DE102014221837A1

DE102014221837A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung von schadstoffbeladenen Membranfiltern

Info

Publication number: DE102014221837A1
Application number: DE102014221837.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Krüger; Matthias Leifheit; Ute Fürstenhof
Original assignee: Gmbu Ges Zur Forderung Von Medizin- Bio- und Umwelttechnologien E V; Gmbu Von Medizin- Bio- und Umwelttechnologien Ev Gesell zur Forderung
Current assignee: Gmbu Ges Zur Forderung Von Medizin- Bio- und Umwelttechnologien E V; Gmbu Von Medizin- Bio- und Umwelttechnologien Ev Gesell zur Forderung
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: DE102014221837B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von Membranfiltern oder Membranfiltermodulen bei Trennverfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen und Wässern, wobei die Schadstoffe an einer Membranfilteroberfläche aufkonzentriert werden. Zur oxidativen Entfernung der Schadstoffe von den Membranfilteroberflächen werden diese bei Rückgang der Filtrationsrate vollständig mit UV-Licht bestrahlt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen von Membranfiltermodulen, bevorzugt zur vor-Ort Regenerierung, welche neben Membranfiltern oder -modul(en) eine UV-Einheit aufweist. Die Membranfilter/-module besitzen vorzugsweise eine Rohr- oder Plattengeometrie. Die vor-Ort-Regenerierung wird durch die UV-oxidative Einheit gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von Membranfiltern oder Membranfiltermodulen bei Trennverfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen und Wässern, wobei die Schadstoffe an einer Membranfilteroberfläche aufkonzentriert werden. Zur oxidativen Entfernung der Schadstoffe von den Membranfilteroberflächen werden diese bei Rückgang der Filtrationsrate vollständig mit UV-Licht bestrahlt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen von Membranfiltermodulen, bevorzugt zur vor-Ort Regenerierung, welche neben Membranfiltern oder -modul(en) eine UV-Einheit aufweist. Die Membranfilter/-module besitzen vorzugsweise eine Rohr- oder Plattengeometrie. Die vor-Ort-Regenerierung wird durch die UV-oxidative Einheit gewährleistet.
Die Entfernung von Schadstoffen aus mit Schadstoffen belasteten Wässern bzw. Gasen unter Verwendung von Membranfiltermodulen ist bekannt, wobei die Membranfilter/-module von mit Schadstoffen belasteten Gasen oder Wässern durchströmt werden. Bei diesem Prozess lagern sich die Schadstoffe als Schicht auf den porösen Membranen an. Das heißt, die Schadstoffe werden an der Membranoberfläche adsorbiert bzw. aufkonzentriert. Ab einer bestimmten Beladung wirken die Schadstoff-Ablagerungen leistungsmindernd auf das Membranfiltermodul, d. h. die Filtrationsrate der Membranfilter sinkt durch die vermehrt vorhandenen Ablagerungen und geht bis auf Null zurück, so dass der Filtrationsprozess zum Erliegen kommt.
Marktverfügbar sind Membranfilter mit einem Regenerationsprozess bei der Herstellung der Filtermaterialien selbst, wobei die Grundlage die Kombination biologischer mit nicht biologischen Wirkprinzipien zur Beseitigung der Emission von Schad- und Geruchsstoffen bilden ( DE 10 2011 014 649 A1 ). Ein Trägermaterial, die eine Sorptionskomponente gemeinsam mit einem Pool von bis zu 50 höchst wirksamen adaptierten Mikroorganismen aufweist, wird eingesetzt. Bei diesem Prozess findet simultan eine Regenerierung der Sorptionskomponente durch die Mikroorganismen statt.
UA 80384 C2 beschreibt Membranen, die ein poröses polymeres Substrat und eine Schicht von Oxiden von Übergangmetallen mit Partikelgrößen von 1–5 μm mit antibakteriellen Eigenschaften aufweisen, und deren Regenerierung bei der Verwendung zur Entfernung von Kleinstlebewesen, die in Wasser enthalten sind. Antimikrobielle Bestandteile in der Membran sollen die Entstehung von Biofilmen verhindern. Das Patent beschreibt den Herstellungsprozess der Membran durch UV-Härtung mit einer Strahlungsleistung von 150–160 μW/cm² und einer Wellenlänge von 345–395 nm.
Ein wesentlicher Nachteil der bisher marktverfügbaren Verfahren zur Regenerierung besteht darin, dass eine Regenerierung von nicht mehr durchlässigen Membranfiltern während eines aktiven Produktionsprozesses nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Regenerierung von Membranfiltern in Trennverfahren bereitzustellen, das die Regenerierung von teilweise oder vollständig undurchlässigen Membranfiltern unkompliziert, kostengünstig und effektiv vor Ort gestattet, so dass das Membranfiltersystem einerseits Schadstoffe aus Fluiden oder Gasen adsorbiert und andererseits die an der Membranoberfläche aufgenommenen Schadstoffe mineralisiert, um so eine kontinuierliche Betriebsweise realisieren zu können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und ein Membranfiltersystem gelöst, insbesondere zur vor-Ort-Regenerierung von Membranfiltermodulen, wobei UV-Strahlungseinheiten integriert sind.
Membranfilter sind mikroporöse Membranen, bestehend aus einer festen Matrix mit definierten Poren mit definierten Durchmessern. Sie werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, einschließlich Keramik, Metallen, Metalloxiden und Polymeren. Bezüglich ihrer Struktur können sie symmetrisch (der Porendurchmesser variiert nicht über den Membranquerschnitt) oder asymmetrisch (der Porendurchmesser steigt von der einen Seite der Membran zur anderen um den Faktor 10–1000) aufgebaut sein. Die Membranfiltration erfolgt ausschließlich durch einen Druckgradienten, wobei der Filtereffekt vom mittleren Porendurchmesser bestimmt wird. Die Membranfiltration ist eine Siebfiltration, das heißt, die Abscheidung der Schadstoffe erfolgt überwiegend auf der Membranoberfläche. Die technische Membrananordnung geschieht in sogenannten Modulen, wobei Platten-, Wickel-, Rohr-, Kapillar- und Hohlfasermodule verwendet werden können.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kommen bevorzugt Rohr- und Plattenmodule zur Anwendung. Bei Rohrmodulen liegt die rohrförmige Membran in Schlauchform auf der Innenseite druckfester Rohre, die definierte Durchmesser aufweisen. Eine zu reinigende Lösung wird durch das Innere des Rohres gepumpt, das Filtrat durchdringt die Membran und wird in den Außenraum abgezogen. Der Druckverlust in einem Rohrmodul ist sehr gering. Wesentliche Elemente bei Plattenmodul-Konstruktionen sind die Flachmembran, die Platte zur Membranabstützung und die Platten zur Prozessflüssigkeits-seitigen Strömungsführung (Abstandshalter, Spacer). Diese werden in geeigneter Weise neben- oder übereinander zu Stapeln zusammengefügt und durchströmt. Der Strömungsverlauf z. B. in einem Rundplattenfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat von je zwei Membranen separat nach außen abgeführt wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Rückgang der Trennleistung vorzugsweise bei Rückgang unter 80%, eine UV-Einheit in Betrieb genommen und die Membranfilter werden vollständig mit UV-Licht bestrahlt bis die Schadstoffe UV-oxidativ mineralisiert sind. Gemäß der Erfindung werden UV-Strahler eingesetzt, die eine UV-Bestrahlung mit einem breiten Spektrum gewährleisten, vorzugsweise erfolgt die Bestrahlung mit einer Strahlungsleistung von 20 bis 200 W/cm bei Wellenlängen von 240 bis 290 nm. Bei einer Bandbreite von 240 bis 290 nm werden in Gasen oder Wässern Mikroorganismen abgetötet und Schadstoffe und Partikel oxidiert.
So wird die Membran vollständig regeneriert und ist unmittelbar wieder einsetzbar, so dass vor Ort ein kontinuierliches Reinigungsverfahren gewährleistet ist. Auch während der Phase der Aufkonzentrierung eventuell auftretende Biofilme an der Membran können so in der Regenerationsphase entfernt werden. Die gesteuerte UV Einheit ist so angeordnet, dass die gesamte mit Schadstoff beladene Oberfläche des Membranfiltermoduls vollständig bestrahlt wird.
Die Filtrationsrate bzw. die Beladung der Membran wird bevorzugt über die Parameter Druckverlust an der Membran, Schichtdicke der Beladung auf der Membran und/oder Trübung der Wässer oder Gase ständig kontrolliert und bestimmt.
Der Druckverlust kann z. B. durch eine angeschlossene Differenzdruckmesstechnik, die Dicke der Ablagerungen z. B. mittels integrierter Sensoren zur Schichtdickenmessung und die Trübung z. B. durch integrierte Trübungsmesssonden bestimmt werden. Die Trennleistung wird über einen der vorgenannten Parameter ermittelt und demzufolge überwacht. Sinkt die Trennleistung unter den oben genannten 80%, wird die UV-Strahlung ausgelöst bis eine Trennleistung größer 95% erreicht ist.
In einer besonders effektiven Ausführungsvariante des Verfahrens wechseln sich die Phasen der Adsorption und Regenerierung in definierten Abständen ab. Die UV-Bestrahlung, die Regenerierungsphase, ist aber auch während des laufenden Reinigungsbetriebes, der Aufkonzentrierungsphase, anwendbar.
Durch Zugabe von herkömmlichen Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid, Hypochlorit oder deren Derivate oder Ozon und dem Vorhandensein katalytischer Substanzen wie Metalle oder Metalloxide, z. B. Titandioxid, in der Membran kann der UV-oxidative Regenerierungsprozess beschleunigt werden.
Die Wahl des Materials für das Membranfiltermodul richtet sich nach der Art der Schadstoffe und dem belasteten Medium. Membranfilter sind wie bereits ausgeführt mikroporöse Membranen, bestehend aus einer festen Matrix mit definierten Poren. Ein entscheidender Faktor ist die Porengröße als selektives Leistungsmerkmal und die UV-Stabilität. Die Porengröße der Membranen zur Schadstoffentfernung aus Gasen und Wässern kann zwischen 1 und 150 nm liegen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Membranfiltersystem zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen oder Wässern und zur vor-Ort Regenerierung der Membranfilter. Das Membranfiltersystem weist mindestens ein Membranfilter bzw. -modul und eine UV-Einheit auf.
Die UV-Einheit in dem Membranfiltermodul ist so angeordnet, dass eine UV-Bestrahlung der ganzen Membranfilteroberfläche gewährleistet ist. Bevorzugt sind zwei Anwendungsvorrichtungen möglich. Die eine Systemvariante integriert mindestens ein Rohrmembranfiltermodul und eine UV-Einheit. In der Regel befindet sich die UV-Einheit im Zentrum des Rohrmembranfiltermoduls. Eine andere Systemvariante weist mindestens ein Plattenmembranfiltermodul und mindestens eine UV-Einheit auf, welche über die gesamte Membranfilterfläche verteilt angeordnet ist.
Die UV-Einheit kann als UV-Strahler oder LED-System ausgeführt sein. Ihr Spektrum zeichnet sich durch eine weite und energiereiche Bandbreite aus mit den bevorzugten Wellenlängen von 240 bis 290 nm.
Vorzugsweise kommen UV-Mitteldruckstrahler zum Einsatz. Mitteldruckstrahler benötigen für Ihren Betrieb zwar eine hohe elektrische Leistung, können aber stufenlos geregelt werden.
In den Ausführungsbeispielen sind die unterschiedlichen Varianten ausführlich dargestellt.
Die Anmeldung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
1 zeigt ein Membranfiltersystem unter Verwendung eines rohrförmigen Membranfiltermoduls.
2 zeigt ein Membranfiltersystem unter Verwendung eines plattenförmigen Membranfiltermoduls.
Beispiel 1
Das Beispiel 1 beschreibt ein Rohrmembranfiltermodul (5) zur Reinigung von schadstoffbeladenen Wässern. Das verunreinigte Wasser (1) durchströmt die Membran (6), wobei die Schadstoffe an der Membranoberfläche (8) aufkonzentriert werden. Die Aufkonzentrierung bewirkt den Verschluss der Membranporen. Der Filterprozess kommt zum Erliegen. Zur Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Filterprozesses erfolgt eine quasi kontinuierliche Regenerierung der Membran durch eine UV-oxidative Mineralisierung (7) der aufkonzentrierten Schadstoffe. Die UV-Einheit (7), ausgeführt als UV-Mitteldruckstrahler, ist im Zentrum des Rohrmembranfiltermoduls (5) so angebracht, dass die Membranoberfläche vollständig bestrahlt wird. Das gereinigte Wasser (3) verlässt über einen Ablaufstutzen das Rohrmembranfiltermodul. Der Regenerierungszeitpunkt wird mit den Parametern Druckverlust (9) oder Schichtdicke (10) der Beladung oder Trübung (11) des zu reinigenden Wassers (1) ermittelt. Bei einer Wellenlänge in der Bandbreite von 240 bis 290 nm wird die UV-Einheit dann solange aktiviert, bis die Membran vollständig regeneriert ist, wobei die o. g. ausgewählten Parameter ständig kontrolliert werden. Der Oxidationsprozess kann durch katalytische Bestandteile (13) an der Membranoberfläche oder durch handelsübliche Oxidationsmittelzugabe (12) unterstützt werden.
Beispiel 2
Ein Plattenmembranfiltermodul (5) wird zur Reinigung von schadstoffbeladenen Gasen eingesetzt. Das verunreinigte Gas (2) durchströmt die Membran (6), wobei die Schadstoffe an der Membranoberfläche (8) aufkonzentriert werden. Die Aufkonzentrierung bewirkt den Verschluss der Membranporen. Der Filterprozess kommt zum Erliegen. Zur Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Filterprozesses erfolgt eine quasi kontinuierliche Regenerierung der Membran durch eine UV-oxidative Mineralisierung (7) der aufkonzentrierten Schadstoffe. Die UV-Einheit (7), ausgeführt als LED-System, ist über der gesamten Oberfläche des Plattenmembranfiltermoduls (5) so angebracht, dass die Membranoberfläche vollständig bestrahlt wird. Der Oxidationsprozess kann durch katalytische Bestandteile (13) an der Membranoberfläche oder durch handelsübliche Oxidationsmittelzugabe (12) unterstützt werden. Der Regenerierungszeitpunkt wird mit den Parametern Druckverlust (9) oder Schichtdicke (10) der Beladung wie in Beispiel 1 ermittelt.
Die UV-Einheit ist solange aktiviert, bis die Membran vollständig regeneriert ist entsprechend des o. g. ausgewählten Parameters. Das gereinigte Gas (4) verlässt über einen Ablaufstutzen das Filtermodul (5).
Bezugszeichenliste

1: verunreinigtes Wasser
2: verunreinigtes Gas
3: gereinigtes Wasser
4: gereinigtes Gas
5: Membranfiltermodul (rohr- bzw. plattenförmig)
6: Membran
7: UV-Einheit
8: Schicht der aufkonzentrierten Schadstoffe
9: Differenzdruckmesstechnik
10: Sensor zur Schichtdickenmessung
11: Trübungsmesssonde
12: Oxidationsmittelzugabe
13: Katalysator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011014649 A1 [0003]
UA 80384 C2 [0004]

Claims

Verfahren zum Regenerieren von Membranfiltern oder -modulen bei Trennverfahren in denen Schadstoffe aus Gasen oder Wässern an einer Membranfilteroberfläche aufkonzentriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Rückgang der Filtrationsrate die Membranfilteroberfläche zur oxidativen Entfernung der aufkonzentrierten Schadstoffe vollständig mit UV-Licht bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Rückgang der Filtrationsrate unter 80% das UV-Licht zur Anwendung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsrate anhand der Parameter Druckverlust an der Membran, Schichtdicke der Beladung auf der Membran und/oder Trübung der Wässer oder Gase bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidative Regenerierung durch UV-Licht am Membranfilter vor Ort erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilter katalytisch wirksame Substanzen enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der UV-Bestrahlung Oxidationsmittel zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Bestrahlung bei Wellenlängen von 240 bis 290 nm durchgeführt wird.
Membranfiltersystem zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen oder Wässern und gleichzeitigen Regenerierung der Membranfilter, dadurch gekennzeichnet, dass sie Membranfilter bzw. -modul(e) und eine UV-Einheit aufweisen, wobei die UV-Einheit so angeordnet ist, dass eine UV-Bestrahlung der ganzen Membranfilteroberfläche gewährleistet ist.
Membranfiltersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfilter in Rohr- oder Plattengeometrie aufgebaut ist.