DE2101029A1 - Diluter/concentrator for solutions using - filtration - Google Patents

Abstract

A membrane which is permeable by the solvent but impervious to the dissolved matter is used as division between two chambers in a cell which each have liquid feed and discharge pipes. The liquid whose concentration is to be changed flows through one chamber and a liquid of different concentration, and solvent activity, flows through the other along the other face of the membrane. By varying the pressure differential between the two chambers the direction of flow of solvent molecules through the membrane can be reversed and means of regulating and controlling the pressure differential are provided.

Description

B-e S ¢ hr e i b un g zu der Patentanmeldung Verfahren und Vorrichtung zum Verdünnen oder Konzentrieren von Lösungen durch Osmose, Dialyse oder Ultrafiltration Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdünnen oder Konzentrieren einer Lösung, die entlang einer Membran fließt, welche für die Moleküle des Lösungsmittels durchlässig, jedoch für die Moleküle der gelösten Substanz undurchlässig ist. An der anderen Membranseite fließt eine Flüssigkeit vorbei, die gegenüber dem Lösungsmittel eine unterschiedliche Lösungsfähigkeit oder Konzentration aufweist.B-e S ¢ hr e i b un g to the patent application method and device for diluting or concentrating solutions by osmosis, dialysis or ultrafiltration The invention relates to a method for diluting or concentrating a solution, which flows along a membrane that is permeable to the molecules of the solvent, however, it is impermeable to the molecules of the solute. On the other A liquid flows past the membrane side, which is opposite to the solvent has different solubility or concentration.

Befinden sich zwei Lösungen unterschiedlicher Verteilungskoeffizienten an den beiden Seiten einer Membran, die für die Moleküle der Lösungsmittel durchlässig, jedoch für die Moleküle der gelösten Substanz undurchlässig ist, so tritt das Losungsmittel aus der geringer konzentrieten Lösung in die höher konzentrierte Lösung über bis zur Brreichung des GleSchgewichts, d.h. bis die Verteilung der gelösten Substanz auf beiden Seiten der ilembran gleich ist, also kein Konzentrationsunterschied besteht. Dieses verfahren ist eine Osmose.There are two solutions of different partition coefficients on both sides of a membrane that is permeable to the molecules of the solvent, However, if the solute is impermeable to the molecules, the solvent occurs from the less concentrated solution to the more concentrated solution about up to to reach the equilibrium, i.e. up to the distribution of the dissolved substance on is the same on both sides of the ilembrane, so there is no difference in concentration consists. This process is an osmosis.

Der osmotische Druck ist der Druck, der angelegt werden mu oder sich einstellt über einer Lösung, um die ;f&nderunb des Lösungsmittels durch die Heinbran ins Gleichgewicht zu Dringen.The osmotic pressure is the pressure that has to be applied or to be applied adjusts over a solution to the; f & nderunb of the solvent by the To bring Heinbran into equilibrium.

Wird auf der Seite der relativ höher konzentrierten Lösung ein höherer Druck angelegt als der osmotische Druck, so wird die Strömungsrichtung des Lösungsmittels umgekehrt.Becomes a higher one on the side of the relatively more concentrated solution Pressure applied as the osmotic pressure will be the direction of flow of the solvent vice versa.

Dies ist die Basis für die sog. umgekehrte Osmose.This is the basis for what is known as reverse osmosis.

Die umgekehrte Osmose läst sich z.B. anwenden für die Herstellung von Trinkwasser aus See- oder Brackwasser, wobei mit Hilfe der Membran die Reinigung erfolgt. Andererseits läßt sich die umgekehrte Osmose auch anwenden für die behandlung einer Lösung, aus der die gelöste Substanz gewonnen werden soll, z.B. eine Fraktion, die die membran nicht zu durchdringen vermag. Eine solche umgekehrte Osmose wird angewandt für das Konzentrieren von xruchtsäften.Reverse osmosis can be used, for example, for production of drinking water from sea or brackish water, with the help of the membrane cleaning he follows. On the other hand, reverse osmosis can also be used for treatment a solution from which the dissolved substance is to be obtained, e.g. a fraction, which the membrane cannot penetrate. Such a reverse osmosis will used for concentrating fruit juices.

Bei den bekannten Verfahren, bei denen eine Blüssigkeit Gereinigt oder konzentriert wird mit Hilfe der Osmose, Dialyse oder Ultrafiltration, strömt eine relativ hochkonzentrierte Flüssigkeit unter konstantem Druck entlang einer sich auf einem Träger befindenden semi-permeablen Membran. Es zeigte sich jedoch, daß bei der Osmose, ungekehrten Osmose, Dialyse oder Ultrafiltration es häufig zu einem Verstopfen der Membran kommt. Dadurch wird die Wirksamkeit des Verfahrens allmählich herabgesetzt, bis ein AuS-tausch der Membran unvermeidbar wird.In the known processes in which a liquid is cleaned or is concentrated with the help of osmosis, dialysis or ultrafiltration, flows a relatively highly concentrated liquid under constant pressure along a semi-permeable membrane located on a support. However, it turned out that with osmosis, reverse osmosis, dialysis or ultrafiltration it is common clogging of the membrane occurs. This increases the effectiveness of the procedure gradually reduced until an exchange of the membrane becomes unavoidable.

flan hat bereits versucht, dieses Membranverstopfen dadurch unsunädlich zu machen, daß man billige Neinbranen anwandte, die nach kurzer Zeit ersetzt werden konnten. Auch hat man bereits versucht, die Membran rein zu erhalten, indem eine dünne schicht nur über die Oberfläche der Membran geleitet wurde.flan has already tried to make this membrane clogging harmless to make that cheap standards are used which are replaced after a short time could. One also has already tried to keep the membrane clean, by passing a thin layer just over the surface of the membrane.

Die rBrfindung betrifft nun ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung, um die Tendenz des Verstopfens der llembran wesentlich herabzusetzen gegenüber den bekannten Verfahren, wodurch man eine konstant hohe Kapazität über lange Arbeitszeiten zu erreiche#f#der der Austausch der liembran in kurzen Zeitabständen vermieden wird.The invention now relates to a method and a method for its implementation suitable device to substantially reduce the tendency for the membrane to become clogged compared to the known method, whereby one has a constant high capacity Long working hours to achieve # f # of the exchange of the liembran in short time intervals is avoided.

Das erSindungsgemälje Verfahren zur Verdünnung oder Konzentrierung einer Lösung, die entlang einer Ivlembran strömt, welche für die Moleküle des lösungsmittels durchlässig, jedoch für die Moleküle der gelösten Substanzen oder Kolloide undurchlässig ist ,und sich an der anderen beite der Membran eine Flüssigkeit untersc#hiedlicher Konzentration befindet, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den Drucken in den beiden Flüssigkeiten an den flembranseiten zeitweise oder von Zeit zu Zeit derart geändert wird, da die Bewegung der Moleküle durch die Membran zeitweise umgekehrt wird.The method according to the invention for dilution or concentration a solution that flows along a membrane that is responsible for the molecules of the solvent permeable, but impermeable to the molecules of the dissolved substances or colloids is, and on the other side of the membrane there is a different liquid Concentration is now characterized by the difference between the pressures in the two liquids on the sides of the membrane temporarily or from From time to time this is changed as the movement of the molecules through the membrane is temporarily reversed.

Bei einer umgekehrten Osmose herrscht in der relativ hochkonzentrierten Flüssigkeit ein Druck, der von Zeit zu Zeit zwischen einem Wert über dem osmotischen Druck und einem Wert unter dem osmotischen Druck und umgekehrt, verändert wird.In reverse osmosis, there is a relatively high concentration Fluid a pressure that from time to time between a value above the osmotic Pressure and a value below the osmotic pressure and vice versa.

Infolge dieser Druckänderung innerhalb der relativ hochkonzentrierten Flüssigkeit bei einer normalen umgekehrten Osmose wird der Vorgang von Zeit zu Zeit geändert in eine normale Osmose, d.h. die Moleküle des Lösungsmittels bewegen sich durch die Membran in einer Richtung, entgegengesetzt zu der Richtung der Nolekülbewegung während der umgekehrten Osmose. Auf diese Weise läßt sich eine semi-permeable Membran bevor ihre Wirksamkeit nennenswert abgesunken ist, reinigen.As a result of this pressure change within the relatively highly concentrated Liquid in normal reverse osmosis changes the process from time to time changed to normal osmosis, i.e. the molecules of the solvent move through the membrane in a direction opposite to the direction of molecular movement during reverse osmosis. In this way a semi-permeable membrane can be created before their effectiveness has decreased significantly, clean.

Die Druckänderung in der relativ hochkonzentrierten Flüssigkeit kann z.B. vorgenommen werden mit Hilfe einer Pumpe, die hinsichtlich ihrer Pumpcharakteristiken obige hnforderungen erfüllt. Man kann jedoch auch Pumpen anwenden, die diese Anforderungen nicht erfüllen, wenn sie in einer solchen Weise zur Anwendung gelangen, daX in gewissen Zeitabständen sich der Druck innerhalb der Flüssigkeit ändert. So kann man den Druck z.B. ändern durch zeitliche Abschaltung der Pumpe, wodurch die entgegengesetzte Strömungsrichtung der Lösungsmittelmoleküle ermöglicht wird.The pressure change in the relatively highly concentrated liquid can e.g. be carried out with the aid of a pump which, in terms of its pumping characteristics above requirements met. However, pumps can also be used that meet these requirements if they are applied in such a way that in certain The pressure within the liquid changes at intervals. So you can do the pressure E.g. change by timing the pump off, causing the opposite Direction of flow of the solvent molecules is made possible.

Als Beispiele für Pumpen, die hinsichtlich der Pumpeigenschaften obige Anforderungen erfüllen, können die Verdrängungspuinpen, wie Membrarroder Kolbenpumpen erwähnt werden.As examples of pumps, the above in terms of pumping properties The displacement pumps, such as diaphragm or piston pumps, can meet requirements be mentioned.

Die Bestimmung der Zeitabstände, in denen die normale Strömung der Moleküle durch die Membran umgekehrt werden soll, hängt ab von den angewandten Membranen. Die Zeit des umgekehrten Strömens soll sehr kurz sein, da ja das eigentliche Verfahren während dieser Spülzeiten unterbrochen und verzögert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Verstopfen der Membran weitgehend herabgesetzt oder ganz vermieden, wodurch die Lebensdauer der Membran wesentlich erhöht werden kann.Determining the time intervals at which the normal flow of the Molecules to be reversed by the membrane depends on the membranes used. The time of the reverse flow should be very short, since the actual process is interrupted and delayed during these flushing times. By the invention Method, a clogging of the membrane is largely reduced or completely avoided, whereby the service life of the membrane can be increased significantly.

Bisher wurde das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer umgekehrten Osmose erläutert. Selbstverständlich lä<t es sich sinngemäß auf eine normale Osmose, eine Dialyse oder auch eine Ultrafiltration anwenden, bei denen ähnliche Druckänderungen vorgenommen werden.So far, the inventive method was based on a reverse Osmosis explained. Of course, it can be applied analogously to a normal one Use osmosis, dialysis or ultrafiltration, in which similar Pressure changes can be made.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch anwenden im Rahmen des Betriebs einer Herz-Lungen-flaschine oder einer künstlichen Niere, wobei es von besonderer Bedeutung ist, daß die Membran ihre Wirksamkeit beibehält und ein Membranwechsel möglichst selten vorkommen darf. Bei einer künstlichen Niere, bei der die Schlacken und Giftstoffe des Blutes, wie Harnstoff, Salze und Wasser ~entfernt werden müssen mit Hilfe einer semi-permeablen Membran in Berührung mit einer Salzlösung wird von Zeit zu Zeit die Bewegung der Salz- und Wassermoleküle aus der Salzlösung in das Blut periodisch umgekehrt durch Änderung des Druckes innerhalb der Salzlösung.The inventive method can also be used in the context of Operation of a cardiopulmonary apparatus or an artificial kidney, taking it from It is of particular importance that the membrane retains its effectiveness and a membrane change may occur as rarely as possible. In the case of an artificial kidney, in which the waste products and blood toxins such as urea, salts and water ~ must be removed using a semi-permeable membrane in contact with a saline solution is made of From time to time the movement of salt and water molecules from the salt solution into the Blood periodically reversed by changing the pressure within the saline solution.

Die erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens. Diese umfaßt eine Zelle, die in zwei Kammern durch eine semi-permeable Membran geteilt ist und beide Kammern mit Zu- und Ableitungen für zwei verschiedene Flüssigkeiten versehen sind, so daß die Flüssigkeiten über die Membran fließen können. Darüber hinaus umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zur zeitweisen Änderung des Druckes der beiden Flüssigkeiten zur Umkehr der normalen Wanderungsbewegung der Moleküle durch die Membran, Bei einer bevorzugten Ausführuagsform nach der Erfindung wird der Druck in einer Flüssigkeit im wesentlichen konstant gehalten, wahrend der Druck der anderen Flüssigkeit von Zeit zu Zeit mit Hilfe einer Puipe, z.B. einer Kolben- oder #embranpuiipe, verändert wird.The invention also relates to a device for performing the new procedure. This comprises a cell that is divided into two chambers by a semi-permeable The membrane is divided and both chambers with inlet and outlet lines for two different ones Liquids are provided so that the liquids can flow over the membrane. In addition, the device according to the invention comprises means for temporary change the pressure of the two fluids to reverse normal migration of the molecules through the membrane, in a preferred embodiment according to the invention the pressure in a liquid is kept essentially constant, during the Pressure the other liquid from time to time with the help of a Puipe, e.g. a Piston or #embranepuiipe, is changed.

bei einer speziellen Anngestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Zu- und Ableitung der #lünsigkeit in jeder Kammer so angeordnet, daß diene im wesentlichen parallel zu der Membranfläche mit hoher Geschwindigkeit zu strömen vermag. Auf diese Weise wird der Einfluß einer Grenzschicht verringert und eine hohe Membrankapazität erreicht. Um noch weiter den Einfluß einer Grenzschicht zu verringern, kann man in der sammler in unmittelbarer Nähe der Nembranoberfläche einen Rührer vorsehen.in a special design of the device according to the invention the inlet and outlet of the liquid in each chamber is arranged in such a way that it serves to flow substantially parallel to the membrane surface at high speed able. In this way the influence becomes one Reduced boundary layer and a high membrane capacity is achieved. To further the influence of a boundary layer to reduce it, one can in the collector in the immediate vicinity of the membrane surface provide a stirrer.

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS:

Claims (2)

P A U A N S P R 2 C H E 1) Verfahren zum Verdünnen oder Konzentrieren einer Lösung, wobei diese entlang einer Membran fließt, die für die sloleküle des Lösungsmittels durchlässig, jedoch für die Moleküle der gelösten Substanz undurchlässig ist ~und entlang der anderen Seite der Membran eine Flüssigkeit mit einer anderen konzentration oder itösungsaktivität geleitet wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man den Druckunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten an den beiden Seiten der ISIembran von Zeit zu Zeit ändert und damit die Strömungsrichtung der Lösungsmittelmoleküle durch die Membran umkehrt. P A U A N S P R 2 C H E 1) Method of dilution or concentration a solution, which flows along a membrane that is responsible for the molecules of the Permeable to solvent, but impermeable to the molecules of the dissolved substance is ~ and along the other side of the membrane one liquid with another Concentration or dissolving activity is directed, thereby g e k e n n e i c h n e t that one can measure the pressure difference between the two liquids at the both sides of the ISI membrane changes from time to time and thus the direction of flow reverses the solvent molecules through the membrane. 2) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in Form einer Zelle, die in zwei Kammern durch eine semi-permeable Membran getrennt ist, und Zu und Ableitungen für die beiden Flüssigkeiten, gekennzeichnet durch ein Mittel zur zeitweiligen Veränderung des Druckunterschiedes zwischen den beiden Flüssigkeiten an den beiden Membranseiten2) Device for performing the method according to claim 1 in Form of a cell divided into two chambers by a semi-permeable membrane is, and supply and discharge lines for the two liquids, characterized by a Means for temporarily changing the pressure difference between the two liquids on both sides of the membrane