DE69311869T2 - Membranmodul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membranmoduls für Fluidreiniger, wobei Membranmateriallagen in Schichten mit hierzwischen plazierten Abstandselementen angeordnet werden, um so jeweilige einander abwechselnde Zwischenräume oder Hohlräume zu erhalten, in denen verunreinigete und gereinigte Flüssigkeit aufgenommen wird. Die Erfindung betrifft auch ein gemäß dem Verfahren hergestelltes Membranmodul.
• Gemäß einem bekannten Verfahren wird das Modul aus zwischen steifen Tragrahmen gespannte, flache Membranlagen aufgebaut. Obwohl dieses bekannte Verfahren in großem Umfang mechanisiert werden kann, haben die sich daraus ergebenden Module vor allem aufgrund der Dicke und Dichtungseffizienz der steifen Rahmen eine niedrige Volumeneffizienz (aktive Membranflächenbereiche/Modulvolumen).
• Die DE-A-25 37 389 offenbart ein solches Verfahren, das eine Filtermembrane aufweist, die in einer sich schlängelnden Form hin- und hergefaltet wurde und einen einzigen gemeinsamen Auslaß für die in jeder Falte der Membrane definierten Zwischenräume aufweist. Da aber auch in diesem Fall die Filtermembran zwischen steifen Tragrahmen gespannt ist, ist die sich ergebende Volumeneffizienz niedrig.
• Gemäß einem anderen bekannten Verfahren wird das Membranmodul durch schraubenförmiges Wickeln mehrerer Membranhüllen um ein Permeationsrohrstück hergestellt. Obwohl dieses Verfahren Module schafft, die eine hohe Volumeneffizienz haben, kann es nur in geringem Umfang mechanisiert werden, da die Tätigkeit des schraubenförmigen Wickelns und Verklebens der Membranhüllen mit größter Sorgfalt ausgeführt werden muß, um auf den Innenflächen der Hüllen Falten und Furchen zu vermeiden. Derartige Falten und Furchen bewirken, daß das Membranmaterial reißt und machen es somit nutzlos.
• Ein bei diesen und anderen bekannten Membranmodulen auftretendes Problem besteht in der Schwierigkeit, eine große Anzahl von zur Aufnahme von gereinigtem Fluid bestimmter Zwischenräume in fluiddichter Verbindung mit einer all diesen Zwischenräumen gemeinsamen Fluidreiniger-Auslaßleitung leicht zu plazieren.
• Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Membranmodul zu schaffen und eine verbesserte Verfahrensweise der eingangs definierten Art zu schaffen, welche beträchtlich mechanisiert werden können, welche Membranmodule mit hoher Volumeneffizienz schaffen werden und womit die für das gereinigte Fluid bestimmten Zwischenräume mit einer Auslaßleitung leicht verbunden werden können.
• Diese Aufgabe wird durch eine Verfahrensweise und ein Membranmodul der zuvor erwähnten Art gelöst, welche die in den nachfolgenden unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 aufgeführten Merkmale aufweisen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden aneinandergrenzende Membranmateriallagen paarweise miteinander verbunden, um eine Membraneinheit zu erhalten, die geschlossene Hohlräume beinhaltet, woraufhin die Membraneinheiten in einem Stapel angeordnet werden. Die einander gegenüberliegenden Außenseiten der Membraneinheiten werden dann an beabstandeten Zonen oder Bereichen miteinander verbunden und entlang zumindest einer sich durch den Stapel erstreckenden Linie fluiddicht verbunden. Die Meabraneinheiten werden dann entlang der Linie dergestalt perforiert, daß eine durch die Membraneinheiten durchgehender Durchgangskanal, der mit den Hohlräumen in Verbindung steht, erhalten wird.
• Es kann ein hoher Mechanisierungsgrad erzielt werden, wenn die Membraneinheiten kontinuierlich aus einer Membranmaterialbahn geformt werden und der Stapel durch Mehrfachfaltung von Membraneinheiten geschaffen wird, da nur ein oder ein Paar Membranmaterialbahnabschnitte bearbeitet und gehandhabt werden müssen, beispielsweise punktgeschweißt oder entlang Längs- und Quersäumen geschweißt und während des Herstellungsprozesses gefaltet werden müssen.
• Wenn die Breite der Membraneinheiten verändert wird, um einen Stapel mit kreisförmigem Querschnitt zu erhalten, kann das Modul der Gestalt von standardisierten Druckbehältern für Membranmodule angepaßt werden.
• Weitere Merkmale der Erfindung und hierdurch geleistete Vorteile werden aus den Ansprüchen und der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten, veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme zu den beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen Fig. 1 ein Endstück eines ausgebreiteten Membranmoduls gemäß der Erfindung darstellt, wobei Teile des Moduls abgetrennt und andere Teile aufgefaltet sind, Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teils eines fertigen Membranmoduls ist, und Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht in größerem Maßstab eines in einem Druckbehälter eingesetzten Membranmoduls ist, wobei Teile des Moduls zu Darstellungszwecken entfernt sind.
• Das ausgebreitete Membranmodul der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist aus einer Membranmaterialbahn 12 hergestellt, das eine dünne Membranschicht 14 beinhaltet, beispielsweise ein Osmosematerial, die mit einer Trägerlage 16, beispielsweise ein Lage aus Nonwowenmaterial, zur Bildung eines Laminats verbunden ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Membranmaterialbahn 12 entlang einer Linie 24 in Längsrichtung der Bahn gefaltet, um so ein Doppelschicht-Membrangewebe zu erhalten. Selbstverständlich kann die Doppelschicht-Membranbahn auch durch Aufeinanderlegen zweier Membranmaterialbahnen gebildet werden.
• Zwischen den zwei Schichten der Membranbahn ist eine flüssigkeitspermeable Zwischenlage 18 plaziert, die ebenso in Bahnform vorliegt und eine netz- oder gitterartige Struktur aufweist. Die Doppelschicht-Membranbahn und die hierzwischen eingelegte Zwischenlage 18 werden dann miteinander verbunden und durch Verschweißen, Verschmelzen, Schmelzkleben, Kleben oder Zusammenfügen mittels eines Bandes der Schichten und der Lage entlang von Verbindungslinien 20 und 22 dergestalt abgedichtet, daß eine Anzahl bahnartiger, kontinuierlicher Membraneinheiten 10 erhalten wird, wovon jede einen geschlossenen Hohlraum 28 (Fig. 3) aufweist. Die Hohlräume 28 werden somit von den Außenflächen des Membranmaterials 12 abgegrenzt und bilden Zwischenräume für das gereinigte Fluid, oder das Fluid, welches durch das Membranmaterial 12 hindurchdringen kann, wenn ein unter Druck stehendes Fluid auf die Außenflächen des Materials wirkt.
• Das durchgehende Band aus in der zuvor beschriebenen Weise hergestellten Membraneinheiten 10 wird dann in Stapeln angeordnet, indem das Band aus Membraneinheiten 10 entlang von sich zwischen benachbarten querliegenden Verbindungslinien 22 erstreckenden Faltlinien 26 aufeinander gefaltet wird. Durch Positionierung der Faltlinien 26 zwischen den zueinander benachbarten Verbindungslinien 22, 22 und beabstandet zu den Linien, besteht keine Gefahr, daß es zu einem Einriß kommt, der in der dünnen Membranschicht 14 als Folge des Faltvorgangs auftreten könnte, und somit setzt sich die Schicht zu den jetzigen Membraneinheiten 10 fort. Obwohl es nicht dargestellt ist, ist es möglich, daß die Faltlinien direkt mit einer Verbindungs- oder Verschweißungslinie zusammenfallend plaziert werden können.
• In dem so geformten Stapel (Fig. 2 und 3) werden zusätzliche flüssigkeitspermeable Zwischenlagen 34 zwischen den zueinander zeigenden Außenflächen der Membraneinheiten 10 plaziert. Ähnlich zu den zuvor beschriebenen Zwischenlagen 18 besteht die Funktion der weiteren Zwischenlagen 34 darin, die benachbarten oder angrenzenden Seiten des Membranmaterials 12 im fertigen Membranmodul voneinander beabstandet zu halten, um 50 zu erlauben, daß hierzwischen ein Fluid fließt.
• Wenn die Membraneinheiten 10 gefaltet werden, werden die aneinandergrenzenden Außenflächen der Einheiten an Bereichen 30 in fluiddicht und bereichsweise miteinander verbunden, wobei die Bereiche 30 auf einer Linie 36 liegen, die sich durch oder quer zum fertigen Stapel erstreckt. Wenn das Material entlang den Linien 20 und 22 verbunden wird, kann das Verbinden der benachbarten Außenflächen durch Verschweißen, miteinander Verschmelzen, Schmelzkleben, Kleben oder Zusammenfügen mittels eines Bandes bewirkt werden. Wie es aus der Fig. 3 offensichtlich ist, erstreckt sich jede(r) Verbindungsbereich oder -zone 30 durch die Dicke der verbundenen Zwischenlagen 34. Wie es im umrahmten Umriß A in Fig. 3 gezeigt ist, können alternativ zuvor die Zwischenlagen 34 mit kreisförmigen Öffnungen um die Linie 36 herum versehen werden, in die O-Ringe 56 oder optionalerweise flache Dichtungen (nicht gezeigt) plaziert werden. Diese Dichtungseinrichtungen wiederum werden zwischen den Außenseiten der Membraneinheiten 10 in Erwiderung auf eine von außen auf den Stapel aufgebrachte Druckkraft eingeklemmt und schaffen somit eine fluiddichte Verbindung zwischen den Einheiten.
• Nach dem miteinander Verbinden der Außenseiten der so aufeinandergestapelten Membraneinheiten 10 in den Bereichen oder Zonen 30 wird ein hindurchgehender Durchgangskanal 32 durch die Membraneinheiten hindurch entlang der sich durch die Mittelpunkte der Verbindungen 30 erstreckenden Linie 36 ausgebildet. Der Durchgangskanal kann in irgendeiner geeigneten Weise geschaffen werden, beispielsweise durch Ausstanzen oder Bohren, wobei vorzusehen ist, daß die durch eine derartige Perforation gebildeten Verbindungen 38 an die geschlossenen Hohlräume 28 nicht blockiert werden. Dies kann erreicht werden, indem der Durchgangskanal 32 dergestalt alternativ vorgefertigt wird, daß vor dem Falten des Materials zum fertigen Stapel Öffnungen 32' (Fig. 1) im Membranmaterial 12 separat geschaffen werden.
• Die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte beim Herstellen eines Membranmoduls sind sehr gut für einen vollständig mechanisierten Herstellungsprozeß geeignet, der grob gemäß dem nachfolgenden, nicht beschränkenden Beispiel ausgeführt werden kann: Die Bahnen aus Membranmaterial und Zwischenlagenmaterial (Permeationszwischenlagen) 12, 18, 12, die aus jeweiligen Materialrollen abgezogen und miteinander kombiniert wurden, werden zuerst mit den sich längserstreckenden und quer erstreckenden Verbindungen 20 und 22 versehen, beispielsweise in einer Schweißstation. Es werden dann Klebezonen auf die geplanten Bereiche 30 auf den Außenflächen der Membraneinheiten aufgebracht. Fertig geschnittene und fakultativ perforierte (um die Flecken 30) Teile des Zwischenlagenmaterials (Zuführungszwischenlage) 34 werden dann zwischen aneinandergrenzenden Membraneinheiten 10, 10 positioniert, wonach diese Einheiten dann gegeneinander gefaltet und zusammengedrückt werden, um so die Verbindungen 30 zu härten. Schlußendlich wird der fertige Membranstapel entlang der Linie 36 gebohrt, um so den Durchgangskanal 32 zu bilden.
• Ein offenes Ende oder möglicherweise beide Enden des Durchgangskanals 32 wird/werden mit einem Verbindungsrohrstück 40 (Fig. 3) verbunden, das zu einer nach außen führenden Permeationsfluidleitung (nicht gezeigt) führt, wobei die Leitung in einer geeigneten fluiddichten Weise mit der zugehörigen Außenseite einer äußeren Membraneinheit 10 verbunden wird. Im Falle des Ausführungsbeispiels aus der Fig. 3 ist das Verbindungsrohrstück 40 mit einem Flansch 42 versehen, der an einem Umfangsareal der Außenfläche um das Mundstück des Durchgangskanals 32 herum angeklebt ist. Beim dargestellten Fall, bei dem nur eine Permeationsfluidleitung mit dem Membranmodul verbunden wird, wird die andere Öffnung des Durchgangskanals 32 in einer geeigneten Weise mittels einer fluiddichten Platte oder einem Tuch 44 oder dergleichen abgedichtet, wie es in punktgestrichelten Linien in Fig. 3 angedeutet ist.
• Das fertige Membranmodul ist dazu bestimmt, innerhalb eines Druckbehälters 50 eines Flüssigkeitsreinigers (nicht gezeigt) plaziert zu werden, beispielsweise ein Wasserreiniger des RO-Typs (Umkehrosmose). In diesem Fall sind die Faltlinien 36 konventionell plaziert, so daß das fertige Membranmodul einen kreisförmigen Querschnitt erhalten wird, der mit der Form des Druckbehälters 50 übereinstimmt. Ausgleichsstücke 52, 54 mit Kreissegmentquerschnitten können an den Enden des Stapelquerschnitts fakultativ angebracht werden, wobei die zum Membranmodul hinzeigenden Flachseiten der Ausgleichsstücke dazu dienen, das Modul an Ort und Stelle mit möglicher Druckkraft im Druckbehälter 50 zu halten.
• Das beschriebene erfindungsgemäße Membranmodul ist dazu bestimmt, in der folgenden Weise zu arbeiten, wenn es im Druckbehälter 50 eingebaut ist:
• Ein zu säubernder oder zu reinigender, unter Druck stehender Fluidstrom wird durch eine nicht gezeigte Einlaßleitung axial in den langgestreckten Druckbehälter 50 eingebracht. Das unter Druck stehende Fluid gelangt in das Modul und dringt durch die Außenseiten der Membraneinheit 10 durch die fluidpermeablen Zwischenlagen 34 hindurch ein. Wie es durch die ausgefüllten Pfeile in Fig. 3 dargestellt ist, wirkt das unter Druck stehende Fluid auf allen ausgesetzten Außenflächen des Membranmaterials 12, wobei die Membranlage 14 (Fig. 1) eine Permeation von Fluid zulässt oder es erlaubt, daß als Folge beispielsweise einer Umkehrosmose oder anderen Filtereffekten, abhängig von der Struktur der Membranschicht, gereinigtes Fluid durch die Hohlräume 28 der Membraneinheit 10 hindurchläuft. Wie es durch die nicht ausgefüllten Pfeile in Fig. 2 dargestellt ist, kann das gereinigte Fluid nur durch die Verbindungen 38 hindurch durch den Durchgangskanal 32 ausströmen und tritt durch das Flüssigkeitsleitung 40 als Prozeßfluß aus dem Druckbehälter aus. Derjenige Anteil des axialen Flusses durch den Druckbehälterquerschnitt, der nicht durch die Membranschicht hindurchdringen kann, verläßt als Rückstandsfluß den Druckbehälter 50 durch eine Auslaßleitung in bekannter Weise, die nicht gezeigt ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Fluidreiniger-Membranmoduls, das ein Membranmaterial besitzt, welches in Schichten mit sich abwechselnden ersten und zweiten flexiblen, bahnartigen Zwischenlagen angeordnet ist, die hierzwischen plaziert sind und einander abwechselnde Zwischenräume im Reiniger zur Aufnahme jeweils ungereinigter und gereinigter Mengen an zu reinigendem Fluid im Reiniger formen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Anordnen eines Paars flexibler Bahnabschnitte (12) aus dem Membranmaterial gegenüberliegend der ersten bahnartigen, zwischen den Bahnabschnitten plazierten Zwischenlage (18);

miteinander Verbinden der Endabschnitte des Paars flexibler Bahnabschnitte (12) an ihren Umfängen, um ein durchgehendes Band aus Membraneinheiten (10) herzustellen, von denen jede einen in der ersten Zwischenlage eingeschlossenen Hohlraum (28) aufweist,

Anordnen der Membraneinheiten (10) in einem Stapel durch Mehrfachfalten des durchgehenden Bandes aus Membraneinheiten (10) und Plazieren der zweiten bahnartigen Zwischenlage (34) zwischen jeder Falte des mehrfach gefalteten Gebildes, wodurch die Zwischenlage (34) zwischen der Außenseite der Membraneinheiten (10) geschichtet wird,

die aneinander angrenzenden Außenseiten der Membraneinheit werden an Bereichen (30) in einer fluiddichten Weise miteinander verbunden, wobei die Bereiche (30) auf einer Linie (36) liegen, die sich durch die Membraneinheiten im Stapel erstreckt, und

Einformen einer Bohrung (32) durch die Membraneinheiten (10) durch die Bereiche (30) entlang der Linie (36), um einen durch die Membraneinheiten (10) hindurchgehenden Durchgangskanal (32) zu erhalten, der die geschlossenen Hohlräume (28) seriell miteinander verbindet, wodurch der Durchgangskanal (32) fluiddicht vom Raum außerhalb des Hohlraums (28) abgedichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Verändern der Breite der Membraneinheiten (10) dergestalt, daß ein Stapel mit kreisförmigem Querschnitt erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bohrung (32) durch die Membraneinheiten (10) durch Einbringen einer Bohrung durch jede Membraneinheit hindurch gebildet wird, bevor die Membraneinheiten (10) im Stapel angeordnet werden.

4. Fluidreiniger-Membranmodul umfassend ein Paar flexibler Bahnabschnitte (12) aus zueinander angeordnetem Membranmaterial mit einer Schicht aus einer ersten bahnartigen, hierzwischen eingelegten Zwischenlage (18), wobei die Bahnabschnitte (12) umfangsmäßig verbunden sind, wodurch mehrere Membraneinheiten (10) geschaffen werden, die in einer ersten Linie angeordnet sind, wobei jede einen jeweiligen geschlossenen Hohlraum (28) der ersten Zwischenlage (18) zwischen dem Paar Bahnabschnitte (12) aufweist, wobei die Linie aus Membraneinheiten (10) an jeweiligen Falten aufeinander hin- und hergefaltet, um so einen Stapel aus den Membraneinheiten (10) zu schaffen; eine zweite bahnartige Zwischenlage (34), die zwischen jeder Falte im Stapel positioniert ist, wodurch die Zwischenlagen zwischen den Außenseiten der Membraneinheit (10) geschichtet werden, wobei die miteinander verbundenen Außenseiten der Menbraneinheiten an Bereichen (30) in einer fluiddichten Weise miteinander verbunden sind, wobei die Bereiche auf einer Linie (36) liegen, die sich durch die Membraneinheiten im Stapel erstreckt, eine Bohrung, die einen Durchgangskanal (32) bildet, der sich durch die Bereiche (30) der Membraneinheit (10) entlang der zweiten Linie erstreckt und die geschlossenen Hohlräume (28) seriell verbindet, wodurch die ersten und zweiten Zwischenlagen (18, 34) einander abwechselnde Abstandshalter im Stapel für jeweilige Aufnahme ungereinigter und gereinigter Mengen eines zu reinigenden Fluids in einem das Membranmodul verwendenden Reiniger bilden.

5. Fluidreiniger-Membranmodul nach Anspruch 9, bei dem die Linie aus Membraneinheiten (10) in zick-zack-artiger Weise hin- und hergefaltet ist, und Außenseiten von einander zugewandten Stückchen der flexiblen Bahnabschnitte aus dem Membranmaterial miteinander verbunden werden, wodurch der Stapel vereint wird.