zbiornikiem wody zminarelizowanej. Zbiornik wody zmineralizowanej połączony był ze sterylizatorem wody oraz modułem do ultrafiltracji. Oczyszczanie wody następowało w dwóch etapach. Pierwszy etap to usunięcie w kolumnie z węglem aktywnym związków organicznych oraz chloru, oraz w module do odwróconej osmozy częściowe usunięcie jonów oraz całkowite koloidów, mikroorganizmów, pirogenów i związków organicznych. Po przejściu przez kolumnę jonitową ze złożem mieszanym uzyskana woda jest zdemineralizowana w %, zawiera natomiast cząstki jonitu, bakterie i wirusy. Zdemineralizowana całkowicie woda gromadzona jest w zbiorniku i poddawana dalszemu oczyszczaniu w drugim etapie. Zbiornik wody zdemineralizowanej połączony jest ze sterylizatorem, którym najczęściej przy pomocy promieni UV zabijane są bakterie. Sterylizator połączony jest z modułem do ultrafiltracji, w którym następuje ostateczne oczyszczanie wody zdemineralizowanej poprzez usunięcie z wody cząstek jonitu, martwych bakterii, wirus ów oraz pirogenów.

3 Przestawione powyżej urządzenie zawierało konwencjonalne techniki oczyszczania jak kolumna z węglem aktywnym, kolumna jonitowa lub sterylizator oraz współczesne techniki jak moduły do odwróconej osmozy i ultrafiltracji. Urządzenie według wynalazku zawierające moduł odwróconej osmozy, zbiornik, pompę oraz moduł ultrafiltracji charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden moduł do ultrafiltracji poprzedzony pompą i zbiornikiem zasilającym jest połączony poprzez zbiornik permeatu UF i pompę z dwoma modułami odwróconej osmozy, które są ze sobą połączone szeregowo. Pierwszy moduł odwróconej osmozy jest modułem spiralnym wysokociśnieniowym z membraną kompozytową, odporną na chlor. Drugi moduł odwróconej osmozy jest modułem spiralnym niskociśnieniowym z membraną kompozytową o wysokiej rozdzielczości. W urządzeniu według wynalazku membrana ultrafiltracyjna działa na zasadzie sita molekularnego, natomiast membrana odwróconej osmozy działa w ten sposób, że najpierw zachodzi rozpuszczanie a następnie dyfuzja rozpuszczalnika, którym jest woda przez warstwę selektywnej membrany Pozostałe w wodzie zanieczyszczenia są oddzielane praktycznie w 99,5-99,7%. Zastosowanie modułu ultrafiltracji w pierwszym etapie eliminuje zw od y takie zanieczyszczenia jak zawiesiny, substancje koloidalne, mikroorganizmy i pirogeny. Woda opuszczająca moduł ultrafiltracji zawiera praktycznie tylko związki nieorganiczne i organiczne i posiada zgodny z zaleceniami producentów modułów spiralnych indeks koloidalny SDI15 (Silt Density Index) mniejszy od 3, który pozwala zastosować do procesu odwróconej osmozy moduły spiralne. Po przejściu modułów odwróconej osmozy związki jonowe stanowiące zanieczyszczenie wody są zatrzymywane. Korzystnie moduł do ultrafiltracji zawiera asymetryczną membranę polimerową, ceramiczną lub kompozytową o granicznej rozdzielczości od 5000 do daltonów. Korzystnie pierwszy moduł do odwróconej osmozy ma membranę o współczynniku retencji w zakresie 90 do 99%, zaś drugi moduł do odwróconej osmozy ma membranę o współczynniku retencji w zakresie 99 do 99,7%. Przemysłowe urządzenie do otrzymywania wody według wynalazku ma więcej niż jeden moduł do ultrafiltracji, które poprzez pompę i zbiornik permeatu ultrafiltracyjnego i pompę są połączone z dwoma modułami odwróconej osmozy, które są ze sobą połączone szeregowo. Pierwszy moduł odwróconej osmozy jest modułem wysokociśnieniowym z membraną kompozytową odporną na chlor, zaś drugi moduł odwróconej osmozy jest modułem spiralnym niskociśnieniowym z membraną kompozytową o wysokiej rozdzielczości. Zastosowanie urządzenia według wynalazku do otrzymywania wody ultraczystej daje szereg korzyści. Dzięki niemu eliminujemy konieczność stosowania kolumny z węglem aktywnym, sterylizatora i kolumny jonitowej. Dzięki wykorzystaniu ciśnienia po stronie permeatu w pierwszym module odwróconej osmozy do zasilania drugiego modułu, nie ma konieczności instalowania pompy i zbiornika pomiędzy pierwszym a drugim modułem odwróconej osmozy. Oczyszczana woda w module membranowym rozdzielana jest na dwa strumienie, z których jeden przenika przez membranę a w drugim zatężane są zanieczyszczenia. Ponadto, w urządzeniu według wynalazku w każdym module membranowym zastosowany jest przepływ skrośny co oznacza, że strumień przepływa równolegle do membrany, a permeat jest odbierany prostopadle w stosunku do strumienia przepływającego stycznie do powierzchni membrany. Taki kierunek strumienia oczyszczanej wody powoduje zmywanie cząstek zatrzymanych przez membranę. W ten sposób zapewniona jest stabilna wydajność procesu. Praca urządzenia według wynalazku odbywa się w temperaturze pokojowej, a proces separacji odbywa się bez przemiany fazowej. Zużycie energii w trakcie pracy urządzenia jest minimalne. Zastosowanie w urządzeniu różnych konstrukcji modułów membranowych do ultrafiltracji, jak rurowych lub spiralnych lub kapilarnych lub płytowo-ramowych pozwala na łatwe zwiększenie skali procesu przez zastosowanie dodatkowych modułów bez konieczności rozbudowy pozostałych elementów instalacji. Urządzenie według wynalazku pracuje w sposób ciągły. Taka praca urządzenia ułatwia jego automatyzację. Konstrukcja modułowa urządzenia zajmuje mało miejsca i jest łatwa do zmontowania.

4 Przedmiot według wynalazku jest odtworzony na rysunku fig. 1, na którym przedstawiono widok ogólny urządzenia, na rysunku fig. 2 przedstawiono urządzenie składające się z więcej niż jednego modułu do ultrafiltracji i 2 modułów spiralnych do odwróconej osmozy. Urządzenie według wynalazku przedstawione na rysunku fig. 1 zbudowane jest ze zbiornika wody zasilającej 3, który poprzez pompę połączony jest z modułem do ultrafiltracji 1, a moduł do ultrafiltracji 1 jest połączony ze zbiornikiem permeatu UF 7. W module do ultrafiltracji eliminuje się z wody takie zanieczyszczenia jak zawiesiny, substancje koloidalne, mikroorganizmy i pirogeny. Woda opuszczająca moduł ultrafiltracji zawiera praktycznie tylko związki nieorganiczne i organiczne i posiada indeks koloidalny SDI15 mniejszy od 3. Zbiornik 7 połączony jest poprzez pompę z pierwszym modułem odwróconej osmozy 4, a ten szeregowo z drugim modułem do odwróconej osmozy 5. Moduł do ultrafiltracji 1 ma membrany asymetryczne, rurowe z tworzywa polidyfluorowinylidenu (PVDF) o granicznej rozdzielczości daltonów. Pierwszy moduł odwróconej osmozy 4 jest modułem spiralnym i ma membrany kompozytowe odporne na chlor o nominalnym stopniu oddzielenia NaCl równym 90. Drugi moduł odwróconej osmozy 5 ma membranę kompozytową o nominalnym stopniu oddzielenia NaCl równym 99,5%. Urządzenie według wynalazku przedstawione na rysunku fig. 2 jest zasilane wodą wodociągową o przewodnictwie właściwym 470 μ S/cm w temperaturze 25 C i zawartości substancji rozpuszczonych 270 mg/dm3, przy czym zawartość NaCl wynosi 200 mg/dm3 CHZT (chemiczne zapotrzebowanie tlenu)- 150 mg O2/dm3 oraz ph= 7,76. W instalacji do ultrafiltracji zastosowano membrany ultrafiltracyjne, rurowe z polidifluorowinylidenu (PVDF) o granicznej rozdzielczości daltonów. Membrany te wykazywały niewielki stopień oddzielania jonów, wynoszący 12%. Zawartość substancji koloidalnych i zawiesiny określaną metodą oznaczenia parametru SDI (Silt Density Index). Woda wodociągowa w zbiorniku zasilającym 3 posiada parametr SDI wynoszący 8. W wyniku ultrafiltracji uzyskano permeat o wartości SDI15 poniżej 3 i wydajności 70 dm3/m2h o przewodnictwie właściwym 420 μ S/cm w temperaturze 25 C, CHZT 15 mg/dm3 oraz całkowitej zawartości substancji rozpuszczonych 220 mg/dm3. Proces ultrafiltracji prowadzono w zakresie ciśnień transmembranowych 0,2-0,1 MPa wytwarzanych przez pompę 2 oraz natężenie przepływu wody oczyszczanej m3/h. Tak otrzymany permeat z modułów ultraifiltracyjnych 1 zbierano w zbiorniku 7. W procesie odwróconej osmozy w pierwszym stopniu stosowano membrany kompozytowe o nominalnym stopniu oddzielenia NaCl wynoszącym 90%. Proces odwróconej osmozy prowadzono w zakresie ciśnień transmembranowych 1-3,5 MPa, w temperaturze 25 C. W wyniku prowadzenia procesu odwróconej osmozy uzyskiwano po pierwszym stopniu permeat z wydajnością 25 dm3/m2h, przewodnictwie właściwym 36 μ S/cm, całkowitej zawartości substancji rozpuszczalnych 20 mg/dm3. Permeat z modułu 4 poddawano do modułu 5 stanowiącego drugi stopień odwróconej osmozy. W module tym zastosowano membranę kompozytową typu AFC 99, o nominalnym stopniu oddzielenia wynoszącym 99%. Moduł pracował pod ciśnieniem transmembranowym 0,7 MPa, a permeat uzyskiwano z wydajnością 7 dm3/m2h, o przewodnictwie właściwym 0,5 μ S/cm, całkowitej zawartości substancji rozpuszczalnych 0,25 mg/dm3.

5

6 Fig. 1 Fig. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.