DE19819676A1

DE19819676A1 - Keramik-Filterelement sowie Filteranordnung mit solchen Keramik-Filterelementen

Info

Publication number: DE19819676A1
Application number: DE19819676A
Authority: DE
Inventors: Gundula Fischer; Friedmar Kerbe; Dieter Seifert; Michael Stahn; Baerbel Voigtsberger
Original assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Current assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Priority date: 1998-05-02
Filing date: 1998-05-02
Publication date: 1999-11-04

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herstellbares, mechanisch stabiles Filterelement, das von einer Vielzahl paralleler Kanäle durchzogen ist und das durch Strangpressen als Monolith hergestellt ist, zu schaffen, bei welchem auch die Weglänge des Filtrates durch dieses Element insgesamt optimal ist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird durch einen Grundkörper des Keramik-Filterelementes gelöst, der von einer Vielzahl paralleler, in einer Richtung großer Flächenausdehnung verlaufender und in einer Ebene angeordneter Kanäle durchzogen ist, welcher eine offene Porosität > 15% und eine Porengröße < 20 mum aufweist. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Keramik-Filterelement ist für vielfältige Filtrationszwecke, auch für extreme Anwendungsfälle, wie die Sterilfiltration, anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Filterelement, das von einer Vielzahl paralleler Ka näle durchzogen ist und das durch Strangpressen als Monolith hergestellt ist. Dieses Keramik-Filterelement soll selbst als Filter oder als Stützkörper für eine Filtermem bran Anwendung finden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Filteranordnung mit sol chen Keramik-Filterelementen.

Solche Körper mit Kanälen kreisförmigen Querschnittes im Durchmesserbereich 0,1 mm bis 10 mm aus dichtgebrannter Keramik bzw. mit einer Porosität von maximal 40% sind für andere Anwendungsfälle, wie beispielsweise wärmefeste elektrische Iso lierkörper, seit langem bekannt (Katalog Nr. 5 "Keramische Rohre und Profilkörper (Strangpreß-Formstücke)" der Fa. Stemagwerk Pankow, 1950, S. 7, 18, 19 sowie Werkstofftabelle in Anlehnung an DIN 40 685). Diese Körper sind für Filtrations zwecke auf Grund der Porengröße sowie der im allgemeinen zu breiten Porengrö ßenverteilung nicht geeignet.

Sehr verbreitet sind in der Grundform prismatische Filter aus poröser Keramik, bei denen die Kanäle verschiedener, jedoch vorzugsweise untereinander gleicher Quer schnittsform gleichmäßig über einen runden oder Vieleckquerschnitt verteilt sind (siehe beispielsweise DE 41 31 407 A1, DE 41 34 223 C1, DE 92 07 879 U1). Eine sehr verbreitete Sonderform stellt dabei der sogenannte Wabenkörper dar, bei wel chem Kanäle meist quadratischen Querschnittes mit dünnen Zwischenwandungen gleichmäßig über den Querschnitt des Wabenkörpers selbst angeordnet sind (siehe beispielsweise DE 35 27 872 A1). Der Nachteil aller dieser Filterkörper besteht darin, daß zur Erzielung einer großen wirksamen Filterfläche sehr viele Kanäle mit folglich sehr dünnen Wandungen geformt werden müssen, was bei Formgebung und hin sichtlich der Stabilität Probleme aufwirft. Da die Kanäle weiterhin unterschiedlich weit von den Außenwandungen entfernt sind ergeben sich entweder unterschieldliche lange, nicht optimale Wege des Filtrats durch den porösen Körper, oder es müssen bei den Wabenkörpern nach einem fertigungstechnisch nicht unkomplizierten Verfah ren zwei Gruppen von jeweils schachbrettartig angeordneten Kanälen für Filtrat und Retentat gegeneinander versetzt an den beiden Stirnseiten der Wabenkörper ver schlossen werden, um die Flüssigkeit zu zwingen, nur jeweils eine Kanalwandung zu durchdringen, wo die Filtration erfolgt.

Schließlich sind flache prismatische Körper mit parallelen Rillen auf einer ihrer Sei ten bekannt, die paarweise zusammengesetzt einen Körper der eingangs geschilder ten Art ergeben. Dies gilt wiederum für dicht gebrannte, thermisch und/oder elek trisch isolierende Körper (a.a.O. Stemag-Katalog, S. 18), aber auch für Filter, bei de nen entweder auf der (den) ebenen Außenfläche(n) eine Filtermembran aufgebracht ist (WO 93/00154 A1) oder der ganze, entsprechend poröse Körper als Filter wirkt (DE 43 29 473 C1). Hiermit sind die oben geschilderten Mängel bezüglich der me chanischen Stabilität und der angestrebten minimalen Varianz der vom Filtrat im Fil ter- und ggf. Trägerkörper zurückgelegten Wegstrecken behoben. Als Nachteil ver bleibt das Problem der Abdichtung der Teilungsfuge.

Durch die Veröffentlichung WO 93/00154 A1 ist es auch bekannt, die beiden mit Ril len versehen Körper so zu verschweißen, daß prinzipiell ein Körper der eingangs er wähnten Art entsteht. Dadurch werden die Abdichtungsprobleme überwunden, aber das Verschweißen ist vor allem für Ausführungen aus Metall und Kunststoff denkbar, während es für die hier bevorzugten Ausführungen aus Keramik sehr schwierig bis unmöglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herstellbares, mechanisch stabiles Filterelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem auch die Weglänge des Filtrates durch dieses Element insgesamt optimal ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Das erfindungsgemäße Keramik-Filterelement erfüllt alle Anforderungen zur Verwen dung als Filter oder Filtermembran-Stützkörper. Insbesondere sind bei bezogen auf den Materialeinsatz optimaler Festigkeit gegenüber Innen- bzw. Außendruck sowie insbesondere in Stapelanordnung gegenüber Biegung zugleich die Filtratwege in nerhalb des Körpers optimiert, indem deren Varianz prinzipiell kleiner ist als bei an deren Keramik-Filterelementen mit mehreren Kanälen.

Das Keramik-Filterelement weist keinerlei Beschränkungen hinsichtlich seiner Au ßenabmessungen auf, so daß eine Anpassung an jegliche geforderte Filterflächen möglich ist.

Die Erfindung wird nachstehend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die beigefügte Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Keramik-Filterelement in per spektivischer Ansicht.

Dieses Keramik-Filterelement besteht aus einer Al₂O₃-Keramik mit 30% offener Porosität und einer maximalen Porengröße von 3,5 µm. Es ist 140 mm lang, 6 mm dick und weist 22 Kanäle mit Kreisquerschnitt und einem Durchmesser von 3 mm auf. Ohne aufgebrachte Filtermembran, d. h. wenn dieser Körper selbst als Filter wirkt, sowie das Retentat außerhalb des Körpers und das Filtrat durch die Kanäle strömt, ergibt sich eine Filterfläche von 0,028 m² mit einem Filtratdurchsatz von 6000 l h^-1 bar^-1 m^-2. Das erwähnte Keramikmaterial zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß es unter Einwirkung von Wärme und/oder aggressiver Chemikalien rückgespült und ge reinigt werden kann und daher beispielsweise in der pharmazeutischen oder in der Lebensmittelchemie eingesetzt werden kann.

Ein zweites Keramik-Filterelement mit gleichen geometrischen Abmessungen aus ei ner Al₂O₃-Keramik mit 30% offener Porosität und ohne ausgesprochene Trenngren ze. Die Filterfunktion wird von einer an den Wandungen der Kanäle aufgebrachten, ca. 40 µm dicken, gleichfalls aus Aluminiumoxid bestehenden Filtermembran mit ei ner offenen Porosität von 45% und einer mittleren Porengröße von 0,2 µm über nommen. Wenn das Retentat durch die Kanäle strömt und das Filtrat an der Außen seite des Keramik-Filterelements austritt, ergibt sich eine Filterfläche von nunmehr 0,029 m² mit einem Filtratdurchsatz von 2500 l h^-1 bar^-1 m^-2.

Die nachstehende Tabelle gibt für ansonsten gleiche Verhältnisse die Ergebnisse ei ner Variation der Kennwerte der Filtermembran wieder:

Bei der Umkehrung der Filtration, d. h. die ansonsten den Angaben im vorigen Ab schnitt entsprechende Filtermembran ist auf der gesamten Außenfläche des Kera mik-Filterelementes aufgebracht, das Retentat strömt, wie bei ersten Beispiel außen unter Überdruck und das Filtrat läuft durch die Kanäle ab, wobei die Filterfläche na turgemäß auch dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, dann ergibt sich ein Fil tratdurchsatz von 2500 l h^-1 bar^-1 m^-2.

Die hinsichtlich der Fließrichtung des Filtrates sowie hinsichtlich der Anzahl in einem Filtermodul angeordneter Keramik-Filterelemente sehr unterschiedlichen Anordnun gen ermöglichen eine Optimierung der gleichfalls sehr unterschiedlichen Strömungs verhältnisse sowohl auf der Retentat- als auch auf der Filtratseite.

Die Umkehrung mit dem Retentatfluß durch die Kanäle hat den Vorteil . . .

Die Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Keramik-Filterelemente übereinander mit alternierendem Wechsel der Richtung der Kanäle hat unabhängig von der Filtra tionsrichtung den Vorteil der intensiven Vermischung und Verwirbelung der jeweils im Raum zwischen den plattenförmigen Keramik-Filterelementen strömenden Fil trat- oder Retentatphase.

Claims

1. Keramik-Filterelement zur Verwendung als Filter oder Filtermembran-Stützkörper, gekennzeichnet durch einen mittels Strangpressen als Monolith hergestellten Grund körper, der von einer Vielzahl paralleler, in einer Richtung großer Flächenausdeh nung verlaufender und in einer Ebene angeordneter Kanäle durchzogen ist, welcher eine offene Porosität <15% und eine Porengröße <20 µm aufweist.

2. Keramik-Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund körper aus Keramik besteht.

3. Keramik-Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund körper aus Al₂O₃-, TiO₂-, BaTiO₃-, MgO- und/oder ZrO₂-Keramik bzw. aus Cordierit besteht.

4. Keramik-Filterelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik weiterhin Titancarbid enthält.

5. Keramik-Filterelement nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf den Außenflächen des Grundkörpers aufgebrachte Filtermembran mit einer kleineren Porengröße als derjenigen des Grundkörpers.

6. Keramik-Filterelement nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine auf den Wänden der Kanäle aufgebrachte Filtermembran mit einer kleineren Porengröße als derjenigen des Grundkörpers.

7. Keramik-Filterelement nach Anspruch 5 und/oder 6, gekennzeichnet durch eine maximale Porengröße der Filtermembran von <10 µm.

8. Filteranordnung mit Keramik-Filterelementen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Keramik-Filterelemente in ihrer großen Flächenausdehnung parallel, im Abstand voneinander angeordnet und ihres Kanäle jeweils gemeinsam dicht mit Zu- und Abflußkanälen verbunden sind.

9. Filteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik-Filter elemente in Gruppen mit jeweils gleicher Richtung der Kanäle angeordnet sind.

10. Filteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Keramik-Filterelemente untereinander für das zwischen diesen fließende Medium strömungstechnisch optimiert ist.