DE20207359U1

DE20207359U1 - Membranfilteranordnung

Info

Publication number: DE20207359U1
Application number: DE20207359U
Authority: DE
Original assignee: Nadir Filtration GmbH
Current assignee: Nadir Filtration GmbH
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2012-05-09

Description

Nadir Filtration GmbH

02/019 NAD -1- 08.05.2002

Dr.SW-dg

Membranfilteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Membranfilteranordnung, die besonders geeignet ist flüssige Medien mit hohen Feststoffgehalten mit niedrigem Energieeinsatz zu filtrieren.
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Membranfilter finden heutzutage in vielen Bereichen des täglichen Lebens Anwendung, beispielsweise im Haushaltsbereich, in der Medizin oder in industriellen Prozessen. Bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Membranfilter sind die Abwasserbehandlung, die Filtration von Oberflächenwasser, die Biomasseabtrennung in Kläranlagen oder andere Trennaufgaben bei denen höher belastete Medien gereinigt werden sollen.

Das durchströmende, zu reinigende Medium wird durch große freie Querschnitte des Membranfilters geführt. Auf der Filtratseite sorgt eine geeignete Drainage für einen widerstandsarmen Abtransport des gereinigten Mediums.

Bisher bekannte Systeme basieren häufig auf Flachmembranen, zum Beispiel Ultra- oder Mikrofiltrationsmembranen, die auf eine ebene perforierte Trägerplatte aufgebracht sind. Diese Trägerplatte sorgt für die mechanische Stabilisierung der meist empfindlichen Membranfolien und die Filtratabfuhrung. Um beide Anforderungen erfüllen zu können fallen die Trägerplatten allgemein recht dick und schwer aus. Das Filtrat wird durch angelegten Unterdruck durch die Membran gezogen und über die Drainage abgeführt. Solch ein System ist beispielsweise beschrieben in der DE-A 199 10 974. In technisch ausgeführten Apparaten werden mehrere solcher Trägerplatten parallel zueinander im Abstand von mehreren Millimetern eingebaut.

Eine andere Bauform besteht aus Hohlfaserbündeln, die von dem zu filtrierenden Medium umströmt werden. Hierbei wird das Filtrat ebenfalls durch angelegten Unterdruck durch die Membran gezogen und im Inneren der Hohlfasern an das Ende der Bündel geführt. Die

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mechanische Belastung der Fasern durch die Strömung kann zu Faserbrüchen fuhren. Dadurch kann ungefiltertes Medium in den Filtratbereich gelangen. Beim Einsatz in Kläranlagen zur Biomasseabtrennung ist die Ablagerung von faserigem Material an den Enden der Bündel, die sogenannte Verzopfling, ein unerwünschtes Phänomen. Diese Verzopfungen belasten die Fasern zusätzlich und setzen auch die Filtrationsleistung herab. Die so verunreinigten Hohlfaserbündel müssen ausgebaut und in speziellen Reinigungsapparaten wieder "regeneriert" werden.

Weiterhin bekannt sind Filter, bei denen das Filtermaterial zwecks Oberflächenvergrößerung gefaltet ist. Hierbei liegt das Filtermaterial auf einem perforierten Träger auf. Das zu filtrierende Medium dringt durch das Filtermaterial in den Filtratsammelraum und wird dort abtransportiert. Derartige Filter sind als Luft- und Pollenfilter in der Automobilindustrie oder als Kerzenfilter für Gase und Flüssigkeiten bekannt.

Bei Flachfiltern aus Doppelmembranen wird das zu filtrierende Medium durch zwei flächenparallel angeordnete Filtermembranen, deren Ränder abgedichtet sind, in den Innenraum zwischen den beiden Membranflächen geführt und das Filtrat dann aus diesem Innenraum abtransportiert, beispielsweise über ein Permeatrohr. Üblicherweise wird der Innenraum durch ein Stützvlies ausgefüllt, welches quasi als 'Spacer' zwischen den Membranflächen dient. Diese Filter wurden bisher nur - z.B. in der Form von aufgerollten Spiralmodulen - zur Trennung von Flüssigkeiten mit geringem Feststoffgehalt eingesetzt, da ihr freier Strömungsquerschnitt für die Trennung von Flüssigkeiten mit hohem Feststoffgehalt zu gering ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Flachfilter aus Doppelmembranen, insbesondere solche mit zwischenliegendem Stützvlies für Anwendungsgebiete zu erschließen, in denen flüssige Medien mit hohen Feststoffgehalten mit niedrigem Energieeinsatz filtriert werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch eine Membranfilteranordnung gelöst, umfassend zwei flächenparallel angeordnete Filtermembranen, deren Ränder abgedichtet sind und die einen Innenraum definieren, in dem sich ein Spacer befindet, wobei die Membranstruktur aus FiJtermembran/Spacer/Filtermembran selbsttragend ist.

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Die Erfindung stellt eine selbsttragende Membranstruktur der voranstehend beschriebenen Art, welche zur Trennung von Flüssigkeiten mit hohem Feststoffgehalt geeignet ist, zur Verfügung. Die selbsttragende Membranstruktur umfaßt zwei flächenparallel angeordnete Filtermembranen, deren Ränder abgedichtet sind und die einen Innenraum definieren, in dem sich ein Spacer befindet, sowie eine Vorrichtung zur Abführung des Filtrats aus dem Innenraum, wobei diese flächige Membranstruktur gewellt ist, vorzugsweise mit einer Falttiefe (= Abstand Spitze-Spitze der gefalteten Struktur) von (5-200)»d mit d = Dicke der Membranstruktur, bevorzugt (10-100)»d, besonders bevorzugt (20-70)»d und einer Wellenlänge von (l-50)»d mit d = Dicke der Membranstruktur, bevorzugt (2-25)»d, besonders bevorzugt (3-10)»d.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Flachmembran ohne Trägerplatte in nichtgewelltem Zustand,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Membranfilteranordnung in Gestalt einer gewellten Membranstruktur aus Filtermembran/Spacer/Filtermembran, mit einer Vorrichtung zum Abführen des Filtrats, und

Fig. 3 in Seitenansicht ein kanalförmiges Gehäuse mit Aussparungen in einer oder beiden Seitenflächen und mit offenen Endflächen.

Bei der vorliegenden Erfindung werden Flachmembranen ohne Trägerplatte eingesetzt. Zwei Membranlagen (1) schließen einen Spacer (2) als Drainageschicht ein (s. Fig I). Dieser Verbund wird gewellt und erhält dadurch eine hohe Stabilität in Richtung der Wellen, so dass er eine selbstragende Membranstruktur bildet.

Die Membranen bestehen üblicherweise aus Polyethersulfon, Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Polyamid, Polyetherimid, Celluloseacetat, Regeneratcellulose, Polyolefinen, Fluorpolymeren und können beispielsweise hergestellt werden, in dem man Vliese oder Gewebe mit Polymerlösung beschichtet und die Poren in einem nachfolgenden

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Phaseninversionsschritt erzeugt, oder indem Polymerfolien in geeigneter Weise verstreckt werden, so dass die gewünschten Poren entstehen. Viele dieser Membranen sind kommerziell erhältlich z.B. unter der Bezeichnung NADIR® Membranen (NADIR Filtration GmbH, Wiesbaden) oder Celgard® Fiat Sheet Membranes (Celgard Inc., Charlotte, NC, USA). Als besonders geeignet haben sich Membranen in Dicken von, 5 - 500 &mgr;&eegr;&igr;, bevorzugt 10 - 250 &mgr;&idiagr;&eegr;, besonders bevorzugt 20 - 70 &mgr;&pgr;&igr; erwiesen. Bei den Dickenangaben sind die Dicke des gegebenenfalls verwendeten Trägermaterials (Vlies oder Gewebe) unberücksichtigt.

Bei dem Spacer (Drainage) handelt es sich gewöhnlich um Gewebe aus Garnen, Filamenten oder Drähten, hergestellt aus Polymeren oder Metallen. Diese sind auch kommerziell erhältlich, z.B. unter der Bezeichnung T34Ea 8109-40" (Hornwood, Lilesville, NC, USA) oderNaltex Typ 38-4230 (DelStar Technologies, Inc., Bristol, GB) Die Dicke der Spacer liegt vorzugsweise zwischen 0,05 - 5 mm, insbesondere 0,2 - 3 mm, besonders bevorzugt 0,3 - 2 mm.

Damit besitzt die Membranstruktur aus Membran/Spacer/Membran eine Dicke d von 0,1 bis 6 mm, bevorzugt 0,2 bis 3,5 mm, besonders bevorzugt 0,3 bis 2,5 mm. In den voranstehend angeführten Beziehungen für die Falttiefen werden die Werte für d so gewählt, dass die Falttiefen in der Regel keiner/gleich 50 bis 100 mm sind, um herkömmliche Faltmaschinen verwenden zu können. Bei größeren Falttiefen als 100 mm müssen spezielle Faltmaschinen eingesetzt werden.

Die Membranen können mit der Drainageschicht vollflächig, punktuell oder linienförmig durch Applikation eines Reaktiv- oder Heißklebers verbunden sein. Thermisches Schweißen sowie Ultraschallschweißen sind ebenfalls geeignete Verfahren um einen solchen Verbund herzustellen. Durch diese Verbindung erhöht sich die mechanische Stabilität zusätzlich und Rückspülvorgänge lassen sich mit höheren Drücken durchführen. An den Querseiten des Verbundes ist die Drainageschicht mit den Membranlagen dicht verbunden, um eine Eindringen von ungereinigtem Medium zu verhindern.

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Die Wellenstruktur kann beispielsweise mittels einer handelsüblichen Faltmaschine erzeugt werden. Mit typischen Messerfaltmaschinen zur Filterherstellung erzeugt man Falttiefen bis zu 100 mm und Wellenlängen von bis zu 50 mm. Alternativ kann die Wellenstruktur auch durch Prägewalzen wie bei der Herstellung von Wellpappe erzeugt werden. Beim letztgenannten Verfahren sind aber die Falt-/Prägetiefe auf unter 20 mm und die Wellenlänge auf unter 40 mm beschränkt.

Eine Oberflächenvergrößerung durch Falten der Doppelmembran/Drainage-Verbund wurde bisher nicht für möglich gehalten, da befürchtet werden mußte, dass durch das mechanisch sehr beanspruchende Faltverfahren die Membranen derart geschädigt werden, dass ihre Funktion über das zulässige Maß beeinträchtigt wird.

Das Filtratwird durch angelegten Unterdruck (alternativ kann auch ein zulaufseitiger Überdruck angelegt werden) durch die Membran gezogen und über die Drainage abgeführt. Das Filtratwird zweckmäßigerweise an mindestens einem Ende über ein Fütratsammelrohr (3) abgeführt (s. Fig 2). Alternativ kann es über eingestanzte Löcher abgezogen werden. Dabei wird mittels geeigneter Adapter der Zugang zum Filtratraum erzeugt und passende Dichtungen zwischen Adapter- und Membranob erfläche verhindern das Eindringen von ungereinigtem Medium in den Filtratraum.

Zum Schutz des gewellten Verbundes kann dieser mit einem Gehäuse (4) umgeben sein, das an zwei Endflächen offen ist und somit einen Art Flachkanal bildet, der durch die Wellenstruktur ausgefüllt ist, um eine Durchströmung in Richtung parallel zu den Wellentälern zu ermöglichen. Das Gehäuse kann geschlossene Seitenflächen mit Aussparungen (5) oder ohne Aussparungen

(s. Fig 3) aufweisen oder mit einem Lochmuster versehen sein. Aussparungen oder Lochmuster erlauben eine einfachere Reinigung der Membranoberflächen z. B. durch Wasserstrahl zur Entfernung von eventuellen Ablagerungen. Alternativ kann die selbsttragendeMembranstruktur auch beispielsweise über einen Rohrrahmen stabilisiert sein. Zwei der Rohre sind dabei parallel zu den Filtratsammelrohren angeordnet. Diese beiden Rohre werden an ihren Enden mit Querrohren verbunden, so dass ein geschlossener Rahmen entsteht. Die Länge dieses Rahmens

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orientiert sich an der Länge des Membranelementes. Die Filtratsammelrohre sind mit dem Rahmen fest verbunden. Die Querrohre sind mit den abgedichteten Rändern verbunden, wodurch auch die selbstragende Membranstruktur im Rahmen fixiert ist. Die Stärke der verwendeten Rohre sollte mindestens 5 mm kleiner sein als die Falttiefe des Membranelementes.

Claims

1. Membranfilteranordnung umfassend

- zwei flächenparallel angeordnete Filtermembranen, deren Ränder abgedichtet sind und die einen Innenraum definieren, in dem sich ein Spacer befindet, wobei die Membranstruktur aus Filtermembran/Spacer/Filtermembran selbsttragend ist.

2. Membranfilteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur gewellt ist und eine Vorrichtung (3) zur Abführung des Filtrats aus dem Innenraum aufweist.

3. Membranfilteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Falttiefe der Welle (5-200).d mit d = Dicke der Membranstruktur beträgt.

4. Membranfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wellenlänge (1-50).d mit d = Dicke der Membranstruktur beträgt.

5. Membranfilteranordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Dicke d der Membranstruktur 0,1 bis 6 mm ist.

6. Membranfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die einzelne Filtermembran aus Polyethersulfon, Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Polyamid, Polyetherimid, Celluloseacetat, Regeneratcellulose, Polyolefin oder Fluorpolymer besteht.

7. Membranfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Spacer ein Gewebe aus Garnen, Filamenten oder Drähten, hergestellt aus Polymeren oder Metallen, ist.

8. Membranfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur von einem Gehäuse (4) umgeben ist.

9. Membranfilteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) einen Flachkanal mit zwei offenen Endflächen und geschlossenen oder mit Aussparungen (5) ausgestatteten Seitenflächen bildet.

10. Membranfilteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zur Abführung des Filtrats mindestens ein Filtratsammelrohr (3) umfasst.

11. Membranfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrrahmen die Membranstruktur umgibt, von dem zwei Rohre parallel zu Filtratsammelrohren (3) angeordnet sind und an ihren Enden über Querrohre miteinander verbunden sind.