DE1159394B - Ultrafilter mit einer semipermeablen Filtermembran aus Cellulosederivat - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultrafilter mit einer semipermeablen Filtermembran aus Cellulosederivat, die einen minimalen Porendurchmesser von 500 m;.i hat und zwei von Medien durchströmte Räume trennt, die mit einer Pumpe in Verbindung stehen.

Es sind bereits Membranfilter bekannt, deren Trennmechanismus auf einem äußerst feinen Porensystem beruht, das gegenüber dispergierten Stoffen (Feinstäube, Niederschläge, Kolloide, Hefen, Bakterien, Viren) wie ein Sieb wirkt. Die Filtersubstanz besteht hauptsächlich aus Celluloseestern bzw. Celluloseregeneraten, deren Porenweiten bei Membran- und Cellafiltern 1000 bis 100 πΐμ, bei Ultrafein- und Ultracellafiltern 100 bis 5 ΐημ betragen.

Als Ultrafiltration wird die Trennung kolloiddisperser Systeme in die durch das Ultrafilter zurückgehaltene disperse Phase und das als Ultrafiltrat anfallende Dispersionsmittel bezeichnet. Das ursprüngliche kolloiddisperse System, z. B. die kolloide Lösung, wird durch Ultrafiltration in seine Bestandteile zerlegt und damit zerstört, während es im Gegensatz hierzu bei seiner Reinigung von echt gelösten Stoffen durch Dialyse erhalten bleibt. In Abhängigkeit von dem Arbeitsziel wird man daher die Dialyse oder Ultrafiltration anwenden.

Ferner ist ein Gerät zur Ultrafiltration bzw. Konzentrierung von Lösungen bekannt, deren gelöste Partikel so hochmolekular sind, daß sie durch eine semipermeable Membran zurückgehalten werden. Das Arbeitsprinzip dieses bekannten Gerätes beruht darauf, daß die zu konzentrierende Lösung mit HiKe einer Schlauchpumpe aus einem Vorratsgefäß in die ein- oder mehrmals unterteilten Substanzkammern des Ultrafilters und von dort wieder in das Vorratsgefäß zurückgepumpt wird. Die Lösung wird dabei in einem ständigen Kreislauf an der Membran vorbel·- geführt und unter weitgehender Ausnutzung der Membran umgewälzt. Auf der anderen Seite der Membran ist eine Vakuumpumpe angeschlossen, die einen mittleren Unterdruck von etwa 15 bis 50 Torr erzeugt. Die hochmolekularen Partikel, für die die Membran undurchlässig ist, bleiben in der zirkulierenden Lösung, während die kleineren Moleküle, z. B. die anorganischen Salze, vor allem aber das Lösungsmittel, in den meisten Fällen Wasser, durch die Poren der Membran hindurchdringen und hinter der Membran als Filtrat erscheinen.

Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen von reinen Oberflächen- und Ultrafiltern werden in dünnen Folien, z. B. aus Cellulosederivaten, Sieblöcher konstanter vorgegebener Größe und Form in Ultrafilter mit einer semipermeablen
Filtermembran aus Cellulosederivat

Anmelder:

Technicon Instruments Corporation,
Chauncey, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. November 1959 (Nr. 853 488)

Andres Ferrari, Scarsdale, N. Y. (V. St. A.).
ist als Erfinder genannt worden

gewünschtem Abstand durch Einbrennen mit einem Kathodenstrahl erzeugt. Hierbei wird zunächst in an sich bekannter Weise eine Kollodiumfolie von etwa 1 bis 100 ηίμι Dicke hergestellt, die dann im Vakuum mit einem feingebündelten Kathodenstrahl wie ein Bild in einem Fernsehempfänger abgerastert wird. Der Elektronenbrennfleck hat dabei eine Größe, die etwa gleich der gewünschten Porengröße ist.

Schließlich ist ein Dialysator mit einer halbdurchlässigen Membran vorgeschlagen worden, die zwischen den Innenflächen zweier zusammengehöriger Platten eigeklemmt ist, in denen je eine Rille spiralförmig zum Mittelpunkt und wieder zurück verläuft, wobei der Einlaß und Auslaß der Rillen jeweils an den Außenenden des Flüssigkeitsweges benachbart angeordnet sind.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ultrafiltration anzugeben, mit der die Geschwindigkeit der Ultrafiltration wirkungsvoll geändert oder gesteuert werden kann, ohne daß dabei die Verwendung von Membranen verschiedenartiger Porengrößen für die verschiedenen Filtrationsgeschwindigkeiten erforderlich sind.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ultrafiltration, bei der der Vorgang der Ultrafiltration kontinuierlich durchgeführt wird und die durch die Membran gelangte Substanz von einer

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Flüssigkeitsmenge getrennt wird, die vor der Membran vorbeiströmt, und diese Substanz in eine Flüssigkeit gelangt, die auf der anderen Seite der Membran strömt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ultrafiltration, bei dem die Filtration kontinuierlich durchgeführt werden kann, indem ein einfaches und leicht verfügbares Gerät verwendet wird, : -: : .-.

Bei einem Ultrafilter der eingangs bezeichneten Art erfolgt gemäß der Erfindung eine an sich bekannte Flüssigkeitsdosierung mittels umlaufender Drückrollen, die über - aus elastischem Material bestehende Leitungen kontinuierlich führbar sind; jeweils unterschiedliche Teilmengen sind in diesen Leitungen auf Grund unterschiedlicher Durchmesser der Leitungen einstellbar, wobei die maximale Porenweite der Membran 1000 ηιμ beträgt.

Die Erfindung sowie deren Merkmale und Vorteile seien an Hand einiger Figuren erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Ansicht eines Geräts zur Ultrafiltration,

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab die Innenseite eines Teils der Vorrichtung entsprechend einem Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt'im vergrößerten Maßstab entlang der Linie 3-3 in Fig, I.

Das Gerät zur Ultrafiltration gemäß der Erfindung enthält das Filter 10 -und eine Dosierpumpe 12, die mit dem Filter über;, die Leitungen 14, 16 und 18 verbunden ist.

Das Filter 10 besitzt eine semipermeable Membran 20, die sich zwischen zwei mit Einkerbungen versehenen Platten öder Gliedern 22 befindet. Mit Ausnahme der Porengröße der Membran 20 besitzt das Filter vorzugsweise dieselbe Konstruktion wie ein bekannter Dialysator. Die Membran liegt zwischen den beiden Plätten 22, die vorzugsweise aus Plexiglas bestehen, und jede dieser Platten enthält eine spiralförmige Einkerbung 24 auf ihrer Innenfläche 26. Diese Rille 24 wird etwa in der Mitte ihrer Länge wieder zurückgeführt, wie an der Stelle 28' in Fig. 2 zu erkennen ist, so daß der Einlaß 28 und der Auslaß 30 der Rille nahe zueinander und in der Nähe der äußeren Peripherie der Platte liegen. Nippel 32 sind an jeder Platte an den Enden der Rillen befestigt für die Verbindung der Leitung zu und von den Rillen 24. In Fig. 1 besitzen die Nippel 32 jeder Platte einen beträchtlichen Abstand voneinander, da diese Ansicht schematisch ist und der gezeigte Abstand der Nippel die Darstellung vereinfacht. In der bevorzugten Ausführungsform, die in den, Fig. 2 und 3 dargestellt ist, liegen die Nippel jeder Platte nahe beieinander.

Die Rille 24 einer der einander zugeordneten Platten 22 stimmt überein mit der Rille 24 in der anderen Platte, sie ist jedoch davon getrennt durch die Membran 20, so daß eine Substanz in einer Flüssigkeit, die in der Rille 24 auf der einen Seite der Membran 20 fließt, von dieser Flüssigkeit nur gefiltert werden kann, wenn sie durch die Poren der Membran in die Flüssigkeit eintritt, die in der Rille auf der anderen Seite der Membran liegt.

Gemäß der Erfindung besitzt die semipermeable Membran 20, die aus einer Schicht von glatter glasklarer Zellulosehydratfolie, d. h. reiner regenerierter Zellulose besteht, eine Porengröße, die beträchtlich größer als die Porengröße der üblichen Dialysatormembranen ist. Zum Beispiel besitzt eine übliche Membran für einen Dialysator eine Porengröße von etwa 40 bis 60 Angström, während die Porengröße der Filtermembran 20 größenordnungsmäßig 5000 bis 10 000 Angström, das ist 500 bis 1000 ηιμ, beträgt. Die Verwendung einer Membran mit größeren Poren ermöglicht, daß ein größerer Anteil der Substanz, die von einer Flüssigkeit getrennt werden soll, in der sie enthalten ist, durch die Membran hindurchfiltrieren kann, ohne daß dazu ein zu großer Flüssigkeitsdruck in erforderlich ist. Dies ist ein besonderer Vorteil, besonders bei der Durchführung von Analysen von Flüssigkeiten im Hinblick auf Substanzen, die in dieser in sehr kleinen Mengen vorhanden sind, wie dies z. B. bei der Analyse des Kesselwassers einer Dampfkesselanlage im Hinblick auf die Chloride der Fall ist, die in nur sehr kleinen Mengen vorhanden sind, d. h. einige Teile Chloride im Vergleich zu einigen Milliarden Teilen des Kesselwassers. Im Falle der Analyse einer derartigen Flüssigkeit in einer Einrichtung, bei der eine Dialyse durchgeführt wird, ist beispielsweise die Menge der Substanz, die durch die Dialysatormembran hindurchdiffundieren kann, nicht ausreichend, um eine genügende Empfindlichkeit der Analyse zu gewährleisten.

Im folgenden soll der Zusammenhang zwischen der Dosierpumpe 12 und dem Filter 10 näher erläutert werden. In dem Gerät nach der Erfindung besitzt diese Dosierpumpe eine Reihe elastischer Schläuche 34, 36, 38, die einen verschiedenen Innendurchmesser, jedoch dieselbe Wanddicke besitzen. Bei dem Betrieb der Pumpe werden diese Schläuche gleichzeitig und fortschreitend entlang ihrer Längen zusammengedrückt gegen eine Platte 40 durch eine Reihe von Druckrollen 42, die von einer endlosen Kette 44 getragen werden, die von einem nicht dargestellten Motor angetrieben wird, um zu bewirken, daß die Flüssigkeit in Richtung der Pfeile in Fig. 1 strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit in den Leitungen 14, 16 und 18 und durch den Auslaß 46 des Filters 10 kann vorherbestimmt werden, indem die elastischen Pumpschläuche einen geeigneten Innendurchmesser besitzen, ohne daß die Geschwindigkeit der Bewegung der Druckrollen 42 entlang dieser Schläuche geändert wird.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind Vorkehrungen getroffen, um die Geschwindigkeit der Filtration zu steuern. Zu diesem Zweck besitzt die Leitung 34 und 14, durch die die Flüssigkeit, die filtriert werden soll, dem Filter 10 zugeführt wird, einen größeren Innendurchmesser als die Leitung 16 und 36, durch die die Flüssigkeit von dem Filter weggeleitet wird. Gleichzeitig mit der Strömung der Flüssigkeit durch die Leitung 14 und 16 zu dem Filter und durch die Rille 24 auf der einen Seite der Membran 20 wird eine Flüssigkeit durch die Leitungen 38 und 18 dem Filter zugeführt und durch die Rille 24 auf der anderen Seite der Membran, um auf das Filter 10 durch den Auslaß 46 zu fließen. Während des Durchgangs der Flüssigkeit durch das Filter auf gegenüberliegenden Seiten der Membran 20 filtriert eine gewisse Menge der Substanz, die in der Flüssigkeit enthalten ist, die über die Leitung 14 zugeführt wird, und die von dieser Flüssigkeit getrennt werden soll, durch die Membran 20 in die Flüssigkeit, die durch das Filter auf der anderen Seite der Membran strömt. Diese zuletzt erwähnte Strömung wird über den Auslaß 46 abgelassen und zur weiteren Behandlung oder Analyse in einem

kontinuierlichen automatischen Analysegerät weitergeleitet.

Der Unterschied der Strömungsgeschwindigkeiten durch die Leitung 14 und 16 repräsentiert die Filtrationsgeschwindigkeit durch die Membran 20, die oben beschrieben wurde. Wenn z. B. die zu analysierende Flüssigkeit über die Leitung 14 mit einer Geschwindigkeit von 5 ml/Min und die filtrierte Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 1,2 ml/Min strömt, ergibt sich ein Durchdringen der Membran mit einer Geschwindigkeit von 3,8 ml/Min. Die Flüssigkeit, die zu dem Filter über die Leitungen 38 und 18 weitergeführt wird, ist vorzugsweise ein Reagenz für die quantitative kolorimetrische Analyse der Substanz. Die Strömungsgeschwindigkeit des Reagenz kann geändert werden, ohne die Filtrationsgeschwindigkeit der Substanz durch die Membran und in das Reagenz zu beeinflussen, jedoch beträgt im Falle der angegebenen Filtrationsgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit des Reagenz 2,4 ml/Min. Diese Geschwindigkeiten sind diejenigen, die z. B. bei der quantitativen Analyse von Kesselwasser im Hinblick auf ihren Chloridgehalt mit Hilfe bekannter oder geeigneter Methoden verwandt werden können, die jedoch vorzugsweise in einem bekannten automatischen Analysegerät durchgeführt werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist nicht für eine spezielle Analyse, sondern allgemein zur Ultrafiltration geeignet.

Als erläuterndes Ausführungsbeispiel einer Ver-Wendung der Erfindung bei der Behandlung von Kesselwasser für die kolorimetrische Analyse zur Feststellung von Chloriden basiert der Nachweis auf der Bildung des Eisenthioxyanatkomplexes, und das zu analysierende Wasser wird mit einer reagierenden Komponente gemischt, die im wesentlichen aus einer gerade vorgemischten Strömung einer 6%igen Eisenalaunlösung (FeNH₄(SO₄)2/6 NHNO₃) und gesättigtem Quecksilberthiocyanat besteht, indem das Wasser und das Reagenz durch die Leitungen 14 bzw. 18 gepumpt werden, in das Filter 10 auf gegenüberliegenden Seiten der Membran 20 mit den oben angegebenen Strömungsgeschwindigkeiten. Die resultierende Flüssigkeitsströmung, die aus dem Auslaß des Filters austritt, wird dann zu der Durchflußzelle eines Kolorimeters mit Registriergerät (nicht dargestellt) weitergeleitet, um das Ergebnis der quantitativen Bestimmung entsprechend der Arbeitsweise des Registriergeräts aufzuzeichnen, das von dem Kolorimeter gesteuert wird.

Für den Anspruch 2 wird nur im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ultrafilter mit einer semipermeablen Filtermembran aus Cellulosederivat, die einen minimalen Porendurchmesser von 500 ηΐμ hat und zwei von Medien durchströmte Räume trennt, die mit einer Pumpe in Verbindung stehen, da durch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Flüssigkeitsdosierung mittels umlaufender Druckrollen (42) erfolgt, die über aus elastischem Material bestehende Leitungen (34, 36, 38) kontinuierlich führbar sind, und daß jeweils unterschiedliche Teilmengen an diesen Leitungen auf Grund unterschiedlicher Durchmesser der Leitungen (34, 36, 38) einstellbar sind, wobei die maximale Porenweite der Membran 1000 πΐμ beträgt.

2. Ultrafilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenleitungen (34 und 38) je an eine in einer Platte (22) ausgebildete Rille (24), die den von Medien durchströmten Raum bildet und von der anderen, in einer weiteren Platte (22) ausgebildeten Rille (24) durch die Membran (20) getrennt ist, über je einen Einlaß (32) angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 712 434;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1096 330;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1792 025;
USA.-Patentschriften Nr. 2 797 149, 2 864 507.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1096 330.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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