DE2601859A1

DE2601859A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines membranfilters

Info

Publication number: DE2601859A1
Application number: DE19762601859
Authority: DE
Inventors: Barry Michael Brown; Elbert Lee Ray
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1976-07-22
Also published as: FR2297660A1; JPS5197583A; FR2297660B1; GB1535832A

Description

EASTMAN KODAK COMPANY, Rochester, N.Y. 14650, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Membranfilters.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betrieb eines unter Druck stehenden Membranfilters (Membranpermeators), d.h. allgemein auf die Trennung
einer Flüssigkeit in einem Speisestrom von zugehörigem aufgelösten oder suspendierten festen Material, beispielsweise auf die Trennung eines aufgelösten Stoffes von dem Lösungsmittel durch das bevorzugte Hindurchleiten des Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Trennung durch Ultrafiltration,
Dialyse, umgekehrte Osmose und ähnliche Verfahren, d.h. unter Druck arbeitende Membranverfahren, sowie auch Verfahren zur Reinigung und zur Verhinderung der Verschmutzung der in derartigen Verfahren verwendeten Membrane, wobei sich die Erfindung auch auf die dafür vorgesehenen Reinigungsvorrichtungen bezieht.

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Die Erfindung ist, wie der Fachmann erkennt, bei den verschiedensten Trennvorgängen verwendbar, wobei sie aber besonders vorteilhaft im Rahmen der Filtrierung durch ein Verfahren der umgekehrten Osmose ist; aus Gründen der Einfachheit wird die Erfindung hier im wesentlichen im Rahmen eines solchen Verfahrens beschrieben. Im folgenden bezeichnet der Ausdruck "Lösung" eine echte Lösung, wo ein fester stoff in einem Lösungsmittel aufgelöst ist, und der Ausdruck "Suspension" bedeutet eine Speiseflüssigkeit, die eine Flüssigkeit (Lösungsmittel) umfaßt, welche zusammen mit suspendierten nicht aufgelösten festen Teilchen (aufgelöster Stoff) auftritt.

Bei den Verfahren der umgekehrten Osmose wird eine Trennung eines Lösungsmittels von einem aufgelösten Stoff allgemein dadurch erreicht, daß man den Speisestrom, beispielsweise einen Strom industriellen Abfalls, in Berührung mit einer semipermeablen Membran bringt, wobei der Speisestrom sich unter einem hinreichend großen Druck befindet, um den osmotischen Druck an der Membran zu überwinden und um das Lösungsmittel (beispielsweise Wasser) durch die Membran und aus der Lösung herauszuleiten, wobei die verbleibende Lösung in einem konzentrierter en Zustand zurückbleibt. Dieses Verfahren wird des- " halb als umgekehrte Osmose bezeichnet, weil die Bewegung des Lösungsmittels durch die Membran in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen Richtung erfolgt, die normalerweise infolge der Konzentrationsunterschiede auftreten würde. Die am häufigsten verwendete Membran für umgekehrte Osmose ist Zelluloseazetat, wie dies im einzelnen in den im folgenden diskutierten Patenten beschrieben ist.

In solchen Verfahren, wie auch in den verschiedenen anderen oben erwähnten Verfahren, besteht eine Tendenz, daß der Wirkungsgrad, beispielsweise die Permeabilität ( und Zurückweisung) der Membran durch das Verschmutzen oder sogenannte "Fouling" nachteilig beeinflußt wird. Es wurde festgestellt,

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daß dieser Fouling-Vorgang aus einer Anzahl von Gründen auftritt, und zwar gehört dazu die Ausfällung von Salzen, suspendierten und/oder teilchenförmigen Stoffen sowie das Ansetzen von organischen Makromolekülen. Zahlreiche flüssige Abfälle enthalten beträchtliche Mengen an suspendierten Feststoffen, und es ist nicht leicht, diese Abfälle wegen des Fouling-Vorgangs durch Membranverfahren zu bearbeiten.

Viele Verfahren steuern das Membran-Fouling und bringen durch den Fouling-Vorgang beeinflußte Membranen wieder auf einen hohen Wirkungsgrad zurück. U.S. Patent 3 491 021 lehrt zur Verhinderung der Ansammlung eines Filterkuchens auf der Membranoberfläche die Verwendung einer hin- und hergehenden Winkelbeschleunigung der Membran und ihres Trägers bezüglich der Lösungssuspension. U.S. Patent 3 425 562 sieht im Zusammenhang mit der Membran ein bewegliches Element vor, um die Strömungsgeschwindigkeit und die Turbulenz benachbart zur Membranoberfläche zu erhöhen, um so darauf festgehaltene Teilchen wieder zu entfernen. Das französische Patent 2 082 sieht ein Reinigungsverfahren für Flüssigkeitsfilter vor, wo die Filtrierung durch zuvor überzogene Elemente bewirkt wird. Zur Entfernung dieses Vorüberzugs, der das Bestreben hat, das Element zu verstopfen, wird das Druckgefäß geöffnet und das Element herausgezogen und es wird ferner ein Gas, wie beispielsweise Druckluft oder ein inertes Gas, auf die am Element ausgebildeten Ablagerungen gerichtet , wobei das Element gedreht wird, wodurch sich dann die Ablagerungen lösen. U.S. Patent 3 630 360 lehrt die Verwendung einer Druckumkehr von einer Seite des Filters zur anderen alle 15 bis 30 Sekunden, um die Lage aus Feststoffen vom Filter in einem System zu lösen, wo ein flexibles Filterelement verwendet wird, welches unter Filterbedingungen konkav und unter Nicht-Filterbedingungen konvex ist. Das britische Patent 1 276 524 lehrt die Entfernung und Ersetzung von verbrauchten Teilchen. Die vertikal in einem Filtertank angeordnete Patrone wird dadurch gereinigt, daß man den Zufluß vom Tank so weit abläßt, bis er unterhalb der Patrone steht, wobei dann allmählich der Tank mindestens

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bis zur Oberseite der Patrone dadurch angefüllt wird, daß man eine Mischung aus Gas und Abfallflüssigkeit in umgekehrter Strömung in und durch die Patrone leitet, um den Tank allmählich mit Waschflüssigkeit anzufüllen. Sodann wird die Flüssigkeit abgelassen, während der Luftstrom fortgesetzt wird.

Andere teilweise zufriedenstellend arbeitende Lösungen verwenden die Erzeugung einer Turbulenz, wie beispielsweise durch eine hohe Speisegeschwindigkeit, oder aber es wird eine mechanische Rührvorrichtung benutzt, eine bestimmte Membranform, das Hinzufügen von Reinigungsmitteln und/oder Säuren, die Rückspülung und das Druckablassen. In manchen Fällen wird das Speisemittel vorbehandelt, d.h. es wird gefiltert, es werden Reduzieragenzien oder die Ausfällung verhindernde Stoffe hinzugefügt oder aber es wird der pH-Wert zur Verhinderung anorganischer Ausfällungen geregelt und das Speisemittel wird durch Aktivkohlesäulen geleitet, wobei alle diese Behandlungen zur Verhinderung des Fouling-Vorgangs dienen, aber diesen Vorgang bei einer bereits verunreinigten Membran nicht vermindern können.

Gemäß der Erfindung sind zwei Verfahren zur Reinigung und zur Verhinderung eines weiteren Fouling-Vorgangs bei Membranen in mit Druck betriebenen Membranfiltrierverfahren vorgesehen, und zwar zusammen mit einer Vorrichtung zur Durchführung dieser Reinigung.

Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, die Membranen in einem unter Druck betriebenen Membranverfahren mit Oberflächen, die durch Berührung mit Speiseflüssigkeitsströmen verunreinigt (durch den Fouling-Vorgang) wurden, dadurch zu reinigen und zu erneuern, wobei ferner die weitere Verunreinigung verhindert wird, daß man die verunreinigten Membranoberflächen periodisch mit einem sich schnell bewegenden Gas, vorzugsweise in großen Volumen, spült, wobei die Membran in einem nassen Zustand gehalten wird. Im Falle eines Filtriersystems

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mit einer spiralförmig gewickelten Membraneinheit oder einem Modul für umgekehrte Osmose sieht das erste erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte vor: a) Unterbrechung des Speiseflüssigkeitsflusses in einen Speisekanal der Membraneinheit entweder von Hand oder durch automatische Mittel; b) Einleiten eines fließenden Gasstromes in den gleichen Speisekanal und in Berührung mit der gleichen Membranoberfläche, während die Membranoberfläche durch die zurückbehaltene Speiseflüssigkeit noch immer naß, gehalten ist; c) Fortsetzung dieses Gasflusses solange, bis im wesentlichen die ganze im Speisekanal verbliebene Speiseflüssigkeit ausgetrieben ist; d) Beendigung des Gasflusses und e) Wiederaufnahme des Speiseflüssigkeitsflusses in den Speisekanal der Membraneinheit. Die Flüssigkeit wird dabei mit dem Systembetriebsdruck wieder eingeführt. Der Systembetriebsdruck ist definiert als ein Druck, der größer ist als der osmotische Druck der Flüssigkeit, so daß die Membran als Filter arbeitet.

Ein zweites Verfahren ist gemäß der Erfindung für den Fall vorgesehen, wenn die Verunreinigung der Membran von solcher Art ist, daß sie nicht allein durch das erste Verfahren beseitigt werden kann. Gemäß dem zweiten Verfahren sind folgende Schritte vorgesehen: a) Unterbrechung des Speiseflüssigkeitsflusses in einen Speisekanal in die Membraneinheit hinein; b) Einleiten eines fließendes Gasstromes in den gleichen Speisekanal und in Berührung mit der Membranoberfläche, während die Membranoberfläche mit zurückgehaltener Speiseflüssigkeit noch naß ist; c) Fortsetzung der Gasströmung solange, bis im wesentlichen die ganze im Speisekanal verbliebene Speiseflüssigkeit ausgetrieben ist; d) Beendigung der Gasströmung; e) Wiedereinführung eines Speiseflüssigkeitsflusses mit einem Druck, der geringer ist als der normale Systemdruck für die Filtrierung; f) Wiederholung der Schritte a)-e) nach Bedarf solange, bis die Membran gereinigt ist; g) Wiedereinleiten der Speiseflüssigkeitsströmung zur Membraneinheit mit normalem Systembetriebsdruck.

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Die Schritte a) bis e) des zweiten Verfahrens können sooft als notwendig wiederholt werden, bis die Membran gereinigt ist, worauf dann der letzte Schritt des Verfahrens 2 durchgeführt wird und der Speiseflüssigkeitsdruck auf den normalen Systembetriebsdruck für Filtrierung zurückgebracht wird. Da das erste Verfahren normalerweise für die Reinigung der meisten verunreinigten Membraneinheiten ausreicht, ist die Zeitperiode zwischen der Verwendung des ersten Verfahrens und dem zweiten Verfahren von einer wesentlich größeren Dauer. Es sei wiederum darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen Verfahren bei den meisten unter Druckanwendung verlaufenden Membranverfahren verwendbar sind, beispielsweise bei denjenigen Druck-Membran verfahr en, die nicht nachteilig durch die erforderlichen großen Gasvolumina beeinflußt werden.

Die Strömung des Spülgases ist parallel zur aktiven Oberfläche der Membran gerichtet, und zwar vorzugsweise längs der Bahn, die die Speiseflüssigkeit läuft. Die Richtung des Spülgases bezüglich der Speiseströmungsrichtung kann jedoch auch die umgekehrte Richtung sein, d.h. es kann eine Rückspülung durch die Konzentratleitung erfolgen.

Die Dauer des Spülgases und die Frequenz, mit der das System durch das Verfahren 1 oder Verfahren 2 behandelt wird, hängen von der Art des Filtriersystems ab, wobei zu den Variablen folgendes gehört: Die Membranfläche, die Anzahl und die Form der diskreten Membraneinheiten, die Tatsache, ob die Membranen bereits verschmutzt waren, wenn die Methode 1 oder 2 verwendet wird, und die Art des behandelten Speisemittels sowie die durch dieses hervorgerufene Verschmutzung, was wiederum das Verfahren bestimmt, welches erforderlich ist, um die Membran zu reinigen und optimale Filterung zu erhalten. Es wurde festgestellt, daß jedes System ein minimales Volumen und einen minimalen Gasdruck im Rahmen des Verfahrens 1 oder des Verfahrens 2 benötigt, um die Reinigung und Verschmutzungsverhinderung durchzuführen. Dieses Minimalvolumen

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und dieser Gasdruck im Reinigungszyklus sind durch Versuche feststellbar. Der Gasreinigungsschritt eines jeden der Verfahren kann durch Verwendung von höheren Gasdrücken abgeändert werden, was das notwendige Gasvolumen in einer kürzeren Zeitspanne erzeugt. Eine derartige Änderung kann zweckmäßig sein, um das System für die maximal mögliche Zeit ohne den Aufbau von Verunreinigungsmaterial "im Fluß" zu halten.

Die.optimale Anwendung eines jeden der beiden erfindungsgemäßen Verfahren zielt darauf ab, die minimale Verwendung entweder des einen oder beider Reinigungsverfahren sowohl hinsichtlich Frequenz als auch Dauer zu realisieren. Wenn nur das erste Verfahren verwendet wird, so kann die Reinigungsfrequenz der Membraneinheit dadurch optimiert werden, daß man das Verfahren 1 zu kurzen Zeitintervallen durchführt und allmählich die Zeitintervalle erhöht, bis die Strömung durch die Membran abnimmt, was den Beginn des Fouling-Vorgangs (Verunreinigung) anzeigt; die Verwendung des Reinigungsverfahrens mit etwas kürzeren Intervallen als denjenigen, wo die Strömungsabnahme festgestellt wurde, bedeutet eine optimale "im Fluß" (on stream)-Zeit. Eine weitere Optimierung des Reinigungsverfahrens kann durch Erhöhung des Gasdrucks erreicht werden, um ein größeres Gasvolumen in einer kürzeren Zeitspanne vorzusehen, wobei dieye Maßnahme durch Begrenzungen der Einrichtung und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beschränkt ist. Di'e Frequenzoptimierung des gesamten Verfahrens kann wiederum gefolgt von einer Optmierung der Dauer des Gasspülschritts erfolgen, bis das System sich einem stetigen Zustand nähert. Ferner kann eine erneute Optimierung nach einer Periode des Betriebs des Systems durchgeführt werden, um den Verfahrenswirkungsgrad auf seinem Maximum zu halten.

Wenn das zweite Verfahren verwendet wird, welches eine Flüssigkeitsspeiseströmung unter niedrigem Druck verwendet, so erfolgt eine geringe Filtration, weil der Druck der Speise-

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flüssigkeit klein gehalten wird. Daher muß die maximale Optimierung der Reinigungsverfahren darauf gerichtet sein, das System in der Filtierbetriebsart solange als möglich durch Verwendung des ersten Verfahrens zu halten, und nicht das Verfahren 2 zu verwenden. Wenn das Verfahren 2 zur Reinigung der Membraneinheit(en) verwendet wird, so sind die gleichen Verfahren für die Frequenz- und Dauer-Optimierung anwendbar wie beim Verfahren 1. Die gleichen Optimierungsverfahren können benutzt werden, wenn Verfahren 1 und Verfahren 2 zusammen verwendet werden, um die Verschmutzung der Membraneinheit(en) zu verhindern. Die Verwendung des einen oder des anderen erfindungsgemäßen Verfahrens in einem System mit bereits verschmutzten Membranen erfordert die häufigere Anwendung des Verfahrens 1 und/oder des Verfahrens 2 solange, bis die Membranoberflächen gereinigt sind, worauf dann die Frequenz und die Dauer des Reinigungsverfahrens zurückgenommen werden können, und zwar durch die Verwendung der oben beschriebenen Optimierungsverfahren.

Die hier beschriebenen Reinigungsverfahren sind sowohl bei einer Bearbeitungsvorrichtung mit einer einzigen Membraneinheit als auch bei einer Bearbeitungsvorrichtung verwendbar, die eine Vielzahl von unter Druck betriebenen Membraneinheiten aufweist, welche in Serie oder parallelgeschaltet sind. Filtrationssysteme mit Mehrfachelementen können durch die erfindungsgemäßen Verfahren gereinigt werden, und zwar entweder durch Spülen des gesamten Systems auf einmal oder durch aufeinanderfolgendes Spülen der verschiedenen Membraneinheiten einzeln. Das Spülen des gesamten Systems auf einmal hat den Nachteil, daß ein wesentlich größeres Luftvolumen mit einem höheren Druck erforderlich ist als dies beim Verfahren der Fall ist, welches die Spülung der Reihe nach vorsieht.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen, welche in die

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neuen -unter Druck betriebenen Membraneinheiten eingebaut sein kann oder zu bereits vorhandenen Systemen hinzugefügt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann das periodische Gasspülen des Systems automatisch bewirken und ist sowohl für Einfach- als auch Mehrfach-Membraneinheiten und Systeme verwendbar.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch ein mit umgekehrter Osmose arbeitendes Filtrationssystem mit einer einzigen Membran/ wobei eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung verwendet wird, welche zeitgesteuerte,mit Motoren versehene Ventile verwendet, um den Gasreinigungsschritt für ein jedes der Verfahren durchzuführen;

Fig. 2 zeigt einen Teil eines Systems ähnlich Fig. 1, wobei hier ein Prüfventil zur Steuerung des Luftstroms an Stelle von zeitgesteuerten, mit Motoren versehenen Ventilen verwendet wird;

Fig. 3 eine schematisch dargestellte Abwandlung des mit einer einzigen Membran arbeitenden, die umgekehrte Osmose verwendenden Filtrationssystems der Fig. 1, wobei die Rezirkulation der Speiseflüssigkeit vorgesehen ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitenden Filtrationssystems mit parallelgeschalteter Mehrfachmembran zur Durchführung des Gasspülschritts eines jeden der erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines die umgekehrte Osmose verwendenden Filtrationssystems mit einer

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einzigen Membran, wobei ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eingebaut ist, welches die Rezirkulation des Konzentrats vorsieht;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Zurückweisung von Feststoffen im Konzentrat abhängig von den Betriebstagen bei der Bearbeitung der sekundären Abfluß-Speiseflüssigkeit einer Kläranlage, wobei die vorteilhafte Wirkung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens ohne einen sekundären Spülzyklus dargestellt.ist;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Strömungsratenänderungen des Permeats abhängig von den Betriebstagen, und zwar bei der Verarbeitung der sekundären Abfluß-Speiseflüssigkeit einer Kläranlage, wobei ferner die verbesserte Wirkung der Verwendung von nur dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren ohne Verwendung des zweiten Verfahrens dargestellt ist, und zwar gegenüber den drei Verfahren des Standes der Technik.

Es seien nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In Fig. 1 ist eine mit Druck betriebene Membraneinheit der Bauart mit umgekehrter Osmose dargestellt, die eine einzige Membraneinheit 11 verwendet, welche eine erfindungsgemäße Gasspülvorrichtung zur Verwendung des Verfahrens 1 umfaßt. Die Vorrichtung besitzt einen eine flüssige Speiselösung enthaltenden Vorratsbehälter 12, von dem aus die Speiseflüssigkeit durch eine Pumpe 13 über ein Zweiwegventil 15 in eine Speisestromleitung 16 und sodann in die Membraneinheit 11 gepumpt wird. Ein Luftventil 17 ist an einer Gasleitung 18 angeschlossen, weichletztere mit der Speisestromleitung 16 stromabwärts gegenüber dem Zweiwegventil 15 verbunden ist. Wenn das Zweiwegventil 15 offen ist und das Luftventil 17 sich im Schließzustand befindet, so läuft die Speiseflüssigkeit in die Membraneinheit und wird durch die Wirkung der Membran in einen Konzentratstrom und einen Permeatstrom getrennt. Der Konzentratstrom

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enthält eine erhöhte Konzentration an aufgelösten Stoffen und fließt in eine Konzentratstromleitung 19 und läuft über ein Drosselventil 20 heraus. Das Drosselventil 20 dient durch Gegendruck zur Regulierung des durch die Pumpe erzeugten Systemdrucks und kann zur Erhöhung oder Absenkung des Drucks eingestellt werden, beispielsweise auf den für die umgekehrte Osmosefiltration gewünschten Pegel, der größer ist als der osmotische Druck der Lösung und im allgemeinen ungefähr 150 bis 700 psi (englische Pfund pro Quadratzoll) oder größer ist (sämtliche Drücke in dieser Beschreibung sind Meßdrücke). Wenn eine Pumpe und ein System derart konstruiert sind, daß der notwendige Betriebsdruck für die Filtration erzeugt wird, so ist das Drosselventil 20 nur dazu notwendig, um einen Niederdruckweg für die Reinigungsluft während des Spülschrittes des angewendeten Verfahrens vorzusehen. Die Zweiwegventile 15 und Luftventil 17 sind mit einem zeitgesteuerten Ventilbetätigungsmotor T1 verbunden, und das Drosselventil 20 steht mit einem zeitgesteuerten Ventilbetätigungsmotor T2 in Verbindung, wobei aber die Ventile auch, wenn gewünscht, von Hand betätigbar sind.

Zu den in diesem System verwendbaren Membrankonstruktionen für Membraneinheit 11 gehören die spiralgeförmig gewickelten Permeatoren für umgekehrte Osmose gemäß U.S. Patenten 3 367 504, 3 386 583, 3 397 7 90 und große rohrförmige Permeatoren nach Walters in "Mechanical Engineering", April 1968, Seiten 104 bis 110.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei nun die Arbeitsweise des Systems bei Anwendung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Beim normalen "in Strömung" befindlichen Filtervorgang wird Speiseflüssigkeit mit einem Druck oberhalb des osmotischen Drucks der Speiselösung vom Vorratsbehälter 12 über Pumpe 13 und Zweiwegventil 15 - welches sich in einer Öffnungsstellung bezüglich der Speiseleitung 16 befindet - in eine Membraneinheit 11 gepumpt, wo die Trennung in Konzentrat und Permeat erfolgt, wobei das Konzentrat durch das teilweise

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offene Drosselventil 20 zur Konzentratstromungsleitung 19 läuft. Das Drosselventil 20 ist derart eingestellt, daß es zur Erzeugung eines Gegendrucks eine Drosselwirkung ausübt, wodurch der gewünschte Systemdruck für die Filtration erzeugt wird. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, beispielsweise bei Beginn des Gasspülschrittes, wird das Zweiwegventil 15 durch den zeitgesteuerten Ventilmotor T1 geschlossen, um den Speiseflüssigkeitseingang in die Membraneinheit 11 anzuhalten. Die Pumpe 13 setzt ihren Betrieb fort, ist aber abgetrennt.

Gleichzeitig mit dem Schließen des Zweiwegventils 15 öffnet sich das Drosselventil 20 schnell durch die Wirkung des zeitgesteuerten Ventilmotors T2 in einem größeren Ausmaß, so daß die Konzentratströmungsleitung 19 vollständig geöffnet ist, wodurch der Druck in der Membraneinheit 11 auf atmosphärischen Druck abfallen kann. Zusammenfallend mit der weiteren Öffnung des Drosselventils 20 öffnet der zeitgesteuerte Ventilmotor T1 langsam das Luftventil 17 in der Gasleitung derart, daß der Druck in der Membraneinheit in effektiver

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Weise der atmosphärische Druck ist, bevor das Ventil den Zutritt von Spülgas gestattet. Ein Gas, wie beispielsweise Preßluft, läuft durch Gasleitung 18 in die Speisestromleitung 16 und von dort in die Membraneinheit 11. Dieses Gas bläst durch den Speiseweg hindurch und längs der aktiven Oberfläche der Membran, wodurch die Verunreinigungssubstanzen aufgerührt und gelockert werden und im wesentlichen die ganze im Element verbliebene Flüssigkeit durch das Drosselventil 20 und aus dem System herausgeblasen werden. Der zeitgesteuerte Ventilmotor T1 öffnet nunmehr das Zweiwegventil 15 wieder und Speiseflüssigkeit wird unter Betriebsdruck zurück in die mit umgekehrter Osmose arbeitende Membraneinheit 11 gepumpt. Gleichzeitig schließt der zeitgesteuerte Ventilmotor T1 das Ventil 17 und hält die Gasströmung in die Membraneinheit 11 an, und der zeitgesteuerte Ventilmotor T2 bringt das Drosselventil 20 in seine ursprüngliche, teilweise offene Stellung zurück.

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Dieses Verfahren 1 wird an ausgewählten Zeitintervallen wiederholt, die, wie oben beschrieben, sich als optimal herausgestellt haben, und zwar hinsichtlich der Verschmutzung und hinsichtlich der Aufrechterhaltung einer hohen "in Strömung"-Zeit (d.h. einer Zeit, während welcher der Filter mit Speiseflüssigkeit beaufschlagt ist). Eine typische Anwendung dieses Verfahrens, wo die Membraneinheit verwendet wird, um das Teilchen enthaltende Waschwasser einer fotografischen Emulsion zu behandeln, erfordert 5 Sekunden lang Luft während des Spülschrittes mit einer einminütigen Flüssigkeitsspeiseperiode zwischen den Gasspülungen; eine zweiminütige Speiseflüssigkeitsperiode zwischen Anwendungen des Verfahrens 1 erfordert, unter ähnlichen Bedingungen, 12 Sekunden Luft während des Spülschrittes.

Das erste Verfahren der Erfindung kann auch ohne Abtrennung der Pumpe P durchgeführt werden. Dabei ist - vergleiche Fig. 3 - das Zweiwegventil 15 durch ein Dreiwegventil 15' ersetzt, mit dem eine Umgehungsleitung 21 verbunden ist, so daß dann, wenn das Dreiwegventil 15' durch den zeitgesteuerten Vontilmotor T1 betätigt wird, dieses die Speiseströmungsleitung 16 schließt, während die Umgehungsleitung 21 geöffnet wird, so daß die Pumpe die Speiseflüssigkeit zurück zum Vorratsbehälter 12 führt; nach erneuter Betätigung des Motors T1 verbindet das Dreiwegventil 15' die Pumpe P wieder mit der Speiseströmungsleitung 16 und schließt die Umgehungsleitung 21 ab. Ansonsten ist dieses System und seine Arbeitsweise identisch mit dem in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen System.

Wenn das zweite erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung der Membraneinheit durchgeführt werden soll, so wird das Drosselventil 20 und sein Betätigungsmotor T2 derart konstruiert und eingestellt, daß bei Vollendung des Gasspülschrittes das Drosselventil 20 nicht in seine ursprüngliche Drosselposition, die einen hohen Flüssigkeitsfilterdruck gewährleistet, zurückkehrt, sondern stattdessen in einer

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weiter offenen Zwischenstellung derart verbleibt, daß über den Rück- oder Gegendruck dann, wenn die Speiseflüssigkeit wieder in die Membraneinheit 11 eingeführt wird, diese sich auf einem Druck unterhalb oder gleich dem für die Filtration erforderlichen Druck, im allgemeinen von ungefähr 30 bis 100 psi, befindet und Flüssigkeit längs der verunreinigten Membranoberfläche,ohne durch die Membran zu dringen, strömt, auf welche Weise lockeres,durch das Gas locker gemachtes Verunreinigungsmaterial weggewaschen wird. Die Schritte a) bis e) des Verfahrens 2 werden sooft als erforderlich wiederholt, bis die Membranoberflächen sauber sind, worauf dann der zeitgesteuerte VentilmotorT2 das Drosselventil 20 in seine ursprüngliche Drosselstellung zurückbringt, um den gewünschten höheren Gegendruck (beispielsweise 150 psi oder mehr) zu erzeugen, der für die .Flüssigkeit erforderlich ist, um durch die Membran hindurchzudringen.

Die Verfahren 1 und 2 können entsprechend dem Erfordernis zu Zeitintervallen wiederholt werden, welche sich als optimal bezüglich der Verhinderung der Verunreinigung und der Aufrechterhaltung einer hohen "in Strom"-Zeit herausgestellt haben. Eine typische Reinigungsanwendung unter Verwendung von nur des Verfahrens 2, wo die Membraneinheit verwendet wird, um fotografische Emulsions-Waschwasser enthaltende Teilchen zu behandeln, erfordert eine 60-minütige Wiederholung der Schritte a) bis e) mit einer 23-stündigen Periode von Hochdruckspeiseflüssigkeitsströmung, bevor eine Reinigung wieder erforderlich wird.

DLe Art der von der Membraneinheit zu verarbeitenden Speiseflüssigkeit bestimmt, welches Verfahren bzw. welche Verfahren der Erfindung verwendet werden. Es können drei Grundspeiseflüssigkeiten angetroffen werden: Nicht klebrige teilchenhaltige Speiseflüssigkeiten, wie beispielsweise nicht behandelte oder rohe Abfallflüssigkeiten, wie beispielsweise von fotografischen Verfahren; organische Chemikalien ent-

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haltende Speiseflüssigkeiten, wie beispielsweise das Emulsionswaschwasser aus fotografischen Verfahren; Speiseflüssigkeiten, welche eine klebrige teilchenförmige oder organische Verschmutzung erzeugen, wie beispielsweise ein Gelatine enthaltender Abfallstrom, der zuvor mit kanibalisierenden Bakterien behandelt wurde.

Es wurde festgestellt, daß das erste erfindungsgemäße Verfahren in wirkungsvoller Weise Membrane wieder herstellt, die der Verschmutzung von nicht klebrigen Teilchen und organische Chemikalien enthaltenden Speiseflüssigkeiten ausgesetzt waren, wobei aber das Verfahren 1 nur eine verminderte Wirksamkeit besitzt, wenn es bei Membranen verwendet wird, die durch eine klebrige Teilchen enthaltende oder organische Speiseflüssigkeit, wie beispielsweise eine Bakterien enthaltende Gelatine-Abfallspeiseflüssigkeit, verunreinigt waren. Es wird angenommen, daß diese Schwierigkeit auf die Abscheidung von .Bakterienkörpern und verschiedenen Abbauprodukten an der Membranoberfläche während der Flüssigkeitsfiltration zurückzuführen ist. Der Gasspülschritt ist in" der Lage, diese Verunreinigungsmaterialien teilweise von der Membranoberfläche zu lockern und abzuheben, wobei aber die Wiedereinführung der Speiseflüssigkeitsströmung mit hohem Filtrationsbetriebsdruck die angehobenen Teile der Materialien wieder an die Membranoberfläche "kleistert" (eng zum anhaften bringt), was praktisch keine Entfernung der gelockerten Materialien zur Folge hat. In dieser Situation ist die· Anwendung des Verfahrens Nummer wirkungsvoller. Die Wiedereinführung der Speiseflüssigkeitsströmung mit einem niedrigeren Druck, so wird angenommen, bewirkt nicht die Wiederbefestigung der gelösten oder angehobenen Materialien, so^- daß die fortgesetzte Wiederholung der Stufen a) bis e) diese Materialien entfernt und die Membranoberfläche reinigt. Es wurde ebenfalls festgestellt, daß die Stufe oder der Schritt e des Verfahrens 2, d.h. die Wiedereinführung von unter niedrigem Druck stehender Speiseflüssigkeit, in wirkungsvoller Weise klebrige teilchenförmige und organische Verunreinigung entfernt, obwohl eine

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Hypothese, warum das Verfahren in solchen Situationen wirkungsvoll ist, nicht leicht aufzustellen ist.

Wenn man somit diese Erfindung zur Regenerierung der Membranen in einem Membraneinheitsfiltratxonssystem verwendet, so kann man als erstes das Verfahren 1 versuchen. Wenn dieses Verfahren eine ungenügende Membransäuberung ergibt, so kann man dann das Verfahren 2 anwenden.

Sämtliche oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren können auch dann angewendet werden, wenn die einzelne mit umgekehrter Osmose arbeitende Membraneinheit 11 durch zwei oder mehrere derartige Einheiten ersetzt wird, die miteinander in Serie verbunden sind. Das Permeat kann dann aus jeder Einheit einzeln entfernt werden, aber das Konzentrat und das Spülgas laufen durch die aufeinanderfolgenden Einheiten und sodann nach aussen durch eine Konzentratleitung am Ende der Serie. Alternativ können die Serien der Einheiten innerhalb eines einzigen Druckgefässes angeordnet werden, und die Permeatabgabelextungen können miteinander in Serie geschaltet werden, wobei das kombinierte Permeat aus der letzten Einheit in der Serie ausströmt (vergleiche U.S. Patent 3 417 870).

Eine einfachere Form des Systems - vergleiche Fig. 2 - verwendet ein Prüf- oder Steuerventil 17' an Stelle eines zeitgesteuerten Ventils in der Gasspeiseleitung, wobei dies derart aufgebaut ist, daß es bei hohem Betriebsdruck geschlossen bleibt. Wenn die Reinigung der Membraneinheit 11 erforderlich ist, wird Ventil 15'' (von Hand oder automatisch) geschlossen und der Druck in der Speiseströmungsleitung 16 fällt vom Betriebsdruck (beispielsweise 150 psi) auf einen niedrigeren Druck wie beispielsweise 90 psi ab, wobei das geschlossene Steuerventil 17' derart konstruiert ist, daß es sich bei diesem Druck automatisch öffnet und die Gasströmung in den Permeator oder die Filtereinheit 11 hinein beginnt. Wenn das Ventil 15''

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wieder geöffnet wird, so tritt Hochdruckspeiseflüssigkeit in den Permeator ein und das Prüfventil 17 ' schließt sich automatisch. Dieses System kann mit oder ohne Drosselventil in der Konzentratleitung arbeiten, solange sich der erforderliche Gegendruck entwickelt.

In Fig. 4 ist eine Parallelanordnung von Membraneinheiten und 26 dargestellt, um ein mehrere Einheiten aufweisendes Verfahrenssystem zu bilden. Mit einem derartigen System sind zwei unterschiedliche Reinigungsvorgänge möglich: 1) werden beiden Einheiten durch entweder Verfahren 1 oder Verfahren 2 gleichzeitig gereinigt, und 2) werden die Einheiten entweder durch Verfahren 1 oder Verfahren 2 zu unterschiedlichen Zeiten gereinigt.

Der erste Vorgang zur gleichzeitigen Reinigung beider Einheiten durch Verfahren 1 beginnt mit dem Abschließen der Gpeiseleitungen 33 und 35 in die Membraneinheiten 25 und durch die Dreiwegventile 29 und 31, wodurch die Pumpen 37 und 39 (oder eine einzige Pumpe, wenn eine solche verwendet wird) abgetrennt werden (d.h. auf das geschlossene Ventil arbeiten). Gleichzeitig mit dem Schließen der Dreiwegventile 29 und 31 bezüglich der Speiseleitungen 33 und 35 werden die teilweise offenen Zweiwegventile 41 und 43 schnell über die Wirkung des zeitgesteuerten Ventilmotors T3 geöffnet, so. daß die Konzentratleitungen 45 und 47 vollständig geöffnet werden, wodurch der Druck in den Membraneinheiten 25 und 27 auf den atmosphärischen Druck abfallen kann. Gleichzeitig mit dem Öffnen der Zweiwegventile 41 und 43 öffnen die zeitgesteuerten Ventilmotoren T4 und T5 die Gasventile 49 und 51 in den Gasleitungen 53 und 55 langsam derart, daß die Membraneinheitsdrücke effektiv auf den. atmosphärischen Druck abgesunken sind, bevor die Ventile Gas einlassen. Gas läuft in die Speiseleitungen 33 und 35 und von dort in die Membraneinheiten 2 5 und 27, um die Membranoberflächen in der oben beschriebenen Weise zu reinigen. Sodann öffnet der zeitgesteuerte Ventilmotor T4 die

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Dreiwegventile 29 und 31 wieder und Speiseflüssigkeit wird in die Membraneinheiten 25 und 27 zurückgepumpt. Gleichzeitig schließen die zeitgesteuerten Ventilmotoren T4 und T5 die Gas ventile 49 und 51 , wodurch die Gasströmung unterbrochen wird, und der zeitgesteuerte Ventilmotor T3 bringt die Zweiwegventile 41 und 43 in ihre ursprünglichen, teilweise offenen Drosselstellungen derart zurück, daß der Systemdruck auf den für die Filtrierung erforderlichen Druck ansteigt.

Der erste Vorgang zur gleichzeitigen Reinigung von zwei Einheiten durch Verfahren 2 beginnt in der gleichen Weise wie für die Reinigung von zwei Einheiten durch Verfahren 1, mit der Ausnahme, daß bei Vollendung des Gasspülungsschrittes der zeitgesteuerte Ventilmotor T3 die Zweiwegventile 41 und 43 in eine weiter geöffnete Zwischenstellung zurückbringt, so daß die Speiseflüssigkeit sich auf einem Druck nahe oder gleich dem Druck des Reinigungsgases oder Spülgases befindet. Der Reinigungszyklus des Verfahrens 2 wird solange wiederholt, bis die Membranoberflächen sauber sind. Zu diesem Zeitpunkt wird der letzte- Schritt des Verfahrens 2 vollendet, und zvra.T durch Wiederöffnen der Dreiwegventile 29 und 31, gleichzeitiges Schließen der Gasventile 49 und 51 und Zurückbringen der Zweiwegventile 41 und 43 in ihre ursprünglichen Drosselstellungen derart, daß der Systemdruck über den osmotischen Druck der Lösung ansteigt.

In einer Abwandlung gemäß Fig. 4 sind die Pumpen nicht abgetrennt, sondern pumpen Flüssigkeit weiter über ümgehungslextungen zurück zur Speisungsquelle. Dies wird in der Weise erreicht, wie dies in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde, nämlich durch Verwendung von zwei Dreiwegventilen an Stelle von Zweiwegventilen, und durch zwei Umgehungsleitungen.

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Beim zweiten erfindungsgemäßen Vorgang, d.h. entweder der Reinigung durch das erfindungsgemäße Verfahren 1 oder das erfindungsgemäße Verfahren 2 kann die Anordnung derart getroffen sein, daß die Membraneinheit 25 gereinigt wird, während sich die Membraneinheit 27 noch immer "in Strömung" befindet, wobei die Einheit 27 dann gereinigt wird, wenn sich die Einheit 25 "in Strömung" befindet. Die verschiedenen zeitgesteuerten Ventilmotore können derart eingestellt sein, daß dann, wenn die Ventile 31, 51 und auf ihre Standardeinstellungen für die Behandlung der Speiseflüssigkeit eingestellt sind, die Ventile 29, 49 und 41 zur Durchführung der verschiedenen Schritte des gewählten Reinigungsverfahrens eingestellt sind,und umgekehrt. Während des Spülens der Einheit 25 wird das Ventil 29 mit der Leitung 54 verbunden, um Flüssigkeit über Ventil 31 zur Einheit 27 zu leiten, und umgekehrt. Natürlich sind die beiden Membraneinheiten für den größten Teil der Zeit "auf Strömung¹¹ mit der Speiseflüssigkeit, da die Reinigungszeit so kurz ist verglichen mit der Betriebszeit bei unter vollem Druck stehender Speiseflüssigkeit.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Vorrichtung verwendet Umgehungsmittel und Ventilmittel, welche die Verwendung des einen oder anderen erfindungsgemäßen Verfahrens gestatten, ohne daß Gaseinschließungen in Konzentratleitungen sich ergeben.

Die Arbeitsweise des Systems gemäß Fig. 5 stimmt genau mit der von Fig. 1 überein, mit der Ausnahme, daß das Konzentrat von der Membraneinheit 11 durch ein Dreiwegventil 58 läuft, welches sich in einer geschlossenen Stellung bezüglich einer Umgehungsleitung 57 und in einer Öffnungsstellung bezüglich der Konzentratströmungsleitung 19 befindet, worauf dann das Konzentrat durch das teilweise geöffnete Drosselventil 20 läuft, welches derart angeordnet ist, daß es eine Drosselfunktion zur Erzeugung des Gegen-

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- 2C -

drucks ausübt, wodurch der gewünschte Systemdruck für die Filtration erzeugt wird.

Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, beispielsweise zu Beginn des Gasspülschrittes, werden die verschiedenen Ventile 15, 17 und 20 in der Weise betätigt, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 (und/oder Fig. 3, wenn die Pumpe 13 nicht abgetrennt ist) beschrieben ist. Gleichzeitig mit dem Schließen des Zweiwegventils 15 bezüglich der Speisestromleitung 16 schließt sich das Dreiwegventil 58 schnell bezüglich Leitung 19 und öffnet sich bezüglich Umgehungsleitung 57 durch die Wirkung des zeitgesteuerten Motors T6, um so die Umgehungsleitung vollständig zu öffnen, wodurch der Druck in der Membraneinheit 11 auf den atmosphärischen Druck absinken kann. Wenn somit Gas durch die Membraneinheit 11 geblasen wird, so wird die restliche Flüssigkeit zusammen mit gelockertem Material herausgeblasen und "kehrt über Umgehungsleitung 57 zum Reservoir 12 zurück. Umgekehrt gilt, daß dann, wenn die Ventile 15, 17 und 20 in ihre ursprüngliche Stellungen zurückkehren, das Dreiwegventil 58 betätigt wird, um wiederum die Umgehungsleitung 57 abzuschalten und die Konzentratströmungsleitung 19 zu öffnen.

An Stelle des Betriebs des Systems der Fig. 5 nur durch Verfahren 1 , welches die Hochdruckflüssigkeitsspeisung einschließt, kann das Verfahren 2 verwendet werden, wo vor Wiederaufnahme der Hochdruckflussigkeitsspeisung Flüssigkeit mit niedrigerem Druck wieder eingeführt wird. Dies wurde im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Darüber hinaus kann, eine Umgehungsleitung, wie beispielsweise 57, und ein Dreiwegventil,- wie beispielsweise 58, sowohl bei in Serie geschalteten als auch bei parallelgeschalteten Systemen verwendet werden.

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Hinsichtlich des Mechanismus, durch den das Gasspülen gemäß der Erfindung die Membranoberflächen säubert, wird als Hypothese angenommen, daß dies durch eine Kombination von Faktoren geschieht. Wenn das Gas in die Membraneinheit eingeblasen wird, so treibt es die darin verbliebene Speiseflüssigkeit vor sich her, was wahrscheinlich eine Turbulenzwirkung und Blasenwirkung zur Folge hat, welche auf die Membranoberfläche einwirkt, um Verunreinigungssubstanzen zu lockern. Das Gas bewirkt auch eine Expansion in einer zylindrischen spiralförmig gewickelten Membraneinheit, wenn es seinen Weg in die Speiseströmungsbahn sich bahnt, was das Entstehen einer Biegewirkung in der Membran zur Folge hat. Wenn im wesentlichen die ganze verbliebene Speiseflüssigkeit herausgeblasen ist, so wird die Gasströmung unterbrochen und die Speiseströmung wird wieder eingeführt. Es ist wichtig, daß die Gasströmung aufhört, während die Membran noch immer naß ist, da bei getrockneter Membran die Filtereigenschaften beschädigt oder sogar vernichtet werden. Der wieder eingeführte Hochdruckspeisestrom schießt in die Patrone (Membraneinheit) und treibt nunmehr das verbliebene Gas vor sich her, wobei eine Turbulenz erzeugt wird, welche die Verunreinigungssubstanzen weiter lockert. Die Wiedereinführung der Speisung bewirkt auch eine Erweiterung des zylindrischen spiralförmig gewickelten Permeators (Membraneinheit) , was wiederum das Ansteigen von Biegekräften bewirkt, welche auf die Oberfläche der Membran einwirken. Diese Kombination der Kräfte infolge der sequentiellen Entfernung der Speisung, der Einführung des Gases und der Wiedereinführung der Speisung bewirkt, so wird angenommen, die Reinigung der Membranoberflächen.

Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Spülgas ist durch geeignete Kompressionseinrichtungen geliefert. Es wurde festgestellt, daß das normalerweise erforderliche Luftvolumen so groß ist, daß ein Speichertank oder

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Akkumulator erforderlich sein kann, der die Aufbewahrung
einer großen Menge von Druckluft gestattet. Das erforderliche Volumen hängt von dem speziellen verwendeten System ab. Obwohl Luft bevorzugt wird, kann auch irgendein anderes Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, verwendet
werden, welches nicht schädliche Wirkungen auf die aktive Oberfläche der Membran oder die Speiseflüssigkeit ausübt, welchletztere während des Gaskühlschritts bei jedem Verfahren in der Membran zurückbleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Reinigung und zur Verhinderung der
Verschmutzung in Bearbeitungssysten verwendet werden, die einen großen Bereich von Speiseströmungen verarbeiten.
Die Erfindung verhindert die Verschmutzung beispielsweise bei Speiseflüssigkeiten, wie Industrieabwasser, Abwasser
von Papierproduktionsvorgängen, Emulsionswaschwasser von
fotografischen Filmbeschichtungsvorgangen. Zuckerlösungen lind Fruchsäften.

Die folgende Beispiele veranschaulichen die Anwendung der ^T-Fi ndungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen
Vorrichtungen bei druckbetriebenen Membranvorgängen. Es
sei darauf hingewiesen, daß die folgenden Beispiele nicht einschränkend zu verstehen sind.

Beispiel 1

Eine vorgefilterte Lösung eines sekundären Ablaufs einer
Industriekläranlage wurde kontinuierlich unter Rückführung des Konzentrats verarbeitet, und zwar unter Verwendung
von Zelluloseazetatmembranen für umgekehrte Osmose in einer spiralförmig gewickelten Einheit, wie sie in den U.S.
Patenten 3 386 583 und 3 417 870 beschrieben ist; die Betriebsbedingungen sind in Tabelle 1 angegeben. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Auswirkungen der Verschmutzung hinsicht-

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lieh Membranabweisung (Sperrung) und Strömung für die verwendete Einheit während mehrerer Betriebstage.

Wie durch die Punkte XYZ in Fig. 7 angedeutet, wurden entsprechend dem Stand der Technik Versuche unternommen, die Verunreinigungswxrkungen zu reduzieren, und zwar durch Spülen des Systems mit wässrigen Lösungen der erwähnten im Handel verfügbaren Reinigungsmittel ("Soilax", ein neutrales pH-Reinigungsmittel; "Impact", ein Reinigungsmittel mit hohem pH; und "Lime-a-way", eine Phosphorsäure und Surfactantslösung; alle in Anführungszeichen genannten Namen sind Warenzeichen der Firma Economics Laboraties, Inc.), wobei diese Versuche gemäß dem Stand der Technik nur wenig vorteilhafte Wirkungen, verglichen mit der ausgezeichneten Verbesserung zeigten, welche sich für den Gasspülvorgang gemäß.dem erfindungsgemäßen Verfahren an Punkt F ergab.

Nach 18 Betriebstagen wurde die Erfindung in der folgenden Weise angewandt: Die spiralförmig gewickelte Membraneinheit wurde 30 Minuten lang abwechselnd dem Durchgang von Wasser und Luft, während jeweils 15 Sekunden langer Perioden bei 90 psi, ausgesetzt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren des Luftspülens eine deutliche Verbesserung sowohl hinsichtlich der Permeatstromungsrate als auch hinsichtlich der Abweisung der gelösten Teilchen durch die zuvor verschmutzte Membran bei Wiederaufnahme der Speiseflüssigkeitsströmung bei einem Druck oberhalb des osmotischen Drucks ergab. Die Abweisung oder Sperrung wird als diejenige Menge an Feststoffen definiert, welche durch die Membran zurückgehalten wird, wobei diese Größe dadurch berechnet wird, daß man vom Gewicht der Feststoffe in der Speiselösung das Gewicht der Feststoffe im Permeat abzieht und sodann die Differenz durch das Gewicht der Feststoffe in der Speiselösung dividiert und mit 100 multipliziert. Die unten stehenden Tabelle gibt die Betriebsbedingen an:

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Tabelle 1

Pumpe:
Permeator:

Umgekehrte O smo s emembr an: Speiseflüssigkeitdruck:

Speiseströmungsgeschwindigkeit:

Temperaturbereich (im Mittel):

Vorfilter: Luft- und Wassereinspritzung:

Mehrstufige Zentrifugalpumpe Osmonics spiral wound "SEPA 97"

Zelluloseazetat

150 psi (ein); 125 psi (aus)

5 Gallonen pro Minute 7 5°Fahrenheit

15 Mikron Fulfo-Filter 90 psi

Beispiel 2

10 ppm Silber in Form von Silberverbindungen und auch andere Schwermetallverbindungen enthaltendes Waschwasser aus der fotografischen Emulsionsherstellung wurde dadurch behandelt, daß man es durch einen GuIf ROGA90-Zelluloseazetat-Spiralpermeator von 27 Quadratfuß Fläche mit einem Druck von 400 psi bei einer Temperatur von 45 bis 60 F leitete, und zwar unter Rückführung des Konzentrats. Eine 250 Gallonen-Probe wurde auf 5 Gallonen konzentriert, wobei 98% des Wassers durch die Membran als Permeat liefen und für die erneute Verwendung verfügbar waren. Die begrenzte Löslichkeit der Schwermetalle veranlaßte diese, während der Konzentration auszufallen. Diese Ausfällung hatte einen Gehalt von 50 000 ppm wiedergewinnbaren Silbers.

Das in Fig. 5 gezeigte System wurde verwendet, aber mit Rückführung der Speisung zum Vorratsbehälter während des Luftblasvorgangs, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Es wurde ein Zyklus verwendet mit 2 Minuten "in Strömung" mit Speiseflüssigkeit, gefolgt vom Hindurchblasen mit Luft bei 90 psi für 15 Sekunden Dauer, worauf dann die Flüssigkeitsspeisung mit 400 psi wie zuvor aufgenommen wurde.

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Die Strömung durch die Membran verblieb hoch und der Teilchengehalt des Konzentrats verblieb über den Versuchslauf hinweg ebenfalls hoch, was die Minimierung der Verschmutzung anzeigt. Basierend auf vorangegangenen Erfahrungen konnte an sich - ohne Lufteinspritzen - die frühzeitige Verschmutzung erwartet werden.

Beispiel 3

Das System des Beispiels 2 wurde in der gleichen Weise 1000 Stunden lang betrieben. Es wurde nur ein kleiner Strömungsabfall von 0,34 auf 0,31 Gallonen/Minute über die ganze 1000 Stunden-Periode hinweg beobachtet.

Unter den gleichen Bedingungen, aber ohne periodische Lufteinspritzung, wurden 200 Gallonen Wasser konzentriert und zwar mit Rückführung des Konzentrats zur Beobachtung der Verschmutzungsgeschwindigkeit. Nach 500 Betriebsstunden war der Fluß auf 0,13 Gallonen/Minute vom anfänglichen Fluß von 0,31 Gallonen/Minute abgesunken.

Beispiel 4

Eine vorgefilterte wässrige Speiseflüssigkeit, die einen Hatiptanteil an organischen Stoffen, wie beispielsweise durch Enzyme zerlegte Gelatine und einen kleineren Anteil an Silberverbindungen und Verbindungen von anderen Metallen enthielt, wurde durch eine in umgekehrter Osmose betriebe Membraneinheit (Osmonics 97 Spiral Permeator) in einem System ähnlich dem in Fig. 5 gezeigten betrieben, wobei aber für die Rückführung der Speiseflüssigkeit während des LuftblasVorgangs wie in Fig. 3 Vorsorge getroffen war. Das Konzentrat wurde rückgeführt.

Der Speiseflüssigkeitsdruck lag bei 200 psi und die Temperatur betrug 95°F. Nach 70 Stunden hatte der Fluß von den

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anfänglichen 325 ml/Minute auf 150 ml/Minute abgenommen. Sodann wurde das Steuerventil 15 automatisch geschlossen, Ventil 17 wurde automatisch geöffnet, um Luft mit einem Druck von 80 psi in die Membraneinheit 11 eintreten zu lassen, und das Dreiwegventil 55 wurde auf Rückführung eingestellt. Periodisch wurde das Zweiwegventil 15 automatisch geöffnet, das Drosselventil 20 wurde automatisch auf den gewünschten Gegendruck eingestellt und das Dreiwegventil wurde in seine ursprüngliche Stellung zurückgebracht, um Speiseflüssigkeit mit einem Druck von 30 psi und einer Temperatur von 130 F zu liefern, während das Luftventil 17 automatisch geschlossen war. Dieser Zyklus wurde 6 Stunden lang fortgesetzt, wobei Luft und Niedrigdruck-Speiseflüssigkeit jeweils für 15 Sekunen-Perioden flössen. Sodann wurde das Zweiwegventil 15 wieder geöffnet und das Drosselventil 20 wurde wieder eingestellt, um die Membraneinheit mit Hochdruckspeiseflüssigkeit zu versorgen. Es wurde festgestellt, daß der Fluß oder die Strömung 350 ml/Minute war, was anzeigt, daß das gelockerte Verunrexnxgungsmaterial eliminiert und die Permeabilität wieder hergestellt war.

Die oben beschriebenen Vorgänge wurden im allgemeinen labormäßig durchgeführt, wobei das flüssige Konzentrat zum Vorratsbehälter der Speiseflüssigkeit für wiederholten Hindurchgang durch den Permeator rückgeführt wurde. Bei komerziellen Betriebsvorgängen würde die Speiseflüssigkeit im allgemeinen durch das System nur einmal hindurchgeführt werden, wie dies möglich ist, wenn eine Reihe von Permeatoren verwendet wird, und es würde keine Rückführung des Konzentrats erfolgen.

Es wurden mehrere zeitgesteuerte Ventilmotore dargestellt und für die Betätigung der verschiedenen Ventile beschrieben. Es sei bemerkt, daß die Ventile in der richtigen Reihenfolge durch individuelle' pneumatische, hydraulische oder elektrische Motoren betrieben werden können, die

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alle mit einer einzigen Zeitsteuervorrichtung verbunden und durch diese gesteuert werden können, wobei sich die Zeitsteuervorrichtung in einem einzigen Steuerkasten befindet.

Im Beispiel 4 mit den 15 Sekunden-Perioden für jede Hälfte des Niedrigdruck-Sekundärspülzyklus steht die Länge der Perioden nur mit der speziellen Membraneinheit in Beziehung. Im allgemeinen wird die Luft für eine Zeitperiode geblasen, die lang genug ist, um sämtliche Flüssigkeit auszutreiben plus etwas mehr (diese Periode kann sich zwischen 10 Sekunden bis hinauf zu 60 Sekunden oder mehr erstrecken, und zwar abhängig von der Flüssigkeitskapazität der Einheit oder der Einheiten). Die einen niedrigen Druck aufweisende Flüssigkeit strömt für eine Zeitperiode, die lang genug ist, um den Hohlraum in der Membraneinheit wieder aufzufüllen und das durch die Luft gelockerte Material herauszuwaschen (diese Periode dauert ebenfalls zwischen 10 und 60 oder mehr Sekunden wie bei Luft).

Die Waschflüssigkeit kann entweder die Speiseflüssigkeit oder anderes Wasser sein und kann chemische Zusätze entsprechend speziellen Arbeitsvorgängen enthalter. Beispielsweise kann die Flüssigkeit zur pH-Einstellung Säure oder Alkali enthalten ■ oder aber Surfactants zur Verbesserung der Reinigungswirkung.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die Erfindung ein erstes Verfahren zur Reinigung und Verhinderung der Verunreinigung von Membranen in unter Druck betriebenen Membranvorgängen vorsieht, wobei dieses Verfahren einen Gasstrom verwendet, der in den Speiseflüssigkeitskanal einer derartigen Membraneinheit eingeleitet wird, nachdem die Speiseflüssigkeitsströmung unterbrochen ist, und zwar erfolgt die Gasströmung im wesentlichen solange, bis im wesentlichen die ganze in dem Kanal verbliebene Speiseflüssigkeit ausgetrieben ist, worauf die Gasströmung unterbrochen und der Speiseströmungsfluß wieder aufgenommen wird.

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Dieses Verfahren kann periodisch wiederholt werden, wobei die Zyklusfrequenz reguliert wird, um die Zeit, während welcher die Membraneinheit an die Speiseströmung angeschlossen ist, und die Verunreinigungsverhinderung zu optimieren. Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren sieht die Wiedereinführung der Speiseflüssigkeit mit einem verminderten Druck dann vor, wenn die Verunreinigung durch bei normalem Systembetriebsdruck wiedereingeführte Speiseflüssigkeit nicht beseitigt werden kann. Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren sind für eine Einmembraneinheit und auch für Serien- und Parallel-Membraneinheitsformen vorgesehen und weisen Ventile zur Steuerung der Speiseflüssigkeitsströmung und es Gases und auch zur Erzeugung des Systemdrucks über eine Gegendruckanordnung auf. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei Dreiwegventile und damit verbundene Umgehungsleitungen auf, um die Speiseflüssigkeit und vorbeigeblasene Speiseflüssigkeit einschließlich Verunreinigungsmaterial zurück zur Speisequelle xtfährend des Gasspülsegments des Zyklus zu führen, wobei ein Ventil eine Drosselwirkung ausführt, und ein Ventil zur Steuerung der Gasströmung auch für eine Einmembraneinheit als auch für Serien- und Parallel-Membraneinheiten vorgesehen ist. Die Erfindung sieht dabei zeitgesteuerte Ventilmotoren vor, die automatisch das erste oder zweite Verfahren in Gang setzen, wobei diese Motoren derart steuerbar sind, daß sie eine Veränderung der Zyklusbedingungen bei einer Veränderung der Art der zu bearbeitenden Speiseflüssigkeit gestatten.

Zum Stand der Technik sei noch auf U.S. Patent 3 794 169 hingewiesen, wobei bemerkt wird, daß dieses Verfahren nicht die vollständige Austreibung der ganzen Speiseflüssigkeit und insbesondere des Verunreinigungsmaterials gestattet. Darüber hinaus ist anzunehmen, daß eine längere Periode erforderlich ist, wenn die Membraneinheit sich nicht in einer Filterbetriebsart befindet. Es sei bemerkt, daß der genaue Mechanismus der Verunreinigung nicht bekannt ist, aber bei allen Membranen und" Membran-Bauarten der umgekehrten Osmose auftritt.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb eines Bearbeitungssystems mit einer mit Druck betriebenen Membran, wobei ein Strom aus einer einen Feststoff enthaltenden Speiseflüssigkeit durch einen Kanal geleitet wird, der eine semipermeable Membranwand in einer Bearbeitungseinheit aufweist, wobei die Speiseflüssigkeit mit einer ersten Seite der Membran in Berührung kommt, und ein flüssiges Permeat mit vermindertem Feststoffgehalt an einer zweiten Seite der Membranwand entgegengesetzt zur ersten Seite entfernt wird, während ein flüssiges Konzentrat mit erhöhtem Feststoffgehalt von der Speiseflüssigkeitsseite abgeführt wird, und wobei sich Schmutzstoffe an der ersten Seite der Membranwand ansammeln, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ansammelnden Schmutzstoffe von der Membranwand dadurch entfernt werden, daß man die Strömung der Spuiseflüssigkeit durch den Kanal unterbricht, daß man die verbleibende Speiseflüssigkeit im Kanal durch einen Gasströmungsfluß austreibt, und daß man die Gasströmung beendet und eine Flüssigkeitsströmung wieder in den Kanal einführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die wiedereingeführte Flüssigkeitsströmung in den Kanal auf einem Druck unterhalb des'Drucks befindet, der zum Hindurchtreiben der Flüssigkeit durch die Membran erforderlich ist, wobei die Unterbrechung des Flüssigkeitsflusses wiederholt wird und die restliche Flüssigkeit im Kanal mit einem fließenden Gasstrom ausgetrieben wird, worauf ein Flüssigkeitsfluß in den Kanal mit einem Druck unterhalb des Drucks wieder aufgenommen wird, der erforderlich ist, um die Flüssigkeit durch die Membran zu drücken, und wobei die Flüssigkeitsströmungsunterbrechung und die Gasströmung sooft wiederholt wird, wie dies erforderlich ist, um die Membranpermeabilität wieder herzustellen, worauf dann

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schließlich die Speiseflüssigkeitsströmung zum Kanal mit einem Druck wieder aufgenommen wird, der die Flüssigkeit durch die Membran treibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wiedereingeführte Flüssigkeitsströmung Speiseflüssigkeit ist, und daß sowohl die anfängliche als auch die wiedereingeführte Flüssigkeitsströmung bei einem Druck oberhalb des osmotischen Drucks der Flüssigkeit erfolgt.

4. Verfahren nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Speiseflüssigkeit im System zwischen ungefähr 150 und ungefähr 700 psi liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speiseflüssigkeitsfluß, der Gasfluß und der wiedereingeführte Speiseflüssigkeitsfluß automatisch mit einem zeitgesteuerten Zyklus reguliert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung durch den Kanal in der gleichen Richtung erfolgt wie die Strömung der Speiseflüssigkeit.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung durch den Kanal in entgegengesetzter Richtung zur Strömungsspeiseflüssigkeit erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Speiseflüssigkeit, die in den Kanal mit einem Druck unterhalb des zur Wiederherstellung der Membranpermeabilität erforderlichen Drucks eingeführt wird, ein Druck von 30 bis ungefähr 100 psi ist.

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10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet _f daß das entfernte flüssige Konzentrat die Speiseflüssigkeit für ein weiteres Bearbeitungssystem ist, welches in Serie mit dem ersten Bearbeitungssystem verbunden ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseflüssigkeit gleichzeitig in mindestens zwei Bearbeitungssysteme fließt, die parallel angeordnet sind, und daß die gesamte Folge des Entfernens von Verschmutzungsmaterial von einem System vollständig durchgeführt wird, bevor dies an einem zweiten System durchgeführt wird.

12.Vorrichtung zum Betrieb eines Bearbeitungssystems, welches eine unter Druck stehende Membran verwendet, und wobei ein Vorratsbehälter mit Speiseflüssigkeit vorhanden ist und eine Membraneinheit die Bearbeitung bewirkt, und wobei erste Rohrmittel den Vorratsbehälter mit der Membraneinheit verbinden und eine Pumpe die Speiseflüssigkeit vom Vorratsbehälter durch die ersten Rohrmittel pumpt, und gesonderte zweite und dritte Rohrmittel vorhanden sind, um die Konzentrat- und Permeat-Ströme aus der Membraneinheit zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinheit folgende Elemente aufweist:

Erste Steuerventilmittel in den ersten Rohrmitteln stromabwärts gegenüber der Pumpe und betätigbar, um den Speiseflüssigkextsfluß zur Membraneinheit zu starten und anzuhalten; vierte mit den ersten Rohrmitteln verbundene Rohrmittel stromabwärts gegenüber den Ventilmitteln; eine mit den vierten Rohrmitteln verbundene Gasquelle sowie zweite Steuerventilmittel in den vierten Rohrmitteln, wobei die zweiten Steuerventilmittel normalerweise geschlossen sind, wenn die ersten Steuerventilmittel

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offen sind, und wobei die zweiten Steuerventilmittel geöffnet werden, wenn die ersten Steuerventilmittel geschlossen sind, um so die Gasströmung in die ersten Rohrmittel und in die Membraneinheit zu gestatten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch dritte Steuerventilmittel in den zweiten Rohrmitteln stromabwärts gegenüber der Membraneinheit zur Steuerung des Gegendrucks der Einheit.

14o Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch arbeitsmäßig mit den ersten und zweiten Steuerventilmitteln verbundene Motoreinrichtungen sowie Zeitsteuermittel zur Steuerung der Erregung, der Motoreinrichtungen auf der Basis eines zeitgesteuerten Zyklus derart, daß die Steuerventilmittel automatisch in einer zeitgesteuerten Folge betätigt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Steuerventilmittel ein Dreiwegventil sind, und daß die Vorrichtung fünfte Rohrmittel umfaßt, welche das Dreiwegventil mit dem'Vorratsbehälter verbinden, um die Rückführung der Speiseflüssigkeit durch die fünften Rohrmittel dann zu gestatten, wenn das Dreiwegventil bezüglich der Membraneinheit geschlossen ist.

16. Vorrichtung nach Ansprüchen 12, 13 und 14, gekennzeichnet durch erste und zweite Membraneinheiten zur Bewirkung der Bearbeitung, wobei erste Rohrmittel den Vorratsbehälter mit den ersten und zweiten Membraneinheiten verbinden, und wobei ferner erste Steuerventilmittel einzeln die Strömung der Speiseflüssigkeit betätigen,und zweite Steuerventilmittel einzeln die Gasströmung derart betätigen, daß dann, wenn die ersten Ventilmittel offen sind, die zweiten Ventilmittel geschlossen sind.

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17. Verfahren zur Reinigung von Membranen, insbesondere Membranen für umgekehrte Osmosevorgänge an einer Speiseflüssigkeit/ dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Strömung der Speiseflüssigkeit unterbrochen wird, b) eine Strömung von Spülgas eingeleitet wird, c) die Gasströmung solange fortgesetzt wird, bis sämtliche Speiseflüssigkeit aus dem Speisekanal entfernt ist, d) die Gasströmung beendet wird und e) die Speiseflüssigkeitsströmung mit dem Betriebsdruck des Systems wieder aufgenommen wird.

18. Reinigungsverfahren für eine Membran, insbesondere eine mit umgekehrter Osmose betriebene Membran, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1) Schritte a) bis d) des Verfahrens gemäß Anspruch 17;

2) Schritt e) der Wiederaufnahme des Speiseflüssigkeitsflusses mit einem Druck kleiner als der Systembetriebsdruck; 3) Schritt f) der Wiederholung der Schritte a) bis e) nach Bedarf und 4) Schritt g) der Wiederaufnahme der Speiseflüssigkeitsströmung bei Systembetriebsdruck.

19. Verfahren insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Unterbrechung des Speiseflüssigkeitsflusses in den Speisekanal einer Membraneinheit;

b) Hindurchführen eines Gasstromes durch den gleichen Speisekanal und in Berührung mit der gleichen Membranober fläche, während diese noch immer durch die zurückgehaltene Speiseflüssigkeit naß ist; c) Fortsetzung dieser Gasströmung solange, bis im wesentlichen die ganze zurückgebliebene Speiseflüssigkeit ausgetrieben ist, d) Beendigung der Gasströmung und e) Wiederaufnahme der Speiseflüssigkeitsströmung im Speisekanal der Membraneinheit mit Systembetriebsdruck.

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20. Verfahren, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Unterbrechung der Speiseflüssigkeitsströmung in einen Speisekanal in einer Membraneinheit; b) Hindurchführen eines Gasstromes durch den gleichen Speisekanal und in Berührung mit der Membranoberfläche, während diese noch immer mit zurückgehaltener Speiseflüssigkeit benetzt ist; c) Fortsetzung dieser Gasströmung solange, bis im wesentlichen die ganze verbliebene Speiseflüssigkeit in den Speisekanal entfernt ist; d) Beendigung der Gasströmung; e) Wiedereinführung einer Flüssigkeitsströmung mit einem Druck, der geringer ist als der normale Systemdruck zur Filtration; f) Wiederholung der Schritte a) bis e) nach Bedarf, bis die Membran sauber ist und g) Wiederaufnahme der SpeiseflüssigkeitsStrömung in die Membraneinheit hinein mit normalem Systembetriebsdruck.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende Membraneinheit eine spiralförmig gewundene Membraneinheit ist.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pumpe (13), ein Zweiwegventil (15), einen zeitgesteuerten Ventilmotor (T1_), ein Luftventil (17), welches über eine Gasleitung (18) mit einer Leitung (16) in Verbindung steht, die mit einem Ende am Ventil (15) und dem anderen Ende an einer Membraneinheit (11) liegt, die das Konzentrat über ein Drosselventil (20.) abgibt, welches durch einen zeitgesteuerten Ventilmotor (2) gesteuert ist (Fig. 1). '

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23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zweiwegventil (15) gemäß Fig.11 durch ein Dreiwegventil (15') ersetzt ist, welches über eine Umgehungsleitung (21) mit einem Vorratsbehälter (12) verbunden ist (Fig. 3).

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Parallelanordnung von zwei Membraneinheiten (25, 27), die über Dreiwegventile (29, 31) über Pumpen mit einem Vorratsbehälter verbunden sind, und wobei ferner Zweiwegventile (49 und 4.5) angeschaltet sind, und die Einheiten (25, 27) das Konzentrat über Drosselventile (41 bzw. 43) abgeben (Fig. 4).

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