DE3817578A1 - Verfahren zur mikro- und ultrafiltration sowie zur umkehrosmose und vorrichtung zur ausfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikro- und Ultra­ filtration sowie zur Umkehrosmose mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 4.

Es sind Filtrationsverfahren bekannt, bei denen der Feed- Strom zum Zwecke der Erzielung einer Querstromwirkung durch Rohr- oder Wickelmembranen hindurchgeführt oder von außen an diesen oder an Flachmembranen entlang geführt wird, in dem eine oder mehrere Pumpen die erforderliche Strömung herbei­ führen. Solche Verfahren sind wegen der hohen Kosten für Pumpen, Schläuche, Rohre, Kupplungen und Ventile sehr auf­ wendig und platzraubend. Die Reinigung der zahlreichen vor­ genannten Aggregate ist schwierig und zeitaufwendig. Teil­ weise ist es erforderlich, für unterschiedliche Feeds ver­ schiedene Pumpen einzusetzen. Der Energieaufwand, insbe­ sondere bei Aufkonzentrierungsprozessen, ist hoch, weil das Retentat mehrfach im Kreislauf transportiert werden muß. Zu­ dem entstehen Energieverluste durch den Widerstand von Rohr­ krümmungen und Kupplungen. Druck und Fließgeschwindigkeit des Querstromes sind schwierig zu optimieren, weil beide Pa­ rameter der Pumpenleistung nur aufwendig einzeln optimiert werden können. Die Sterilhaltung des Kreislaufsystemes ist in herkömmlichen Anlagen wegen der lagen Wege und häufig komplex aufgebauten Pumpen und Kupplungen erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikro- und Ultrafiltration sowie zur Umkehrosmose zu schaffen, bei dem die Querstromwirkung ohne hohen Energieaufwand und mit vereinfachten Vorrichtungen durchgeführt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß durch Bewegen der Mem­ branen im zunächst ruhenden Feed die für die Querstrom­ wirkung notwendige radiale und axiale Umspülung der Membran erreicht wird. Querstromwirkung sowie Druckunterschied auf die Membranen können einzeln gewählt werden. Um ein Mitlau­ fen des Feed mit den sich drehenden Membranen und damit eine Verminderung der Querstromwirkung zu vermeiden, kann die An­ triebsdrehrichtung für die Membranen geändert werden. Die zur Durchführung dieses Verfahrens erforderliche Vorrichtung bildet den Vorteil eines geschlossenen Systems.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Fil­ trationsvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt wie in Fig. 1 einer geänderten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 3 einen Schnitt wie in Fig. 1 einer weiteren Aus­ führungsform und

Fig. 4 einen Schnitt wie in Fig. 1 einer Filtrationsvorrich­ tung mit ebener Membran.

Die Filtrationsvorrichtung 1 nach Fig. 1 umfaßt einen zylin­ drischen Behälter 2, der am oberen Ende durch eine mittels Schrauben 3 befestigten Deckel 4 dicht abgeschlossen ist.

Am unteren Ende ist der Behälter 2 durch einen mittels Schrauben 5 befestigten Boden 6 dicht abgeschlossen.

In dem Behälter 2 ist eine zylindrische Membran 7 angeord­ net. Das obere Ende dieser Membran 7 wird in einer Ringnut in einer Scheibe 8 im Außenumfangsbereich dicht aufgenommen. Das untere Ende dieser Membran 7 wird ebenfalls in einer Ringnut einer Scheibe 9 im Außenumfangsbereich dicht aufgenommen. Die Scheiben 8 und 9 sind über Mikroschrauben 10 in ihrem Abstand zueinander einstellbar. Wenn die zylin­ drische Membran 7 aus elastisch begrenzt streckbarem Mate­ rial gebildet ist, können hierdurch die Größen der Membran­ poren einstellbar verändert werden. Vorzugsweise ist die Membran 7 von einem Rohrkörper aus mit Vorspannung spiralge­ wickeltem Draht gebildet. Dieser Rohrkörper kann mit einem die Porengröße verringerndem, begrenzt elastisch streckbarem Materialauftrag versehen sein.

Die Scheiben 8 und 9 sind mit einer zentrischen Welle 11 fest verbunden. Diese Welle 11 ist über eine Steckkupplung 12 mit dem Wellenstummel 13 eines auf dem Deckel 4 befestig­ ten Elektromotors 14 oder einen anderen Antriebsvorrichtung verbunden. Durch den Elektromotor 14 kann die Membran 7 um die Achse X-X der Welle 11 rotierend mit unterschiedlicher, kontinuierlicher oder veränderbarer Drehzahl angetrieben werden.

Die untere Scheibe 9 ist mit mehreren Permeat-Auslässen 15 versehen. Außerdem ist mit der Scheibe 15 ein konischer Sammler 16 mittels Schrauben 17 dicht verbunden. Der End­ stutzen 18 des Sammlers 16 ist durch eine Abdichtung 19 durch den Boden 6 des Behälters 2 geführt. An den Behälter 2 ist mittels der Schrauben 5 eine Sammelkammer 20 mit Deckel 21 verbunden.

Der Behälter 2 weist ein Zulaufventil 22 für das zuzufüh­ rende Feed sowie am unteren Ende ein Auslaufventil 23 für den Austritt des Retentats auf.

Das Feed 24 füllt den Behälter 2 bis zu einem Niveau 25. Die Niveauhöhe ist über einen nicht dargestellten Sensor steuer­ bar, derart, daß das Feed ständig diese voreingestellte Ni­ veauhöhe einnimmt, in der es die Membran 7 vollständig um­ spült. Ein bestimmtes Maximalniveau wird nicht über­ schritten. Außerdem befindet sich am oberen Ende des Behäl­ ters 2 ein Zuflußventil 26 für ein Druckgas, welches das Feed 24 unter Überdruck setzt.

In der Nähe des Bodens 27 der Kammer 20 befindet sich ein Auslaufventil 28 für das Permeat 29.

Außerdem weist die Kammer 20 nahe des Bodens 27 ein Zuführ­ ventil 30 für ein Rückspülmedium auf.

Die Membran 7 kann aus Metall, Polymeren, Sintermaterial, Glasfaser oder anderen filterwirksamen Materialien bestehen. Vorzugsweise ist sie aus Metalldraht hergestellt, der schraubenförmig zu der zylindrischen Membran 7 gewickelt wird.

Der Filtrationsvorgang durch Rotation der Membran 7 im Feed 24 kann sowohl im Durchflußverfahren mit Querstromeffekt als auch im Deadend-Verfahren durchgeführt werden.

Beim Durchflußverfahren mit Querstromeffekt wird das Feed 24 kontinuierlich durch den Behälter hindurchgeführt, wobei das Feed über das Ventil 22 zugeführt und über das Ventil 23 ab­ geführt wird. Das Permeat gelangt in den vom Filter 7 um­ schlossenen Innenraum 31. Dieses fließt dann über die Durch­ lässe 15 in den Sammler 16 und gelangt über den Endstutzen 18 in die Kammer 20 für das Permeat 29. Über das Auslaufven­ til 28 kann das Permeat kontinuierlich oder chargenweise entnommen werden.

Das am Filter 7 im Außenraum längsfließende Feed 24 durch­ dringt das Filter 7 in den Innenraum 31 mit Querstromeffekt.

Wesentlich ist, daß auch beim Durchflußverfahren das Feed 24 im Behälter 2 zunächst bis zu einem Niveau 25 aufgestaut wird, so daß das Feed 24 das Filter 7 vollständig um­ schließt. Erst anschließend wird das Ventil 23 in dem Maße geöffnet, daß die Auslaufmenge im wesentlichen der Zulauf­ menge des Feeds über das Ventil 22 entspricht.

Die nicht dargestellte Sensorvorrichtung sorgt dafür, daß von Hand oder selbsttätig das Niveau auf vorbestimmter Höhe gehalten wird. Übersteigt es einen gewissen Wert, wird der Zulauf über das Ventil 22 gedrosselt oder abgeschaltet. Unterschreitet es einen vorbestimmten Wert, wird der Auslauf entsprechend gedrosselt oder abgeschaltet.

Bei dem Deadend-Verfahren bleibt das Ausgangsventil 23 für das Feed 24 im Behälter 2 geschlossen. Das Feed wird über das Ventil 22 bis zu einem vorbestimmten Niveauwert einge­ bracht. Hierauf schließt das Ventil 22. Durch Rotieren der Membran 7 und dem Gasdruck oberhalb dem Feed 24 wird das Feed mit Querstromeffekt durch die Membran 7 hindurchbewegt und fließt als Permeat über den Sammler 16 in die Permeat­ kammer 20 ab. Das Feed 24 wird durch das Permeieren und Ab­ führen des Permeats aufkonzentriert, solange bis der Perme­ atabfluß endet. Das Retentat in der Kammer 2 wird nach Been­ digung der Filtration über das Austrittsventil 23, z.B. durch Einwirkung des Gasdruckes auf das Niveau des Retentats in den Behälter 2 entnommen.

Es muß in jedem Fall gewährleistet sein, daß die Membran 7 vom Retentat überdeckt bleibt, solange ein Gasdruck über das Zuflußventil 26 auf den Flüssigkeitsspiegel des Feed 24 aus­ geübt wird.

Unterschreitet das Retentat den filterwirksamen Teil der Membran 7, ohne daß der Gasdruck über das Ventil 26 abge­ schaltet wurde, muß der Filtrationsvorgang unterbrochen wer­ den, z.B. dadurch, daß die erwähnte Sensorsteuerung an­ spricht.

Zur Reinigung der Poren des Filters 7, zum Freispülen des­ selben und zur Vermeidung eines Mitlaufens des Feed 24 in Drehrichtung der Membran 7, kann die Rotationsrichtung des Filters 7 z.B. durch Umsteuerung des Elektromotors 14 kurz­ zeitig geändert werden.

Eine weitere Begünstigung der Freispülmöglichkeit wird er­ zielt, wenn der Behälter 2 mittels einer Schwingmagnet-Vor­ richtung in Schwingungen versetzbar ist. Die Schwingungsein­ wirkung auf das Feed 24 bzw. auf das Filter 7 bei wechseln­ den, optimierbaren Frequenzen kann für eine kontinuierliche Freispülung herangezogen werden.

Weiterhin kann ein Freispülungseffekt dadurch erzielt wer­ den, daß über das Zuführventil 30 auf das Permeat 29 und da­ mit in den Behälter 2 für das Feed 24 ein pulsförmiger Un­ ter- bzw. Überdruck verschiedener Intensität, z.B. durch An­ schluß einer Vakuumpumpe oder eines Kompressors ausgeübt wird.

Ein weiterer Freispüleffekt kann durch die Anbringung von nicht dargestellten Leitflächen innerhalb des Behälters 2 erzielt werden, mit denen Strömungsführung und Verwirbelung des Feed 24 mit den Ziel erhöhter Filterleistung optimiert werden können.

Schließlich kann eine Freimachung der Filtermembran 7 unter Einwirkung von Metallbürsten erfolgen. Eine oder mehrere Bürsten können mit der Membran 7 rotierend zusammenwirken. Die Borstenspitzen sind vorzugsweise durch Ätzen etwa dem Abstand der Drahtwindungen der Membran 7 angepaßt, so daß sie in die von den Drahtwindungen gebildeten Spaltporen der rotierenden Membran 7 eingreifen. Hierdurch kann ein ständi­ ges Freihalten der Poren von Partikeln erfolgen, die sie sonst verstopfen würden.

Anstelle von Metallbürsten können Bürsten aus Glasfasern oder anderen organischen oder anorganischen Materialien ein­ gesetzt werden.

Für den Antrieb der Welle 11 kann statt eines Elektromotors 14 auch eine Turbine eingesetzt werden. Diese Turbine wird von dem ohnehin über das Ventil 22 zuströmenden Feedstrom angetrieben. Dabei kann die Turbine wie der Elektromotor außerhalb des Behälters 2 angeordnet sein. Die Turbine könnte aber auch innerhalb des Behälters 2 vorgesehen wer­ den, wobei der zuströmende Feedstrom wieder zunächst die Turbine durchströmt.

Anstelle eines zusätzlichen Antriebes kann auch ein ausrei­ chend starker Feedstrom unmittelbar durch den Behälter 2 für die Feedkammer geführt werden und treibt dort geeignete ge­ formte Filtermembranen an.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden an statt einer einzigen Filtermembran 7 in zylindrischer Form mit großem Durchmesser mehrere zylindrische Filter 7′ verwendet, die voneinander einen Abstand besitzen und kranzförmig um die zentrische Welle 11 angeordnet sind. Dabei sind die einzel­ nen Filter 7′ mit ihren oberen Enden dicht in der Scheibe 8 eingesetzt, während die unteren Enden der Filter 7′ so in die Scheibe 9 eingesetzt sind, daß ihr jeweiliger Innenraum in freier Verbindung mit dem Sammler 16 steht.

Vorzugsweise sind die Rohrmembranen 7′ aus Draht schrauben­ förmig gewickelt. Sie können einen dünnen Poren bildenden Auftrag aus anorganischem oder organischem Material aufwei­ sen.

Die Rohrmembranen 7′ können anstatt mit Abstand auch dicht aneinanderliegend angeordnet sein und die Welle 11 kranzför­ mig umgeben. Hierbei bilden die sich berührenden Zonen der Rohrmembranen 7′ zusätzliche Porenbereiche.

Im übrigen stimmt die Vorrichtung nach Fig. 2 mit der Vor­ richtung nach Fig. 1 überein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist eine rohrförmige Membran 7′′ schraubenförmig um Stützstangen 32 gewickelt. Diese Stützstangen 32 sind mit ihren Enden fest mit Scheiben 33 und 34 verbunden. Die Scheibe 33 weist einen nach oben ragenden Stutzen 35, die Scheibe 34 einen nach unten ragen­ den Stutzen 36 auf. Mit dem Stutzen 35 ist die Antriebswelle 13 des Motors 14 kuppelbar verbunden. Der Stutzen 36 ist abgedichtet und drehbar im Boden 6 und gegebenenfalls im Deckel 21 gelagert.

Das obere Ende 37 der Rohrmembran 7′′ ist abgedichtet in der Scheibe 33 befestigt. Das untere Ende 38 der Rohrmembran 7′′ ist durch die Scheibe 34 und durch eine Innenbohrung des Stutzens 36 in die Kammer 20 offen. Bei Rotation der Membran 7′′ wird das Permeat aus den Innenraum der Rohrmembran 7′′ über den Stutzen 36 in die Kammer 20 fließen.

Vorzugsweise ist die Membran 7′′ von einem schraubenförmig, unter Vorspannung gewickeltem Draht gebildet. Der entstan­ dene rohrförmige Membrankörper wird dann schraubenförmig auf die Stützstangen 32 aufgewickelt.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 stimmt im übrigen mit der Vor­ richtung nach Fig. 1 und 2 überein.

Bei der Filtrationsvorrichtung nach Fig. 4 werden Flachmem­ branen 40 verwendet. Von diesen sind z.B. drei übereinander an der drehbaren Hohlwelle 41 befestigt. Diese Flachmembra­ nen 40 besitzen vorzugsweise in Draufsicht die Form von Kreisscheiben. Die Filtermembran 40 kann aus Metall, Poly­ mer, Glasfaser oder einem anderen Material gebildet sein. Sie kann auch aus einem Draht spiralig, mit dicht aneinan­ derliegenden Windungen gewickelt sein. Auf der Oberfläche der Drahtwindungen kann, wie bereits beschrieben, ein dünner Membranauftrag aufgebracht sein.

Vorzugsweise ist die Flachmembran 40 konusförmig ausgebil­ det. Der dichte, obere innere Rand 42 ist nabenförmig am Um­ fang der Hohlwelle 41 befestigt.

Mit dem dichten äußeren Rand 43 ist eine vorzugsweise koni­ sche Stützfläche 44 verbunden. In diesem Randbereich ist die Membran 40 undurchlässig. Die Stützfläche 44 ist gleichfalls undurchlässig und bildet mit der Flachmembran 40 zusammen einen rhombusförmigen Hohlraum 45. Der Hohlraum 45 kann zum Zwecke der Abstützung der dünnen Membran 40 mit Stützmate­ rial 46, z.B. grob porösem Material, gefüllt sein. Der in­ nere Rand 47 der Stützfläche 44 ist nabenförmig ausgebildet und mit der Hohlwelle 41 fest verbunden.

Im Bereich des rhombusförmigen Hohlraumes 45 ist die Hohl­ welle 41 mit Durchlässen 48 versehen. Die von den Naben der Flachmembran 40 bzw. der Stützfläche 44 bedeckten Bereiche 49 sind nicht durchlässig.

Das beim Rotieren der Hohlwelle 41 infolge des Querstromef­ fekts die Membranen 40 durchdringende Permeat fließt durch das Stützmaterial 46 hindurch über die Stützfläche 44 zu Durchlässen 48 und von dort in den Hohlraum 50 der Hohlwelle 41 ab. Da die Hohlwelle 41 über den Stutzen 18 durch die Dichtung 51 abgedichtet in die Sammelkammer 20 geführt ist, gelangt das Permeat in diese Sammelkammer 20.

Das Feed 24 in dem Behälter 2 kann somit nicht unfiltriert in die Kammer 20 gelangen.

Im übrigen stimmt die Vorrichtung nach Fig. 4 mit den Vor­ richtungen nach Fig. 1 und 2 überein.

Claims (18)

1. Verfahren zur Mikro- und Ultrafiltration sowie zur Um­ kehrosmose, bei dem ein Feed mittels wenigstens einer Membran unter Anwendung einer Druckdifferenz zwischen der Membranaußen- und innenseite durch einen Querstrom ge­ trennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran ein Hohlkörper ist und vollständig vom Feed umschlossen wird und daß jede Membran im Feed rotierend bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Behälter stehende Feed einem Gasüberdruck ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feed im Deadend-Verfahren oder zur kontinuierlichen Aufkonzentrierung im Durchflußverfahren getrennt wird.

4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Behälter (2) für das Feed (24) und wenig­ stens eine Membran (7, 7′, 7′′, 40) in Form eines Hohlkör­ pers aufweist, die vom Feed überdeckt ist und daß die Membran rotierend angetrieben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) von einem Rohrkörper gebildet ist, dessen Längsachse die Rotationsachse ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Rohrkörper als Membran (7′) dicht anein­ ander anliegend oder im Abstand voneinander kranzförmig um eine Rotationsachse (11) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Membran (7, 7′) bildender Rohrkörper in Form ei­ ner Spirale um eine Rotationsachse angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membran bildende Rohrkörper in Form von schraubenförmigen dicht aneinan­ derliegenden Windungen ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membran bildende Hohlkörper eine Flachmembran (40) ist, die eine zentrische Rotationsachse besitzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membran bildende Rohrkörper mit seinem einen Ende an eine Sammelkammer (20) für das Permeat (29) an­ geschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachmembran (40) über eine die Rotationsachse bil­ dende Hohlwelle (41) an eine Sammelkammer (20) ange­ schlossen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (2) für das Feed (24) an seinem oberen Ende mit einem dichten Deckel (4) und an seinem unteren Ende mit einer dichten Sammelkammer (20) für das Permeat (29) abgeschlossen ist, daß der Behälter mit einem Feed-Zu­ lauf (22) und einem Gasanschluß (26) versehen ist und daß der die Membran bildende, rotierende Hohlkörper (7, 7′, 7′′, 40) dichtschließend mit der Sammelkammer für das Permeat verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7, 7′, 7′′,40) von einem Elektromotor (14), von einer von einer Strömung, gegebenenfalls vom Feed­ strom, durchflossenen Turbine oder über vom Feedstrom beaufschlagte Leitschaufeln an der Membran angetrieben wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Drehantriebes der Membran (7, 7′, 7′′, 40) änderbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) für das Feed (24) von einem Schwingmagnet beaufschlagbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sammelkammer (20) über ein Ventil (30) kontinu­ ierlich oder pulsförmig eine Unter- oder Überdruckquelle gegebenenfalls mit wechselnder Intensität anschließbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gewickelter gerader Rohrmembranen (7, 7′) eine Mikrostellvorrichtung (10) zur Veränderung der Po­ rengröße vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gewickelter Rohrmembranen (7, 7′) damit zusammenwirkende Bürsten mit geätzten Seiten als Reini­ gungsvorrichtung vorgesehen sind.