DE2448000A1

DE2448000A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung der selektiven trennung von fluiden teilchen mit hilfe einer semipermeablen membran

Info

Publication number: DE2448000A1
Application number: DE19742448000
Authority: DE
Inventors: Richard D Devellian; Stanley Middleman
Original assignee: Kenics Corp
Current assignee: Kenics Corp
Priority date: 1973-11-02
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1975-05-07
Also published as: GB1481335A; NL7411228A; US3922220A; BR7409056D0; FR2249695A1; SE384973B; DD115040A5; IT1016196B; CA1024902A; JPS5075176A; SE7412529L; NL52674C

Description

Kenics Corporation P 68/167

One Southside Road

Danvers, Massachussetts 01923

U. S. A.

Vorrichtung zur Durchführung der selektiven Trennung von. fluiden Teilchen mit Hilfe einer semipermeablon Membran

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Durchführung der selektiven Trennung von fluiden Teilchen, die als umgekehrte Osmose und als Ultrafiltration bekannt ist, mit Hilfe einer oemipermeablen Rohrmembran.

Die selektive Beförderung von fluiden Teilchen durch eine semipermeable Membran zwecks Abtrennung von Komponenten aus einer eine Mehrzahl von Komponenten enthaltenden Flüssigkeit, z.B. einer Lösung, ist erst etwa in den letzten vier Jahrzehnten entwickelt worden. Sie sind unter den Bezeichnungen umgekehrte Osmose und Ultrafiltration bekannt. Die Ultrafiltration arbeitet bei niedrigeren Drucken, etwa von 0,7 bis 7 atm., während die umgekehrte Osmose bei Drucken bis zu etwa lij.0 atm. durchgeführt wird. Dieser Unterschied erklärt sich durch die Art der Komponenten, die in jedem der Systeme von der Membran zurückgehalten werden.

Die umgekehrte Osmose hält gelöste niedrigmolekulare Teilchen zurück, z.B. natriumchlorid, mit osmotischen Drucken von der Größenordnung von 70 atm., und die von der Membran zurückgehaltenen Anteile betragen etwa 90 % und mehr. Bekanntlich tritt die umgekehrte Osmose

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erst ein, wenn der mechanische Druck der Flüssigkeit den jeweiligen osmotischen Druck übersteigt, während die Ultrafiltrations-Vorrichtungen suspendierte Teilchen oder gelöste hochmolekulare Teilchen mit Molekulargewichten von höher als etwa 500 bis 1000 zurückhalten, je nach der verwendeten Membran und der Struktur der gelösten Stoffe. Diese Stoffe üben unbedeutende osmotische Drucko aus und v/erden faktisch zu 100 % durch die Membran zurückgehalten. Daher braucht bei den Ultrafiltrations-Vorrichtungen, bei denen der osmotische Druck praktisch gleich Null ist, der mechanische Druck der Flüssigkeit nicht hoch zu sein, um den Durchfluß des Lösungsmittels oder der Suspensionsflüssigkeit durch die Membran zu bewirken.

Bei den Vorrichtungen für die umgekehrte Osmose und auch bei denen für die Ultrafiltration kennt man den nachteiligen, als Polarisation bekannten Vorgang. Die Polarisation ist die Folge einer Ansammlung des gelösten Stoffes an der Oberfläche der Membran. Dadurch besteht die Neigung einer Erhöhung der Konzentration dieser Stoffe an der· Membran-Oberfläche. Bei der umgekehrten Osmose erzeugt die höhere Konzentration einen höheren osmotischen Druck, wodurch dann ein · höherer mechanischer Druck erforderlich wird, um den Durchgang des Lösungsmittels durch die Membran zu bewirken. Bei der Ultrafiltration verursacht die Konzentrationserhöhung die Bildung einer viskosen oder gelartigen Schicht, die den Durchfluß durch die Membran starkwirkend einschränkt. Wenn bei der umgekehrten Osmose die Konzentration hoch genug wird, kann der gelöste Stoff kristallisieren oder ausfallen und die Oberfläche der Membran vollständig verstopfen. Ferner wird der zur Erzeugung des Durchflusses höhere Druck bei der umgekehrten Osmose zunehmende Mengen des gelösten Stoffes durch die

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Membran pressen, wodurch die Wirksamkeit der Vorrichtung weiter verringert wird.

Versuche, die Polarisation herabzumindern, haben meistens darin bestanden, genügende Bewegungsturbulenz im Strömungsverlauf zu erzeugen, um die Polarisationsschicht zu vertreiben. Diese Versuche waren aus verschiedenen Gründen, von denen die meisten bisher nicht erkannt wurden, nur von geringer Wirksamkeit. In den meisten Fällen beanspruchte die Turbulenzstäuung einen so großen ¹JeIl des Strömungsvolumens, daß die volumetrische Durchflußleistung stark herabgesetzt war. Andere zwischengeschaltete Strömungsbehinderungen erzeugten Stauungstaschen, wo sich Verunreinigungen ansammeln und die Einrichtung verschmutzen konnten.

Im Grunde wurde bei den vorgeschlagenen Lösungen des Problems nicht erkannt, daß bei Annäherung der Strömung an die Membran die Polarisationsschicht, dazu neigt, immer konzentrierter zu werden, so daß schon mehr als mäßige Turbulenzgrade nötig waren, um den schädlichsten Teil der Polarisationsschicht zu entfernen, überdiesist die Erzeugung sehr hoher Turbulenz teuer und wirkt sich auch in anderer _fHinsicht störend aui einen erfolgreichen Betrieb der Einrichtung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung der selektiven Trennung von fluiden Teilchen mit Hilfe einer semipermeablen Rohrmembran zu schaffen, die so konstruiert ist, daß die verstehend geschilderten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer semipermeablen !Rohrmembran in Längsrichtung eine Mehrzahl verdrehter blattähnlicher Elemente so angeordnet int, daß abwechselnd jeweils

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jedem einzelnen der Elemente oder einer Gruppe von Elementen mit nach rechts gerichteter Krümmung solche mit nach links gerichteter Krümmung folgen, um die Richtung des Materialflusses durch die Rohrmembran zu wechseln. Durch diese Anordnung stehen die Vorder- und Hinterkanten benachbarter Elemente in einem beträchtlichen Winkel zueinander.

Es ist anzunehmen, daß der mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielte überraschend hohe Verbesserungsgrad auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß in einer solchen Konstruktion jeder elementare Teil der strömenden Flüssigkeit sich in einer in hohem Grade geordneten programmierten Weise von der V/and der Rohrmembran zum Zentrum des Stromes hin und. wieder zurück zur Rohrwandung bewegt. Die Folge ist, daß selbst bei niedrigen und mittleren Reynoldschen Zahlen die Polarisationsschicht auf der inneren Oberfläche der Rohrwandung: ständig von der Hernbranoberfläche entfernt wird und daß andere Teilo der Flüssigkeit ständig zu dieser Oberfläche gebracht werden. Dadurch wird die Anreicherungs-RjUarisation wesentlich verringert und die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich gesteigert. Wenn der Beförderungsvorgang keine Polarisationsschicht erzeugt, sondern eine Erhöhung der Konzentration von Teilchen in der ITähe der Innenfläche entstehen sollte, so arbeitel die neue Vorrichtung in ähnlicher Weise, um diese Teilchen unter nicht-turbulenten Strömurigcbedingungen fjleichmäßig in der gesamtei. Flüssigkeit zu verteilen.

Konstruktive Einzelheiten der erfindunguremäßen Vorrichtung werde.ι in der Zeichnung erläutert, die teilwei σ c schematisch und teiüV'ii :■<; im Schnitt eine bevrr.ugte Ausführungsforr.i der Erfindung zeigt.

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Fig. 1 1st eine sehematische Darstellung einer Vorrichtung, bei der ein Teil der semipermeable]* Membran-Rohrleitung weggebrochen ist.

Fig. 2 ist ein Langsquerschnitt eines Teiles der semipermeablen Rohrmembran mit den darin·angeordneten Elementen zur Modifizierung der Flüssigkeitsströmung.

In Fig. 1 stellt die Ziffer 10 eine Hohlröhre dar, die aus einem semipermeablen Membranmaterial besteht. Membranstoffe für die Durchführung der umgekehrten Osmose und der Ultrafiltration sind bekannt. Zu den gebräuchlichsten zählen die Zelluloseazetatmembranen. Doch kann jede andere Membran verwendet werden, die eine für den vorgesehenen Zweck vorbestimmte Durchlässigkeit hat.

Die Rohrmembran IO ist an ihren Enden an röhrenförmigen Stützteilen 11 und 12 befestigt. Das Stützteil 11 bildet eine Einlaßöffnung und das Stützteil 12 eine Auslaßöffnung für eine der in Betracht kommenden Flüssigkeiten. Die Stützteile 11 und 12 sind in Stirnwänden 13 und TZf eines Gehäuses 15 für die Aufnahme einer Flüssigkeit befestigt, welches die Rohrmembran 10 völlig umschließt, so daß sie vollständig in der im Gehäuse 15 befindlichen Flüssigkeit eingetaucht sein kann. Diese Flüssigkeit kann ein Permeat sein, welches durch die semipermeable Rohrmembran 10 hindurchfließt, oder es kann sich um eine andere in das Gehäuse 15 eingeleitete Flüssigkeit handeln. Eine erste Flüssigkeit 2 wird durch ein Einlaßrohr 16 zu einer Pumpe 17 befördert, deren Geschwindigkeit durch eine geeignete Kontrollvorrichtung 18 reguliert werden kann, Auf diese Weise .wird die Flüssigkeit 2 durch die Einlaßöffnung 11 in das Innere der Rohrmembran 10 befördert. Besteht die Flüssigkeit 2 aus einem Lösungsmittel, welches einen gelösten Stoff enthält, so fließt ein Teil des Lösungsmittels

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durch die semipermeable Rohrmembran 10 als Permeat hindurch und weiter in das Gehäuse 15. Um die Vorrichtung auf Anwendungszwecke einzurichten, bei denen eine zweite Flüssigkeit rund um die Rohrmembran 10 in das Gehäuse 15 eingeleitet wird, kann das Gehäuse 15 mit einem Einlaßrohr 3 versehen sein, durch das eine zweite Flüssigkeit if eingeleitet werden kann. Dieses Einleiten kann zweckmäßig durch ein Kontrollventil 5 reguliert werden. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit l\- eingeleitet werden, um die semipermeable Rohrmembran 10 zu umspulen.

Besteht die Flüssigkeit 2 aus einem Lösungsmittel, welches einen gelösten Stoff enthält, so verursacht die osmotische Wirkung des Materials der Membran 10 eine Trennung der gelösten Komponenten mit dem größeren Molekulargewicht von de:n Lösungsmittel mit dem niedrigeren Molekulargewicht, welches als Permeat die Wände der Rohrmembran 10 durchdringt, wie durch die Pfeile 7 neben dem Rohr 10 in FIg-. 1 gezeigt ist. Dieses Permeat wird von dem Gehäuse 15 aufgenommen und fließt aus diesem Gehäuse durch eine Abflußleitung 19 ab. Die Leitung 19 ist zweckmäßig mit einem Flisßkontrollventil 20 versehen, so daß der Strom des Permeats so reguliert werden kann, daß die Rohrmembran 10 in diesem Stoff eingetaucht bleibt.

Wie in Fig. 2 deutlicher zu sehen ist, befindet sich innerhalb der Rohrmembran 10 eine Mehrzahl von serienmäßig angebrachten verdrehten blattähnlichen Elementen 21. Jedes dieser Elemente ist aus einen flachen Blatt hergestellt, dessen Breite vorzugsweise gleich dem Innendurchmesser des Rohres IO ist und dessen Länge vorzugsweise bis zu einem Mehrfachen seiner Breite entspricht. Jedes Element ist so verdreht, daß seine Ober- und Unterkanten sich in einem beträcht-

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lichen Winkel zueinander befinden. Dieser Winkel kann zwischen etwa 6ü° und 210° liegen. Außerdem ist jedes folgende Element in Bezug auf das jeweils vorhergehende Element in die entgegengesetzte Richtung verdreht, und nebeneinanderliegende Kanten aufeinanderfolgender Elemente sind in einem beträchtlichen Winkel, vorzugsweise von etwa 90°, zueinander angebracht. Statt die Drehung jedes folgenden Elements umzukehren, kann einer Mehrzahl von in der einen Richtung verdrehter Elemente eine Mehrzahl von in entgegengesetzter Richtung verdrehten Elementen folgen. Deshalb sind die Elemente im allgemeinen in Gruppen mit abwechselnd nach rechts und links gerichteter Krümmung angeordnet, wobei eine Gruppe aus einem oder mehreren Elementen bestehen kann.

Läßt man die zugeführte Flüssigkeit 2 durch die vorstehend beschriebene Konstruktion fließen, so werden der Flüssigkeit, wie Versuche gezeigt haben, mehrere verschiedene Bewegungskomponenten verliehen. Für die.Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es dabei am wichtigsten, daß jedes Teilchen der Flüssigkeit auf programmierte Weise wiederholt von der Wandung der semipermeablen Rohrmembran 10 zum Zentrum des Stromes und zurück zur Wandung getrieben wird. Der Vorgang \vird durch eine transversale Verschiebung' der Flüssigkeit erzeugt, was auf die Umkehrung der Rotationsrichtung des Stromes zurückzuführen j st, wenn er sich von einem in die eine Richtung verdrehten Honöiit zu einem in die umgekehrte Richtung verdrehten Element bewegt. Daher wird die Akkumulierung höherer Konzentrationen suspendierter oder gelöster Stoffe an der Wandung ausgeschaltet. Wenn die Flür;r.ßkeit sich von einem Ende der Rohrmembran 10 zum anderen Ende b i-egt, wird in der transversal bewegten Hauptiu'i u e eine sehr gleir mäßige Konzentration a lfrechterhalten. Die Arbelts-

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weise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also nicht abhängig von der Erzeugung einer Turbulenz. Versuche haben gezeigt, daß sie die Polarisationsschicht im Reynoldschen Zahlenbereich von 10 - 1500 verringert.

Die vorstehend beschriebene Anordnung kann auf die verschiedenartigste Weise modifiziert werden. Zum Beispiel ist es möglich, die Elemente 21, die Ende an Ende liegend gezeigt sind, in einem kurzen Abstand voneinander anzuordnen, oder sie können einander bis zu einen gewiesen Grade überlappen· Ebenso ist es möglich, daß sie nicht in Berührung mit der Innenwandung des Rohres 10 stehen sondern sich in einem geringen Abstand davon befinden. Das wesentliche Merkmal dieser Erfindung, das bei jeder dieser Abwandlungen erhalten bleibt, ist die Strömungsumkehrung, die durch die abwechselnd verdrehten Elemente verursacht wird. Dadurch wird die programmierte Bewegung jedes Teilchens der Flüssigkeit, wie vorstehend beschrieben, erzeugt, um eine Konzentration gelöster Stoffe an der Oberfläche der semipermeablen Rohrmembran 10 zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch für Verfahren anwendbar, bei denen sich keine Polarisationsschicht bildet, bei denen aber die Neigung besteht, daß bei der Beförderung fluider Teilchen durch die semipermeable Membran ein Unterschied zwischen der Flüssigkeit an einer Wandung der semipermeablen Rohrmembran und eines nicht an dieser Wandung befindlichen fluiden Stoffes entsteht. Zum Beispiel kann die Flüssigkeit 2, beispielsweise Blut, oxidierbar sein, und der fluide Stoff 3 kann Sauerstoff sein. Die Sauerstoffteilchen werden durch die semipermeable Rohrmembran 10 befördert, wodurch eine höhere Konzentration der oxidierten Flüssigkeit Blut an der Innenwandung der semipermeablen Rohrmembran 10 entsteht. Blut ist

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sehr empfindlich, und kann leicht durch Wirbelströmung beschädigt werden. Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht jedoch eine sehr wirksame und gründliche Verteilung der oxidierten Blutschicht in der gesamten Blutmasse und zwar ohne jedes Auftreten einer schädlichen Turbulenz.

Für die neue Vorrichtung bestehen viele Verwendungsmöglichkeiten,

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Durchführung der selektiven Trennung von fluiden Teilchen mit Hilfe einer Rohrleitung, deren Wandung als semipermeable Membran ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet , daß in einer semipermeablen Rohrmembran (10) für das Durchleiten der zu behandelnden Flüssigkeit (2) in Längsrichtung eine Mehrzahl verdrehter blattähnlicher Elemente (21) so angeordnet ist, daß abwechselnd jeweils jedem einzelnen der Elemente oder einer Gruppe von Elementen mit nach rechts gerichteter Krümmung solche mit nach links gerichteter Krümmung folgen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die semipermeable Rohrmembran (10) mit den darin angeordneten verdrehten blattähnlichen Elementen (21) in einem Gehäuse (15) für die Aufnahme einer zweiten Flüssigkeit (Zf) zum Umspülen der semipermeablen Rohrmembran (10) so befestigt ist, daß sie vollständig in .der durch das Gehäuse (15) geführten zweiten Flüssigkeit eingetaucht ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die semipermeable· Rohrmembran (10) mit den darin angeordneten verdrehten blattähnlichen Elementen (21) durch Stützteile (11 und 12) in den Stirnseiten (13 und -1^) des Gehäuses (15) befestigt ist; daß ein Einlaßrohr (16) mit Pumpe (17) und Reguliereinrichtung (18) für das Durchleiten der zu behandelnden Flüssigkeit (2) durch die Einlaßöffnung (11) der semipermeablen Rohrmembran (10) vorgesehen ist; daß das

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Gehäuse (15) mit einem Einlaßrohr (3) für das Einleiten einer zweiten Flüssigkeit (If) zum Umspülen der semipermeablen Rohrmembran (10) versehen ist und daß für den Abfluß des Permeate aus dem Gehäuse (15) eine Abflußleitung (19) angeordnet ist.

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