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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Filtriereinheit, die insbesondere für die Wasseraufbereitung geeignet ist. Die Filtriereinheit umfasst mindestens zwei keramische Filtermembranen sowie eine Halterung für die Filtermembranen.
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Konventionelle Kläranlagen enthalten in der Regel ein Absetzbecken, in dem Grobbestandteile aus dem Abwasser entfernt werden, ein Belebungsbecken und ein Nachklärbecken. Im Belebungsbecken werden Mikroorganismen eingesetzt, um die im Abwasser enthaltenen organischen Stoffe zu zersetzen. Im Nachklärbecken werden diese Mikroorganismen üblicherweise durch Sedimentation wieder vom Abwasser getrennt und gegebenenfalls, zumindest teilweise, in das Belebungsbecken zurückgeführt. Allerdings ist dabei eine vollständige Abtrennung der Mikroorganismen, insbesondere durch Sedimentation, in der Regel nicht möglich, so dass diese mit dem Abwasser in die Umwelt gelangen können. Aus diesem Grund wird das aus dem Belebungsbecken stammende, aufgereinigte Abwasser mit Filtriereinheiten weiterbehandelt, um vorhandene Mikroorganismen zuverlässig abzutrennen.
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Während für Filtriereinheiten im Bereich der Mikrofiltration bisher üblicherweise Polymerfiltermembranen, wie sie beispielsweise aus der
EP-A1-602560 , der
WO-A-03/037489 oder der
WO-A-04/091755 bekannt sind, verwendet wurden, haben sich in den letzten Jahren vermehrt auch Filtriereinheiten mit Filtern auf Keramikbasis durchgesetzt. Von der Anmelderin entwickelte Filtriereinheiten mit Filtermembranen auf Keramikbasis sind in der
WO 2010/015374 A1 beschrieben.
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Grundsätzlich sind keramische Filtermembranen zum einen aufgrund ihrer im Vergleich zu Polymerfiltermembranen ungleichmäßigeren Oberfläche, die durch das Brennen der extrudierten keramischen Rohlinge hervorgerufen wird, und zum anderen aufgrund ihrer Brüchigkeit aufwendiger in der Verarbeitung. Insbesondere die Bereitstellung einer adäquaten flüssigkeits- und druckdichten Halterung für die entsprechenden keramischen Filtermembranen bereitete bisher oftmals Schwierigkeiten.
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Bei der Verwendung von polymerbasierten Halterungen, wie sie in der
WO 2010/015374 A1 beschrieben sind, resultieren unter bestimmten Bedingungen Schwierigkeiten aus der Kombination von Werkstoffen mit deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Tiefe Temperaturen (< 5 °C) sowie Temperaturwechselbelastungen können zu thermomechanischen Spannungen an der Grenzfläche zwischen Polymer und keramischer Filtermembran führen. Dabei können selbst geringe Unterschiede in der Schwindung bzw. Ausdehnung der verschiedenen Werkstoffe zu Zug- und/oder Druckbelastungen und gegebenenfalls zu Defekten führen.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Filtriereinheiten bereitzustellen, die gegenüber Temperaturwechselbelastungen stabiler sind als die bislang bekannten Filtriereinheiten mit in polymeren Halterungen festgelegten keramischen Filtermembranen. Insbesondere sollen die Filtriereinheiten auch bei sehr tiefen Temperaturen, bevorzugt unterhalb von 5 °C, einsetzbar sein, ohne dass es zu den erwähnten Defekten kommt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Filtriereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung einer Filtriereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Filtriereinheit sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 dargestellt. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 6 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Die erfindungsgemäße Filtriereinheit umfasst mindestens zwei keramische Filtermembranen sowie eine Halterung für die mindestens zwei keramischen Filtermembranen. Dabei sind die keramischen Filtermembranen plattenförmig ausgebildet. Sie weisen jeweils eine filteraktive Außenseite sowie mindestens einen innenliegenden Abführkanal für gefiltertes Wasser auf.
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Bevorzugt eingesetzte Filtermembranen weisen innenliegende Abführkanäle mit Austrittsöffnungen auf, die an mindestens einer Schmalseite, bevorzugt an zwei sich gegenüberliegenden Schmalseiten, der keramischen Filtermembranen liegen. Geeignete Filtermembranen für eine erfindungsgemäße Filtriereinheit sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es sei in diesem Zusammenhang insbesondere auf die keramischen Flachmembranen verwiesen, die in der
WO-A-07/128565 , der
WO-A- 07/093440 und der
WO-A-07/093441 beschrieben sind.
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Abhängig vom Einzelfall kann die Anzahl der Filtermembranen einer erfindungsgemäßen Filtriereinheit aber sehr stark variieren. So sind auch Filtrationsvorrichtungen mit einigen dutzend bis mehreren hundert Filtermembranen ohne weiteres denkbar. Bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Filtriereinheit zwischen 2 und 40 Filtermembranen auf.
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Die Halterung umfasst ein erstes und ein zweites Kunststoffteil, die zusammengefügt einen Hohlkörper mit einem innenliegenden Sammelraum ausbilden, in dem den aus den Abführkanälen tretendes Wasser gesammelt und über den aus den Abführkanälen tretendes Wasser abgeleitet werden kann. Bevorzugt ist die Halterung zweiteilig ausgebildet, setzt sich also ausschließlich aus den beiden Kunststoffteilen zusammen.
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Das erste Kunststoffteil ist besonders bevorzugt einstückig ausgebildet, analog z.B. zu dem in
1 der
WO 2010/015374 A1 dargestellten Kunststoffgussteil
102. In aller Regel weist es (ebenfalls in Analogie zu dem in
1 der
WO 2010/015374 A1 dargestellten Kunststoffgussteil
102) einen Durchbruch für jede der keramischen Filtermembranen auf. Die Durchbrüche dienen als Aufnahmen für die Filtermembranen, die in diesen derart festgelegt sind, dass die innenliegenden Abführkanäle mit dem Sammelraum in kommunizierender Verbindung stehen. Vorzugsweise münden die Abführkanäle direkt in den Sammelraum.
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Bei der in
1 der
WO 2010/015374 A1 dargestellten Filtriereinheit wird der Sammelraum von dem Kunststoffgussteil
102 in Verbindung mit der Plexiglasscheibe
105 gebildet. Kühlt man eine solche Filtriereinheit allerdings auf eine Temperatur unter 5 °C ab, so können sich Risse in den keramischen Filtermembranen sowie in der die Filtermembranen gehärteten Vergussmasse bilden. Die bei diesen Temperaturen auftretenden thermomechanischen Spannungen sind aufgrund der unterschiedlichen stofflichen Eigenschaften von Polymerverguss und Keramik zu groß.
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Abhilfe für dieses Problem konnte auf überraschend einfache Weise geschaffen werden, nämlich indem in das zweite Kunststoffteil, das zusammen mit dem ersten Kunststoffteil den erwähnten Hohlkörper ausbilden soll, eine Armierung, insbesondere eine metallische oder keramische Armierung, eingearbeitet wird.
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Bei Filtriereinheiten der in
1 der
WO 2010/015374 A1 dargestellten Art zieht sich beim Abkühlen der Rahmen
103 in allen drei Raumrichtungen zusammen, allerdings nicht gleichmäßig, da auf der der Plexiglasscheibe
105 abgewandten Seite des Rahmens die keramischen Filtermembranen
101 als Armierung wirken. In der Folge kann eine trapezartige Verformung des Rahmens auftreten, gegebenenfalls mit drastischen Folgen. Beispielsweise lassen sich mehrere aufeinander gestapelte Filtriereinheiten nicht mehr ohne weiteres über die Öffnungen
106 im Rahmen
103 aneinander koppeln, wie es in der Figurenbeschreibung zu
1 der
WO 2010/015374 A1 beschrieben ist, da es durch die trapezartige Verformung zu einer Spaltbildung kommen kann. Ersetzt man die Plexiglasscheibe
105 hingegen durch ein armiertes Bauteil, nämlich das erwähnte zweite Kunststoffteil, in das eine Armierung eingearbeitet ist, so lässt sich diesem Effekt erfolgreich entgegentreten.
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Bei der Armierung kann es sich um Fäden, Stangen, Rohre Ringe, Netze, Gitter oder Platten aus einem Werkstoff wie Metall oder Keramik handeln. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Armierung um Fasern, Matten, Stangen, Rohre, Ringe, Streifen oder Platten aus einer Keramik oder aus einer Glaskeramik. Besonders bevorzugt kommen einfache Keramikkacheln zum Einsatz, wie sie in grundsätzlich jedem Baumarkt erhältlich sind, idealerweise allerdings ohne eine porenverschließende Glasur. Bevorzugt werden Kacheln verwendet, deren Oberfläche aufgeraut wurde, beispielsweise durch Sandstrahlen, oder die dreidimensional strukturiert ist.
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Es ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Kunststoffteil aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Bevorzugt sind die Kunststoffteile durch Guss oder Spritzguss aus einer flüssigen Polymermasse oder aus einem flüssigen Prepolymer wie einem Epoxid- oder einem Polyurethanharz gefertigt.
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Zahlreiche Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der in der
WO 2010/015374 A1 beschriebenen Filtriereinheit lassen sich auch auf die vorliegend beschriebene Filtriereinheit übertragen.
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So sind z.B. auch vorliegend die mindestens zwei keramischen Filtermembranen in den Aufnahmen des ersten Kunststoffteils bevorzugt ohne Hilfs- und Verbindungsmittel, also insbesondere ohne Dicht- oder Klebemittel, festgelegt. Mit anderen Worten, die keramischen Filtermembranen sind in den Aufnahmen ohne eine Dichtung und ohne Verwendung eines separaten Klebstoffs festgelegt. Vielmehr liegen die Filtermembranen in der Regel so passgenau in den Aufnahmen, dass eine Abdichtung nicht erforderlich ist. Die Maße der Filtermembranen entsprechen im Wesentlichen exakt den Abmessungen der Aufnahmen, in denen sie festgelegt sind.
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Dies kann auch vorliegend insbesondere dadurch erreicht werden, dass das erste Kunststoffteil „in unmittelbarem Kontakt“ mit den mindestens zwei keramischen Filtermembranen durch Guss oder Spritzguss hergestellt wird. Mit anderen Worten, die keramischen Filtermembranen werden in das erste Kunststoffteil eingegossen.
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Weiterhin gilt, dass auch vorliegend die mindestens zwei Filtermembranen der erfindungsgemäßen Filtriereinheit in bevorzugten Ausführungsformen parallel zueinander angeordnet sind. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass der Abstand zwischen mehreren, parallel zueinander angeordneten Filtermembranen immer der gleiche ist.
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Das erste Kunststoffteil ist bevorzugt derart ausgebildet, dass es einen Rahmen mit vorzugsweise rechteckigem oder quadratischem Querschnitt sowie innerhalb des Rahmens mindestens einen Quersteg, vorzugsweise mehrere zueinander parallel angeordnete Querstege, aufweist. Die Zwischenräume zwischen dem Rahmen und dem mindestens einen Quersteg und/oder zwischen benachbarten Querstegen bilden die Durchbrüche bzw. Aufnahmen, in denen die keramischen Filtermembranen festgelegt sind. Besonders bevorzugt sind dazu die Schmalseiten der oben erwähnten bevorzugten Filtermembranen, an denen sich die Austrittsöffnungen der innenliegenden Abführkanäle befinden, vollständig, das heißt über ihre komplette Länge, in den Aufnahmen festgelegt.
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Der bzw. die Querstege sind dabei im Übrigen bevorzugt parallel zu zwei sich gegenüberliegenden Seiten, insbesondere zu den Längs- oder den Querseiten eines Rahmens mit vorzugsweise rechteckigem oder quadratischem Querschnitt angeordnet, so dass sie dem Rahmen in einer Raumrichtung eine besonders hohe mechanische Stabilität verleihen können.
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Dies spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn mehrere erfindungsgemäße Filtriereinheiten zu einer mehrteiligen Filtriervorrichtung, die ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst ist, verschaltet werden. In bevorzugten Ausführungsformen weist der Rahmen des ersten Kunststoffteils einer erfindungsgemäßen Filtriereinheiten nämlich mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr, Öffnungen auf, über die filtriertes Wasser aus dem Sammelraum abgeführt werden kann. Diese Öffnungen befinden sich bevorzugt in den stabilisierten Seiten des Rahmens, also in den Seiten, an denen die Querstege anstoßen. Besonders bevorzugt weist eine der stabilisierten Seiten eine oder zwei dieser Öffnungen auf, die gegenüberliegende zweite stabilisierte Seite ebenfalls eine oder zwei. Bevorzugt sind die Öffnungen im Rahmen derart angeordnet, dass mehrere erfindungsgemäße Filtriereinheiten aufeinander gestapelt werden können, wobei dann jeweils eine Öffnung im Rahmen einer aufgesetzten Filtriereinheit exakt auf einer korrespondierenden Öffnung im Rahmen der darunter oder darüber liegenden Filtriereinheit zum Liegen kommen kann. Bei einer derartigen Aneinanderkopplung mehrerer Filtriereinheiten über die Öffnungen sind die Sammelräume in den Halterungen der einzelnen aufeinander gestapelten Filtriereinheiten korrespondierend miteinander verbunden, es entsteht ein durch die Halterungen aller gekoppelten Filtriereinheiten führender Kanal zum Abführen von filtriertem Medium bzw. Reinigungsmedium für eine Rückspülung. Der Kanal liegt vollkommen innerhalb der Halterungen, eine externe Verrohrung der einzelnen Filtriereinheiten ist dadurch bedingt nicht erforderlich. Erwähnt wurde eine solche Kopplung von Filtriereinheiten bereits oben im Zusammenhang mit der Diskussion betreffend die in
1 der
WO 2010/015374 A1 dargestellten Filtriereinheit.
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In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird der im Inneren der Halterung ausgebildete Sammelraum nach außen begrenzt durch den erwähnten Rahmen des ersten Kunststoffteils, die Schmalseiten der erwähnten Filtermembranen mit den Austrittsöffnungen, die erwähnten Querstege sowie natürlich durch das zweite Kunststoffteil.
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Als letzteres kann eine Filtriereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine armierte Deckplatte aufweisen, die wie die oben erwähnte Plexiglasscheibe 105 in den Rahmen des ersten Kunststoffteils eingesetzt werden kann und die den Sammelraum nach einer Seite abschließt. Alternativ dazu kann natürlich auch ein armiertes Deckelteil, das die gleichen Außenmaße wie der Rahmen aufweist und auf diesen aufgesetzt werden kann, zum Einsatz kommen.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist eine erfindungsgemäße Filtriereinheit mehr als eine Halterung auf, in denen die keramischen Filtermembranen festgelegt sind. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen sich gegenüberliegende Schmalseiten von im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Filtermembranen in jeweils einer Halterung festgelegt sind. Die Halterungen sind dabei vorzugsweise funktional identisch zueinander, weisen also jeweils die gleichen technischen Merkmale auf.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Filtriereinheit zwei funktional identische Halterungen der oben beschriebenen Art auf, zwischen denen sich die mindestens zwei keramischen Filtermembranen befinden, diese jeweils mit innenliegenden Abführkanälen für gefiltertes Wasser und Austrittsöffnungen an sich gegenüberliegenden Schmalseiten der Filtermembranen, wobei die Filtermembranen mit diesen Schmalseiten in den jeweils mindestens zwei Aufnahmen der zwei Halterungen festgelegt sind. Im Betrieb kann das filtrierte Wasser somit an beiden Enden der keramischen Filtermembranen (an den zwei sich gegenüberliegenden Schmalseiten) über einen Sammelraum einer entsprechend angeordneten Halterung abgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Filtriereinheit, wie sie vorstehend beschrieben wurde, zeichnet sich bevorzugt durch die folgenden Schritte aus:
- – In einem ersten Schritt werden mindestens zwei keramische Filtermembranen innerhalb einer Form angeordnet und durch Guss oder Spritzguss aus einer flüssigen Polymermasse oder aus einem flüssigen Prepolymer eine erstes, bevorzugt einstückiges Kunststoffteil gefertigt wird, in das die keramischen Filtermembranen eingegossen sind. Die flüssige Polymermasse oder das flüssige Prepolymer können auf diesem Weg unmittelbar mit den Filtermembranen in Kontakt stehend aushärten und passen sich den Konturen der Filtermembranen exakt an. Dadurch ist es möglich, die Abmessungen der Aufnahmen exakt auf die Maße der Filtermembranen abzustimmen, so dass keinerlei Dichtmittel erforderlich sind. Details zu diesem Schritt können der WO 2010/015374 A1 entnommen werden.
- – In einem zweiten Schritt wird ein zweites Kunststoffteil, bei dem es sich bevorzugt um die erwähnte Deckplatte handelt, gefertigt, in das eine bevorzugt metallische oder keramische Armierung (wie oben beschrieben) eingelassen ist. Beispielsweise wird eine Armierung innerhalb einer Form angeordnet, die mit einer flüssigen Polymermasse oder einem flüssigen Prepolymer befüllt wird. Durch das Übergießen der Armierung ist diese von außen nicht mehr zu erkennen. Wie oben bereits erwähnt, werden bevorzugt identische Polymermassen oder Prepolymere verwendet wie bei der Fertigung des ersten Kunststoffteils.
- – In einem dritten Schritt werden das erste und das zweite Kunststoffteil zusammengefügt, so dass sie einen Hohlkörper mit einem innenliegenden Sammelraum ausbilden.
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Der dritte Schritt kann in bevorzugten Ausführungsformen einen Temperschritt umfassen. Diese Variante ist insbesondere dann bevorzugt, wenn das erste und das zweite Kunststoffteil ohne mechanische Hilfsmittel oder Klebstoffe miteinander verbunden werden sollen.
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Bevorzugt werden dazu die aus dem ersten und dem zweiten Schritt resultierenden Kunststoffteile zusammengefügt und in einer Temperkammer über einen Zeitraum von 1 Tag bis 1 Woche bei einer Temperatur zwischen 30 °C und 65 °C getempert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird 2 Tage bei 40 °C getempert und anschließend 2 Tage bei 60 °C. Diese Wärmebehandlung dient insbesondere dem Abbau von Spannungen innerhalb des ersten und des zweiten Kunststoffteils, gegebenenfalls auch deren vollständiger Aushärtung.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnungen sowie bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
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1 illustriert die Herstellung einer als zweites Kunststoffteil dienenden armierten Deckplatte 104.
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Zur Herstellung derselben werden in das Kunststoffteil 101 die Keramikplatten 102 eingelegt und anschließend mit einer härtbaren Polymermasse 103 übergossen. Aus der gleichen Polymermasse ist das Kunststoffteil 101 hergestellt. Vor dem Einlegen der Keramikplatten 102 kann die für die Platten vorgesehene Aufnahme mit einer Schicht aus der Polymermasse 103 ausgestrichen werden.
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2 illustriert die Weiterverarbeitung einer gemäß 1 hergestellten Deckplatte 104 zu einer erfindungsgemäßen Filtriereinheit 207. In 2a ist ein Modul umfassend den Rahmen 201 und die Querstege 202 als erstes Kunststoffteil sowie die Filtermembranen 203 dargestellt. Eine alternative Darstellung des Moduls findet sich in 2b.
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Die Querstege 202 versteifen den Rahmen 201. Hergestellt ist der Rahmen 201 samt den Querstegen 202 aus der gleichen Polymermasse wie die Deckplatte 104.
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Der Rahmen 201 weist eine Abstufung 208 auf, in die die armierte Deckplatte 104 versenkt werden kann. Eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Rahmen 201 und der Deckplatte 104 kann beispielsweise durch Verklebung hergestellt werden.
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Zusammengefügt bilden die beiden Kunststoffteile eine Halterung für die Filtermembranen 203 aus, die einen innenliegenden Sammelraum für Filtrat aufweist. Nach außen hin begrenzt wird der Sammelraum durch die Deckplatte 104, den Rahmen 201, die Querstege 203 und die Filtermembranen 203, deren eine Schmalseite in den Zwischenräumen zwischen den Querstegen 202 aufgenommen ist. Eine weitere Schmalseite ist in einer zweiten Halterung 206 festgelegt. Filtrat aus dem Sammelraum kann über die Öffnungen 204a und 204b abgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 602560 A1 [0003]
- WO 03/037489 A [0003]
- WO 04/091755 A [0003]
- WO 2010/015374 A1 [0003, 0005, 0012, 0012, 0013, 0015, 0015, 0018, 0024, 0029]
- WO 07/128565 A [0009]
- WO 07/093440 A [0009]
- WO 07/093441 A [0009]
