DE102012105720A1

DE102012105720A1 - Filter und Verfahren zur Ultrafiltration

Info

Publication number: DE102012105720A1
Application number: DE201210105720
Authority: DE
Inventors: Bernd Bauer; Jürgen Johann; Monique Bissen
Original assignee: BWT AG
Current assignee: BWT Holding GmbH
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filter zur Ultrafiltration, welcher ein Membranpaket umfasst, welches teilweise hydrophobe Membrane aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen Filter zur Ultrafiltration. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Filter zur Wasseraufbereitung, welcher ausgasende Filtermedien wie zum Beispiel Aktivkohle oder Ionenaustauscher enthält, welche durch den Austausch von Wasserstoffionen mit Hydrogencarbonationen des Trinkwassers Kohlensäure und somit auch nicht gelöstes Kohlendioxid bilden. Die Erfindung betrifft sowohl schwerkraftbetriebene als auch druckbetriebene Wasserfilter.
Hintergrund der Erfindung
Vorrichtungen und Verfahren zur Ultrafiltration sind bekannt. Dabei werden insbesondere Membranen verwendet, um insbesondere Partikel in einer Partikelgröße von 0,01 bis 0,001 µm abzutrennen. Derartige Vorrichtungen werden vor allem in der Pharmazie und Medizin verwendet.
Es ist auch bekannt, dass es mittels Filtern zur Ultrafiltration möglich ist, Flüssigkeiten zu sterilisieren, da Bakterien in der Regel einen derartigen Filter nicht passieren können. Hierbei werden sterile Ultrafilter eingesetzt. Insbesondere sind als Filtermedium zur Ultrafiltration Kapillarmembranen bekannt, bei denen die Wand der Kapillare die Membran bildet.
Filter zur Ultrafiltration eignen sich mithin prinzipiell auch zur Sterilisierung bzw. Entkeimung von Trinkwasser. Es hat sich aber gezeigt, dass das verwendete Trinkwasser häufig Gase, zum Beispiel Kohlensäure bzw. Kohlendioxid, oder auch Luft infolge ausgasender Medien enthält, welche zu einer Blasenbildung im Filter führen und diesen verstopfen. Grundsätzlich sind Filter zur Ultrafiltration nicht durchgängig für Gasblasen.
In der Praxis hat sich vielmehr etabliert, dass Gasblasen verwendet werden, um einen Filter zur Ultrafiltration auf dessen Funktionstüchtigkeit zu überprüfen. Beim sogenannten Bubble-Point-Test wird geprüft, ob das Filtermedium gasdurchlässig ist. Sobald Blasen den Filter passieren, kann darauf geschlossen werden, dass die Membran beschädigt ist, der Filter mithin nicht mehr funktionstauglich ist.
Dies führt dazu, dass bekannte Filter zur Ultrafiltration für Anwendungen, bei welchen das zu sterilisierende Wasser aufgrund seiner eigenen Schwerkraft den Filter passiert, nur eingeschränkt geeignet sind. Insbesondere bei Wasserfiltern mit Filtermedien Aktivkohle oder Ionenaustauscher, welche Wasserstoffionen gegen Alkali- oder Erdalkaliionen kommt es infolge Gasbildung zu einer Verblockung des Ultrafilters.
Generell ungeeignet sind bekannte Filter zur Ultrafiltration für Wasser, welches mit Kohlensäure versetzt wurde.
Bekannte schwerkraftbetriebene Wasserhaushaltsfilter umfassen in der Regel ein Ionenaustauscherharz. Weiter ist bekannt, dem Filtermedium Aktivkohle zuzusetzen. Es ist weiter bekannt, zur Entfernung von Schwebstoffen ein Vlies zu verwenden. Mit diesen Ansätzen lassen sich Bakterien im Trinkwasser aber nicht sicher entfernen.
Druckbetriebene Wasserfilter zur Aufbereitung von Heißgetränken enthalten in der Regel Ionenaustauscher, welche Wasserstoffionen austauschen und Aktivkohle. Infolge der ausgasenden Aktivkohle und der beim Ionenaustausch entstehenden Kohlensäure bzw. Kohlendioxids könne nach dem Stand der Technik keine Ultrafilter nach den Wassersfiltern eingesetzt werden, da die Ultrafilter infolge der Gase verblocken.
Auch können dem Filtermaterial chemische Substanzen mit desinfizierender Wirkung zugesetzt werden. Dies kann jedoch negative Einflüsse auf das Wasser haben. Zudem kommt es bei einem schwerkraftbetriebenen Filter in der Regel nicht zu einer kontinuierlichen Abgabe des Desinfektionsmittels, so dass eine hinreichende Wirkung nicht immer über die gesamte Lebensdauer des Filtermaterials gewährleistet ist.
Es ist weiter bekannt, dass Wasserspender mit einem Vorratstank, welche vielfach zur Abgabe gekühlten und/oder ungekühlten Wassers ausgebildet sind, die Gefahr mit sich bringen, dass Keime sich im Wasser vermehren. Um dem entgegenzuwirken ist es aus der Praxis bekannt, das Wasser im Vorratsbehälter zu erhitzen, um so Keime abzutöten. Dies kann beispielsweise periodisch durch Erhitzen des gesamten Wasserbehälters erfolgen. Diese Vorgehensweise ist aufwendig und energieintensiv.
Weiter können sich insbesondere auch in der Nähe des Auslaufes des Wasserspenders Keime bilden, die naturgemäß von dem erhitzten Wasser nicht erreicht werden, aber beim Betätigen des Wasserspenders ausgespült werden.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Ultrafiltration bereitzustellen, bei welchem die Gefahr einer Blockierung des Filters durch Gasblasen zumindest reduziert wird.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Ultrafiltration bereitzustellen, welche auch in Verbindung mit einem schwerkraftbetriebenen Filter verwendet werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein Verfahren zur Ultrafiltration sowie durch einen Filter zur Ultrafiltration nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen Wasserspender sowie auf einen schwerkraftbetriebenen Wasserhaushaltsfilter.
Die Erfindung betrifft einen Filter zur Ultrafiltration, also einen Filter mittels dessen sich insbesondere Bakterien aber auch andere Schwebstoffe mit einer Größe von weniger als 1 µm, insbesondere weniger als 0,1 µm abtrennen lassen.
Der Filter zur Ultrafiltration umfasst ein Membranpaket, welches gemäß der Erfindung teilweise hydrophobe Membranen umfasst.
Unter hydrophoben Membranen werden Membranen verstanden, deren Oberfläche sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Filters zumindest teilweise nicht mit Wasser benetzt.
Insbesondere wird eine Oberfläche verwendet, deren Kontaktwinkel gegenüber Wasser mehr als 90°, vorzugsweise mehr als 110°, besonders bevorzugt mehr 120° beträgt.
Als hydrophobes Material kann beispielsweise ein Polyhalogenolefin, insbesondere Polytetraflouretylen (PTFE) verwendet werden.
Die restlichen Membranen des Membranpakets, also die nicht hydrophob im Sinne der Erfindung ausgebildeten Membranen werden bei bestimmungsgemäßen Gebrauch mit Wasser benetzt.
Insbesondere wird ein Material verwendet, bei dem der Kontaktwinkel gegenüber Wasser weniger als 80°, vorzugsweise weniger als 75° beträgt.
Beispielsweise kann für diese Membranen ein Polyethersulfon verwendet werden. Denkbar ist auch die Verwendung von Polyacrylnitril oder/von ZelluloseTriAcetat.
Die beiden letztgenannten Materialien haben gegenüber Polyethersulfon einen kleineren Kontaktwinkel gegenüber Wasser. Aber bereits die Verwendung von Membranen aus Polyethersulfon ermöglicht die Ausbildung eines Filters zur Ultrafiltration, welcher in der Regel auch für einen schwerkraftbetriebenen Betrieb geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die hydrophoben Membranen nicht mit dem zu filternden Medium benetzt werden, sondern dass Gasblasen in oder entlang der hydrophoben Membranen aufsteigen und den Filter verlassen können. Mithin wird der erfindungsgemäße Filter zur Ultrafiltration nicht durch Gasblasen blockiert. Es versteht sich, dass ein solcher Filter für einen Bubble-Point-Test nicht geeignet wäre, da der Filter durchgängig auch für größere Gasblasen ist.
Es hat sich in überraschender Weise herausgestellt, dass bereits ein relativ geringer Anteil an hydrophobem Material ausreicht, um ein Blockieren des Filters durch Gasblasen zu vermeiden.
Insbesondere weist das Membranpaket zu weniger als 50%, vorzugsweise zu weniger als 25%, besonders bevorzugt zu weniger als 50% hydrophobe Membranen auf, wobei in diesem Sinne die Anzahl der Membranen verstanden wird.
Die Membranen des Membranpakets sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Kapillarmembranen ausgebildet. Bei derartigen Kapillarmembranen wird durch die Wände der Kapillarmembranen eine große Oberfläche bereitgestellt, durch die das zu filternde Medium den Filter passieren kann. Vorzugsweise bildet das offene Ende der Membranen die Permeatseite, d.h. insbesondere ist vorgesehen, dass die Membranen in einer Hülse angeordnet und umgebogen sind, so dass die offenen Enden der Membranen den Auslauf des Filters bilden.
Das zu filternde Wasser läuft mithin von Außen in die Membranen ein und tritt über das offene Ende der Kapillarmembranen aus. Gas kann dagegen entlang der hydrophoben Kapillarmembranen, welches sich im Betrieb nicht mit Flüssigkeit füllen, nach oben aufsteigen und den Filter verlassen.
Die Kapillarmembranen haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser (Außendurchmesser) von 0,005 bis 0,1 µm, vorzugsweise von 0,01 bis 0,5 µm und besonders bevorzugt von 0,015 bis 0,025 µm.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Ultrafiltration von Flüssigkeiten, insbesondere von Trinkwasser, wobei die Flüssigkeit ein Membranpaket aus Kapillarmembranen passiert, welche teilweise hydrophob ausgebildet sind, so dass in der Flüssigkeit vorhandenes Gas zumindest teilweise durch die hydrophoben Kapillarmembranen ausgeleitet wird. Insbesondere wird ein vorstehend beschriebener Filter zur Ultrafiltration verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch für einen schwerkraftbetriebenen Betrieb.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen schwerkraftbetriebenen Wasserhaushaltsfilter. Dieser umfasst einen Filter zur Ultrafiltration, insbesondere einen vorstehend beschriebenen Filter zur Ultrafiltration.
Der schwerkraftbetriebene Wasserhaushaltsfilter umfasst in der Regel ein Filtermedium, welches ein Ionenaustauschermaterial umfasst. Insbesondere wird ein Ionenaustauscherharz verwendet. In der Regel werden derartige schwerkraftbetriebene Wasserhaushaltsfilter vor allem zur Enthärtung des Wassers verwendet. Gleichzeitig können je nach Ausgestaltung aber Schadstoffe, vor allem Schwermetalle, entfernt werden.
Durch die zusätzliche Bereitstellung eines Filters zur Ultrafiltration wird es aber auch ohne Verwendung von Chemikalien ermöglicht, Bakterien nahezu vollständig und auf sehr einfache Weise aus dem aufzubereitenden Wasser zu entfernen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Filter zur Ultrafiltration unterhalb des Ionenaustauschers angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der Filter zur Ultrafiltration von einem weiteren Bestandteil des Wasserhaushaltfilters, insbesondere von einer Filterkartusche mit einem Ionenaustauscherharz, abtrennbar ausgebildet.
So kann insbesondere beim Austausch des Ionenaustauschermaterials der Filter zur Ultrafiltration, welcher in der Regel eine längere Lebensdauer besitzt, abgetrennt und wiederverwendet werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Wasserspender. Der Wasserspender umfasst in der Regel einen Wasservorratsbehälter sowie eine Betätigungseinrichtung zur Abgabe von Trinkwasser, welches beispielsweise auch als gesüßtes Kaltgetränk abgegeben werden kann.
Weiter kann der Wasserspender eine Vorrichtung zum Kühlen des abzugebenden Wassers aufweisen.
Weiter umfasst der Wasserspender in der Regel einen Standfuß, und kann so insbesondere im gewerblichen Bereich aufgestellt werden damit Kunden Wasser entnehmen können.
Gemäß der Erfindung umfasst der Wasserfilter einen Filter zur Ultrafiltration, welcher vorzugsweise als Auslauf des Wasserspenders ausgebildet ist.
Durch die Erfindung kann verhindert werden, dass Bakterien, welche sich möglicherweise im Vorratsbehälter oder den angrenzenden Leitungen bilden, abgegeben werden.
Ist der Filter als Auslauf ausgebildet, so läuft das Wasser direkt aus dem Filter in das Behältnis des Benutzers. Durch die Verwendung des Wasserfilters als letztes Bauteil im Wasserweg wird sichergestellt, dass selbst Keime, die sich am oder im Auslauf bilden nicht abgegeben werden können.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Auslauf von einem Berührschutz umgeben. Es ist insbesondere eine Wand vorgesehen, die sich von oben zumindest bis zur Höhe des Auslaufes erstreckt, so dass der Auslauf gegen versehentliches Berühren geschützt ist.
So wird verhindert, dass sich an der einzigen permeatseitig vorhandenen Fläche Keime bilden.
Vorzugsweise umfasst der Wasserspender einen Filter, wie er vorstehend beschrieben ist, also einen Filter zur Ultrafiltration, bei dem das Membranpaket hydrophobe Membranen umfasst.
So ist es möglich, dass der Wasserspender kohlensäurehaltiges Wasser abgeben kann.
Beschreibung der Zeichnungen:
Die Erfindung soll im Folgenden Bezug nehmend auf schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen 1 bis 4 näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Filters zur Ultrafiltration 1.
Der Filter zur Ultrafiltration 1 umfasst ein Membranpaket 2, welches in einer Hülse 4, die vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet ist, angeordnet ist.
Die Membranen des Membranpakets 2 sind als Kapillarmembranen ausgebildet.
Diese sind in der Hülse 4 umgebogen und permeatseitig in einer Vergussmasse 5 eingebettet. Das offene Ende der Kapillarmembranen 6 bildet somit den Auslauf.
Es versteht sich, dass in dieser schematischen Ansicht nur wenige Kapillarmembranen dargestellt sind, und dass der Filter zur Ultrafiltration 1 eine Vielzahl von Kapillarmembranen 3 aufweist.
Die Hülse 4 umfasst Befestigungsmittel 6, welche beispielsweise als Bajonettverschluss oder als Gewinde ausgebildet sein können.
2 zeigt eine schematische Ansicht auf die Stirnseite, also den Auslauf des Filters zur Ultrafiltration 1.
Zu erkennen ist, dass ein Teil der Kapillarmembranen 3b in diesem Ausführungsbeispiel zur schematischen Darstellung der Erfindung mit einer Textur versehen ist, die Kapillaren 3b sind hydrophob ausgebildet, wohingegen die Kapillarmembranen 3a derart hydrophil sind, dass sie bei bestimmungsgemäßen Gebrauch das Wasser aufnehmen können.
Im Betrieb kann nunmehr Gas durch die hydrophoben Kapillarmembranen 3b nach oben aufsteigen.
Das zu filternde Wasser läuft durch die offenen Enden der Kapillarmembranen 3a aus. Der Filter zur Ultrafiltration kann so nicht durch Gasblasen blockiert werden.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines schwerkraftbetriebenen Wasserhaushaltsfilters 7.
Der schwerkraftbetriebene Wasserhaushaltsfilter 7 umfasst eine Kanne zur Aufnahme des gefilterten Wassers.
Weiter umfasst der Wasserhaushaltsfilter 7 einen Trichter 9, in den aufzubereitendes Wasser eingegossen wird.
Dieses passiert eine Filterkartusche 10, welche mit einem Ionenaustauschermaterial befüllt ist.
Nach Passieren der Filterkartusche 10 passiert das Wasser einen Filter zur Ultrafiltration 1, welcher mit der Filterkartusche 10 abnehmbar verbunden ist.
Durch den Filter zur Ultrafiltration 1 werden Bakterien entfernt. Beim nötigen Austausch der Filterkartusche 2 kann der Filter zur Ultrafiltration abgenommen und wiederverwendet werden.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Wasserspenders 11. Der Wasserspender 11 umfasst einen Wasserbehälter 12, der in ein Gehäuse 13 eingesetzt ist.
Am Gehäuse ist ein Betätigungsmittel 14 angeordnet, auf welches der Benutzer drücken kann. Sodann fließt durch den Auslauf 15 Wasser in den Becher 16 des Benutzers, welcher in einer Standfläche des Gehäuses 13 angeordnet werden kann.
Der Auslauf 15 ist als Filter zur Ultrafiltration 1 ausgebildet.
Das gefilterte Wasser läuft mithin direkt aus dem Filter zur Ultrafiltration 1 aus.
Vor dem Auslauf 15 ist ein Berührschutz 17 in Form einer umlaufenden Wand angeordnet, mittels dessen verhindert wird, dass der Benutzer unbeabsichtigt an den Auslauf 15 greift und diesen mit Bakterien verunreinigt.
Durch die Erfindung konnte eine einfach ausgebildete Vorrichtung zur Ultrafiltration bereitgestellt werden, bei der sichergestellt ist, dass diese nicht durch im Wasser gelöste Gase blockiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Filter zur Ultrafiltration
2: Membranpaket
3: Kapillarmembran
4: Hülse
5: Vergussmasse
6: Befestigungsmittel
7: Wasserhaushaltsfilter
8: Kanne
9: Trichter
10: Filterkartusche
11: Wasserspender
12: Wasserbehälter
13: Gehäuse
14: Betätigungsmittel
15: Auslauf
16: Becher
17: Betätigungsschutz

Claims

Filter zur Ultrafiltration, umfassend ein Membranpaket, wobei das Membranpaket teilweise hydrophobe Membranen umfasst.
Filter zur Ultrafiltration nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen des Membranpakets als Kapillarmembranen ausgebildet sind.
Filter zur Ultrafiltration nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarmembranen einen mittleren Durchmesser von 0,005 bis 0,1 µm, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 µm und besonders bevorzugt 0,015 bis 0,025 µm aufweisen.
Filter zur Ultrafiltration nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranpaket zu weniger als 50%, vorzugsweise zu weniger als 25 %, besonders bevorzugt zu weniger als 10% hydrophobe Membranen aufweist.
Filter zur Ultrafiltration nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranpaket in einer Hülse, insbesondere einer Kunststoffhülse, angeordnet ist.
Filter zur Ultrafiltration nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen des Membranpakets auf einer Seite der Hülse umgebogen sind und auf der gegenüberliegenden Seite enden, welche die Permeatseite bildet.
Filter zur Ultrafiltration nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophoben Membranen aus einem Polyhalogenolefin, insbesondere aus PTFE, ausgebildet sind.
Verfahren zur Ultrafiltration von Flüssigkeiten, insbesondere von Trinkwasser, wobei die Flüssigkeit ein Membranpaket aus Kapillarmembranen passiert, welche teilweise hydrophob ausgebildet sind und in der Flüssigkeit vorhandenes Gas zumindest teilweise durch die hydrophoben Kapillarmembranen ausgeleitet wird.
Verfahren zur Ultrafiltration nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit schwerkraftbetrieben das Membranpaket passiert.
Schwerkraftbetriebener Wasserhaushaltsfilter, umfassend einen Filter zur Ultrafiltration, insbesondere einen Filter zur Ultrafiltration nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Schwerkraftbetriebener Wasserhaushaltsfilter nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter zur Ultrafiltration unterhalb eines Ionenaustauschers angeordnet ist.
Schwerkraftbetriebener Wasserhaushaltsfilter nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter zur Ultrafiltration als vom Ionenaustauscher abnehmbare Hülse ausgebildet ist.
Wasserspender, umfassend einen Filter zur Ultrafiltration, insbesondere einen Filter zur Ultrafiltration nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Wasserspender nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslauf des Wasserspenders als Filter zur Ultrafiltration ausgebildet ist.
Wasserspender nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslauf von einem Berührschutz umgeben ist.
Wasserspender nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserspender kohlensäurehaltiges Wasser enthält.