DE69400999T2

DE69400999T2 - Filter

Info

Publication number: DE69400999T2
Application number: DE69400999T
Authority: DE
Inventors: John Anthony Cook; Robert Mcloughlin
Original assignee: Scimat Ltd
Current assignee: Freudenberg Nonwovens Ltd
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1994-01-12
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: US5639365A; WO1994015703A1; EP0679110B1; JPH08507958A; DE69400999D1; EP0679110A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter, ein Verfahren zur Herstellung eines Filters und Trennsysteme, welche Filter enthalten.
Die US 28 64 506 beschreibt eine Vorrichtung zur Ultrafiltration, welche eine rohrförmige Membran und eine poröse Hülse umfaßt, welche die Membran über deren gesamte Längsabmessung hinweg umgibt. Ein zu filterendes Strömungsmittel kann unter Druck vom Zufuhrende zum Auslaßende durch die Membran hindurchgeleitet werden. Das Filtrat passiert die Membran und die Hülse. Material in dem Strömungsmittel, welches die Membran nicht passieren kann, bleibt in dem Strömungsmittel, derart, daß die Konzentration dieses Materials in dem die Membran am Auslaßende verlassenenden Strömungsmittel erhöht ist. Diese Filtrationstechnik wird machmal als Querfluß- Filtration bezeichnet.
Beispiele für Materialien, die angeblich zur Verwendung als rohrförmige Membran geeignet sind, sind Zellulose, Pergament, Gummis und Kunststoffe, die entsprechend der Art der durchzuführenden Filtrations gewählt werden. Beispiele für Materialien, die angeblich für poröse Hülse geeignet sind, sind Baumwolle, Nylon, Muselin, Kupfer, Edelstahl und Glas.
Ein Problem, welches bei Querfluß-Filtrationssystemen auftritt, besteht darin, Rückstände, die sich auf den Innenflächen des Membranfilters sammeln, zu beseitigen. Dieses Problem ist beträchtlich: Wenn das angesammelte Material nicht von der Filteroberfläche weggebracht werden kann, muß die gesamte Filtrationsvorrichtung ersetzt werden. Dies ist wegen der hiermit verbunden Kosten unerwünscht.
Das Problem ist in der in der US-47 65 906 beschriebenen Vorrichtung dadurch gelöst, daß eine Doppellage eines Filterträgermateriales verwendet wird, in welcher sich eine Schicht aus feinverteiltem Filtermaterial, beispielsweise Flocken, Zellulose, Kieselgur, möglicherweise mit einer zweiten Beschichtung, beispielsweise aus Metallhydroxid, befindet. Die Rückstände werden aus der Vorrichtung durch Waschen entfernt, welches die Rückstände zusammen mit dem fein verteilten Filtermaterial entfernt. Das Filtermaterial muß ersetzt werden, bevor die Vorrichtung wieder verwendet werden kann. Das Filter ist in der Lage, aus einem Zustand mit kreisrohrförmigem Querschnitt in einen solchen zu kollabieren, welcher annähernd einem flachen Polygon entspricht.
Es hat sich herausgestellt, daß das Problem der Reinigung eines Filters, wie es bei einem Querfluß-Filtrationssystem eingesetzt werden kann, durch Verwendung eines Filters gelöst werden kann, dessen Konfiguration die Neigung hat, sich in Richtung auf eine abgeflachte Konfiguration zu verändern, wenn der in ihm herrschende Strömungsmitteldruck abgebaut wird.
Demzufolge schafft die vorliegende Erfindung nach einem Aspekt ein Filter mit:
(a) einem Filterrohr aus einem porösen Polymermaterial, welches derart formverfestigt ist, daß es die Neigung hat, in transversaler Richtung in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren, wenn der Strömungsmitteldruck in ihm nachläßt, und
(b) einer porösen Stützhülse, die um das Filterrohr herum angeordnet ist, dieses gegen den inneren Strömungsmitteldruck abstützt und dabei einen niedrigeren Widerstand gegen den Strömungsmittelfluß als das Filterrohr bietet.
Nach einem anderen Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Filters, bei welchem
(a) ein poröses Filterrohr aus einem Polymermaterial hergestellt wird, welches derart formverfestigt wird, daß es die Neigung hat, in transversaler Richtung in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren, und
(b) eine poröse Stützhülse um das Filterrohr gelegt wird, welche das Filterrohr gegen den inneren Strömungsmitteldruck abstützt und dabei einen niedrigeren Widerstand gegen die Strömungsmittelströmung bietet als das Filterrohr.
Das erfindungsgemäße Filter hat den Vorteil, daß das Material, welches sich auf der Innenfläche des Filterrohres während des Filtrationsvorganges, beispielsweise während einer Querfluß-Filtration, sammelt, entfernt wird, wenn das Rohr in Richtung auf die vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration kollabiert. Der Kollaps findet statt, wenn der Druck in dem Filterrohr nachläßt abgebaut wird.
Vorzugsweise ist die Stützhülse derart formverfestigt, daß auch sie die Neigung hat, in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren. Dies hat den erheblichen Vorteil, daß der Kollaps des Filterrohres gefördert wird und demzufolge auch das Lösen des angesammelten Materials von der Innenfläche des Filterrohres, insbesondere, wenn das Filterrohr und die Stützhülse zueinander so orientiert sind, daß sie sich aufeinander ausrichten, wenn sie kollabieren.
Die vorherbestimmt Konfiguration des Filterrohres und ggf. der Stützhülse ist in dem Sinne abgeflacht, daß das Rohr bzw. die Hülse immer in diese Konfiguration zurückkehren, wenn der innere Strömungsmitteldruck abgebaut wird. Die abgeflachte Konfiguration beinhaltet im allgemeinen, daß das Rohr oder die Hülse entlang mindestens zweier Faltlinien gefaltet ist; das Rohr bzw. die Hülse hat dann die Neigung, sich entlang derselben Linien zu falten, wenn es bzw. sie kollabiert. Wenn insbesondere das Rohr bzw. die Hülse zwei Faltlinien aufweist, befinden sich diese diametral einander gegenüber, derart, daß das Rohr bzw. die Hülse im wesentlichen flach ist (je nach der Leichtigkeit, mit welcher das Material des Rohres bzw. der Hülse sich falten läßt), wenn es bzw. sie sich in der kollabierten Konfiguration befindet.
Die Stützhülse kann vorteilhafterweise aus einer Textilware hergestellt sein, die ihrerseits aus einer Faser gebildet ist. Beispielsweise kann die Textilware durch Stricken, Flechten oder Weben hergestellt sein. Gewobene Textilware kann mit mindestens einer Faltlinie hergestellt werden, aufgrund welcher die Hülse dazu gebracht werden kann, eine abgeflachte Konfiguration einzunehmen. Durch entsprechende Einrichtung der Webausrüstung läßt sich die Hülse mit einer Mehrzal von Faltlinien, je nach Bedarf, erzeugen, wodurch die Hülse in die abgeflachte Konfiguration gebracht werden kann. In ähnlicher Weise kann auch eine gestrickte Textilware mit den erfordlichen Faltlinien hergestellt werden.
Die Stützhülse kann getrennt von dem Filterrohr geformt werden. Das Filter kann dann durch Anbringen des Filterrohres innerhalb der Stützhülse hergestellt werden. Die Stützhülse kann aber auch direkt um dem Filterrohr herum hergestellt werden.
Vorzugsweise können in der Stützhülse Diskontinuitäten vorgesehen sein, welche dazu führen, daß der innere Querschnitt der Stützhülse entlang deren Längsabmessung variiert und demzufolge auch derjenige des Filterrohres, zumindest wenn dieses in Berührung mit der Innenfläche der Stützhülse unter dem Einfluß des Strömungsmitteldruckes steht. Dies läßt sich etwa dann erzielen, wenn die Stützhülse unter Auswahl eines geeigneten Webmusters durch Weben hergestellt ist. Beispielsweise können Kombinationen von Köper-, Leinwand- und Hopsack-Bindung mit einfachen oder mehrfachen Webmustern verwendet werden. Die Eigenschaften der Hülse können von einem Gebiet der Hülse zum anderen variiert werden, beispielsweise, indem die Webdichte, der Faserdurchmesser oder die Fasersteifigkeit variiert werden oder indem mehr Fasern in den Rand der Hülse eingebaut werden, beispielsweise, um so Variationen in der Steifigkeit der Hülse zu erzeugen. Diskontinuitäten können auch mittels äußerlich angelegter Komponenten, beispielsweise durch Clips hervorgerufen werden. Variationen im Querschnitt des Filterrohres können zu Turbulenzen in dem in dem Rohr strömenden Strömungsmittel führen, was die Anhäufung von Material an der Innenfläche des Rohres reduzieren kann.
Das Material der Hülse kann von einem Gebiet zum anderen variiert werden, beispielsweise, um so Variationen in der Steifigkeit der Hülse herbeizuführen. Beispielsweise können Abschnitte eines steifen Filamentes oder elastomeren Materials in bestimmte Gebiete der Hülse eingebaut werden.
Eine bevorzugte Stütze kann Stützhülsen für eine Mehrzahl von Filterrohren bilden. Beispielsweise kann eine Stütze, die aus parallelen, in Abstand befindlichen Stücken eines gewabenen Materials gebildet ist, dessen Lagen entlang voneinander beabstandeter Längsnahten zusammengenäht sind, wodurch getrennte Hülsen zwischen benachbarten Nähten gebildet werden, mehrere Filterrohre stützen, von denen jeweils eines in jeder Stützhülse angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird bevorzugt, daß die Ebene, auf welche hin sich das Filterrohr abzuflachen sucht, im wesentlichen parallel zur Blatt-(Bogen-)Ebene ist.
Ein bevorzugtes Material für die Stützhülse ist eine nicht gewobene Textilware, die beispielsweise durch Naßverlegen, Luftverlegen, Schmelzspinnen, Spinnvlies- oder Nadelfilzverfahren hergestellt ist, wie dies jeweils für das Material angemessen ist, aus welchem die Textilware hergestellt wird.
Die Hülse kann aus einer Faser eines metallischen Materials oder eines natürlichen oder künstlichen Polymermaterials oder aus Fasern unterschiedlicher Materialien hergestellt werden. Zu Beispielen geeigneter Materialien zählen Edelstahle, Polyamide, Polyester, Polyolefine wie beispielsweise Polypropylen und Polyäthylen mit hohem Molekulargewicht, Polyimide, natürliche Fasersubstanzen wie beispielsweise Baumwolle und Seide, anorganische Fasersubstanzen, wie sie beispielsweise aus Kohlenstoff, Glas und Bor hergestellt werden können, und natürliche anorganische Substanzen wie beispielsweise Asbest. Zu den besonders bevorzugten Fasern zählen diejenigen, die aus Polypropylen hergestellt sind.
Die Stützhülse wird unter Verwendung einer Technik, die entsprechend dem Material der Hülse gewählt wird, dazu gebracht, in ihre abgeflachte Konfiguration zu kollabieren. Wenn beispielsweise das Material plastisch durch Aufbringen einer Kraft deformiert werden kann, kann diese Technik dazu verwendet werden, das Material der Hülse zu knicken bzw. knittern. Ein anderes Verfahren, welches eingesetzt werden kann, beinhaltet die Beaufschlagung der Hülse mit Wärme, während die Hülse in ihrer abgeflachten Konfiguration gehalten wird, so daß die Hülse sich in ihrer abgeflachten Konfiguration formverfestigt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für bestimmte Polymermaterialien. Selbstverständlich kann auch eine Kombination von Techniken eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist die äußere Breite des Filterrohres in flachgelegtem Zustand kleiner als ungefähr 95% der Innenbreite der Stützhülse, wenn diese flachgelegt ist. Dies hat den Vorteil, daß das Filterrohr innerhalb der Stützhülse expandieren kann, wenn es von dem in ihm befindlichen Strömungsmittel unter Druck gesetzt wird. Was noch wichtiger ist: das Rohr sucht sich zusammenzuziehen, wenn der Strömungsmitteldruck abgebaut wird, was dazu führt, daß Materialansammlungen an der Innenfläche des Rohres gelöst werden. Dies erleichtert die Reinigung des Rohres von angesammeltem Material. Besonders bevorzugt wird, daß das Material des Filterrohres derart ist, daß sich das Filterrohr unter der Einwirkung des in ihm befindlichen Strömungsmitteldruckes streckt und daß die Neigung der Stützhülse, sich zu strecken, kleiner ist als diejenige des Filterrohres. Auf diese Weise kann das Filterrohr unter dem Einfluß der Drücke, die von dem in ihm befindlichen Strömungsmittel ausgeübt werden, ausreichend gestreckt werden, daß es die Innenfläche der Stützhülse berührt.
Vorzugsweise hat das Filterrohr eine Porosität von mindestens ungefähr 35%, insbesondere von mindestens ungefähr 50%, beispielsweise ungefähr 75%, bestimmt durch Vergleich einer errechneten Dichte der Membran, die nach dem Gewicht und den Abmessungen einer Probe erhalten wird, und der theoretischen Dichte der Komponenten dieser Probe.
Vorzugsweise ist das Polymermaterial des Filterrohres mikroporös, beispielsweise so, daß die Details der Struktur der Poren des Rohres nur durch mikroskopische Betrachtung erkannt werden können, bei welcher Strukturdetails unterhalb 500 nm aufgelöst werden können. Allgemein wird bevorzugt, daß es viele Wege zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Membran gibt. Vorzugsweise ist die mittlere Porengröße kleiner als ungefähr 10 µm, stärker bevorzugt kleiner als ungefähr 4 µm, insbesondere weniger als ungefähr 1 µm, beispielsweise ungefähr 0,3 µm. Die mittlere Porengröße kann auch erheblich kleiner als diese Werte sein, beispielsweise kleiner als 150 nm, wodurch das erfindungsgemäße Filter geeignet zur Verwendung bei Ultrafiltrationsvorgängen wird.
Vorzugsweise ist die Dicke der Wand des Filterohres kleiner als ungeführ 500 µm, stärker bevorzugt kleiner als ungefähr 300 µm, insbesondere kleiner als ungefähr 150 µm, beispielsweise kleiner als ungefähr 75 µm.
Das Filterrohr kann zweckmäßigerweise aus Polymermaterial durch ein oder mehrere Verfahren hergestellt werden, bei welchem eine porenbildende Substanz aus dem Material entfernt und das Material gestreckt wird. Beispielsweise kann das Rohr aus Polymermaterial, welches einen Füllstoff enthält, hergestellt werden. Für den Füllstoff kann ein Material gewählt werden, welches gegenüber den Substanzen, mit denen das Filter im Gebrauch in Berührung kommt, inert ist. Hierdurch kann der Füllstoff im Material des Filterrohres verbleiben.
Vorzugsweise wird das Rohr aus einer Mischung eines Polymermaterials und eines Füllstoffes hergestellt, indem die Mischung zu einem Film geformt wird und der Film gestreckt wird, um diesen porös zu machen. Der Film kann dann durch Falten und Abdichten des gefalteten Filmes zu einem rohrförmigen Gegenstand geformt werden. Der Film kann auch direkt als rohrförmiger Gegenstand, beispielsweise durch Extrusion, hergestellt werden. Die Mischung kann Additive enthalten, welche die Deformation des Filmes, welche diesen porös macht, erleichtern, so beispielsweise geeignete Weichmacher. Zu den besonders geeigneten Additiven zählen Weichmacher, die mit dem Polymer der Mischung im wesentlichen nicht mischbar sind, und zwar in Abwesenheit eines Füllstoffes.
Vorzugsweise liegt der Füllstoff in der Mischung in einer Menge von ungefähr 50 bis ungefähr 350 Gewichtsteilen, stärker bevorzugt zwischen ungefähr 100 und ungefähr 250 Gewichtsteilen, pro 100 Gewichtsteilen des Polymers vor. Weichmacher können in der Menge von ungefähr 1 bis 50 Gewichtsteilen, stärker bevorzugt zwischen ungefähr 20 und ungefähr 40 Gewichtsteilen, pro 100 Gewichtsteilen des Polymers vorliegen.
Die Mischung kann weitere Additive enthalten, beispielsweise Antioxidantien, DV-Stabilisatoren, Verarbeitungshilfen, Dispergierungshilfen usw.. Eine bevorzugte Dispergierungshilfe umfaßt ein Fettsäuresalz, insbesondere ein Stearat. Sie kann direkt der Polymerzusammensetzung zugegeben werden oder durch Reaktion des Füllstoffes mit Stearinsäure gebildet werden. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Dispergierungshilfe zum Füllstoff zwischen ungefähr 1 und ungefähr 10, bezogen auf das Gewicht.
Das Ausmaß, in welchem der aus der Mischung gebildete Film deformiert wird, kann von einer ganzen Anzahl von Faktoren abhängen. Hierzu zählen beispielsweise die Art des Polymeres, des Füllstoffes und eines etwa vorhandenen Weichmachers, sowie davon, ob der Weichmacher oder Füllstoff aus den Poren extrahiert werden soll, von der erforderlichen Porengröße usw.. Allgemein wird ein hoher Deformationsgrad bevorzugt, wodurch ein hohes Ausmaß an Porosität erzeugt wird. Beispielsweise kann der Film so gestreckt werden, daß sich die Dimension in der Streckrichtung um mindestens ungefähr 50%, vorzugsweise mindestens ungefähr 100%, noch stärker bevorzugt um mindestens ungefähr 250%, beispielsweise mindestens ungefähr 450% vergrößert. Durch dieses Verfahren kann die Dicke des Filmes um einen Faktor 5 oder darüber reduziert werden.
Das Polymermaterial des Filterrohres kann aus Polymeren von Verbindungen mit einer oder mehreren polymerisierbaren Doppelbindungen oder Kondensationspolymeren von kondensierbaren Verbindungen gewählt werden.
Geeignete Polymere von Verbindungen mit polymerisierbaren Doppelbildungen können aus Polymeren von ethylenisch ungesattigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen gewählt werden, beispielsweise Ethylen, Propylen, n-Dodezen und Vinylethern wie beispielsweise Methyl- oder Ethyl-Vinylether. Die Verbindungen können substituiert sein, beispielsweise halogeniert. Kopolymere dieser Verbindungen können ebenfalls geeignet sein. Zu den brauchbaren Kondensationspolymeren zählen Polyamide von Diaminen und Dikarboxyl-Säuren.
Beispiele für besonders bevorzugte Polymere für das Filterrohr sind:
Polyethylen
Polypropylen
Polybutylen
Poly(4-tert-butylstyrol)
Poly(Vinyl-Methylether)
Poly(Vinylidenfluorid)
Ethylen/Tretrafluorethylen-Kopolymer
Tretrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Kopolymer
Ethylen/Chlortrifluorethylen-Kopolymer
Poly(6-Aminokapronsäure)
Poly(11-Aminoundekansäure)
Poly(Ethylenterephthalat)
Poly(Butylenterephthalat)
Poly(Dekamethylen-Sebakamid)
Poly(Heptamethylen-Pimelamid)
Poly(Oktamethylen-Suberamid)
Poly(Nonamethylen-Azelamid)
Poly(Hexamethylen-Adipamid)
Zu Beispielen für Weichmacher, die in der Mischung eingesetzt werden können, aus welcher das Filterrohr hergestellt wird, zählen Ethylenkarbonat, Propylenkarbonat, Ethylenglykol, Dimethylether, Tetrahydrofuran, Tryglym, Tetraglym und bestimmte Polyethylenoxide und Polyethylenglykole. Es kann richtig sein, den Weichmacher aus der Mischung zu extrahieren, nachdem der aus der Mischung gebildete Gegenstand gestreckt worden ist. Dies läßt sich am besten mittels eines geeigneten Lösungsmittels durchführen.
Beispiele für geeignete Füllstoffe für das Material des Filterrohres sind:
* Salze, wie beispielsweise Metalloxide und -Hydroxide (beispielsweise von Kalzium, Magnesium, Barium, Aluminium, Titan, Eisen und Zinn); Karbonate (beispielsweise von Kalzium, Magnesium und Lithium); Chloride und Sulfate (beispielsweise von Natrium, Kalium, Kalzium und Lithium).
* Mineralien, beispielsweise Glimmer, Montmorillorit, Kaolinit, Zellopulgit, Asbest, Talk, Diatomen-Erde und Vermikulit, künstliche und natürliche Zeolite und Portland-Zement.
* Kieselerde, ausgefällte Metallsilikate wie beispielsweise Kalziumsilikat, Aluminiumpolysilikat, Aluminium- Kieselsäuregele, Glasteilchen einschließlich massiver und hohler Mikrokugeln, Flocken und Fasern.
Vorzugsweise umfaßt der Füllstoff Teilchen, die ungefähr kugelförmig sind. Geeignete Teilchen haben einen Durchmesser von weniger als ungefähr 10 µm, insbesondere weniger als ungefähr 5 µm, beispielsweise weniger als ungefähr 3µm. Es hat sich herausgestellt, daß mit diesen Materialien Membranen erzeugt werden können mit gleichförmigen Poren, die eine nur geringfügigen Spreizung der Durchmesser aufweisen, was aus dem mittleren Durchmesser der Füllstoffkugeln vorhergesagt werden kann. Außerdem können die physikalischen Eigenschaften der Membran verglichen mit den Eigenschaften von Materialien, die unter Verwendung nicht kugelförmiger Füllstoff-Teilchen hergestellt werden, verbessert werden.
Das erfindungsgemäße Filter kann eine Einrichtung zur mechanischen Deformation des Filters enthalten, wodurch Material, welches sich auf der Innenfläche des Filterrohres angesammelt hat, entfernt werden kann. Beispielsweise kann die Filteranordnung eine oder mehrere Walzen bzw. Rollen enthalten, die über das Filter von einem Ende zum anderen geführt werden können. Besonders bevorzugt wird, daß es Walzen bzw. Rollen gibt, welche auf gegenüberliegende Seiten des Filters einwirken. Das Filter kann außerdem eine Einrichtung enthalten, welche die Deformationseinrichtung entlang des Filters bewegt.
Nach einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Trennsystem, welches ein Filter der oben erwähnten Art enthält. Das Filter kann spiralig angeordnet sein. Vorzugsweise ist das Filter so eingerichtet und angeordnet, daß die Ebene, auf welche hin sich das Filterrohr abzuflachen sucht, erheblich davon abweicht, senkrecht auf der Achse der Spirale zu stehen, und im wesentlichen parallel zu dieser Achse ist. Beispielsweise kann der Winkel zwischen der Ebene und der Achse kleiner als ungefähr 45º, vorzugsweise kleiner als ungefähr 30º, insbesondere kleiner als ungefähr 10º sein.
Vorzugsweise enthält das das Filter enthaltende Trennsystem eine Einrichtung, welche das Filter in dessen Anordnung, beispielsweise in dessen Spiralanordnung, trägt. Diese kann beispielsweise eine Anordnung von Stiften umfassen, um welche das Filter gewickelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird bevorzugt, daß die Ebene, auf welche hin sich das Filterrohr abzuflachen sucht, erheblich davon abweicht, senkrecht auf der Achse der Spirale zu stehen. Die an jedem Stift, wo das Rohr deformiert ist, erzeugte Turbulenz kann die Anhäufung von Material an der Innenfläche des Filterrohres reduzieren.
Das erfindungsgemäße Trennsystem kann eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Filtern enthalten, die in Richtung des Flusses der zu filternden Flüssigkeit mittels geeigneter Anschlußstücke parallel geschaltet sind. Beispielsweise können drei Filter mittels zweier Anschlußstücke in Richtung des Flusses der Flüssigkeit zusammengefügt werden. Ein erstes Anschlußstück spaltet die Strömung aus einer Versorgungsleitung auf die drei Filter auf und ein zweites Anschlußstück vereinigt die Strömung aus diesen drei Filtern wieder in einer Sammelleitung.
Die Verbindungen zu dem erfindungsgemäßen Filter lassen sich zweckmäßig unter Verwendung herkömmlicher Fittinge, wie sie zur Herstellung von Verbindungen zu strömungsmittelführenden Rohren eingesetzt werden, herstellen. Dieses Merkmal bringt den Vorteil, daß die Verbindungen einfach, bequem und mit niedrigen Kosten hergestellt werden können. Der Vorteil rührt zum Teil aus der robusten Art des erfindungsgemäßen Filters, insbesondere der Filterrohrkomponente.
Die Querabmessungen des Filters werden entsprechend den Eigenschaften des jeweiligen Filtrationsvorganges gewählt. Kleinere Filter können zu einem größeren Wirkungsgrad führen, da kleinere Flüssigkeitsvolumina das Filter passieren. Es hat sich herausgestellt, daß eine zweckmäßige Größe für Stützhülse ein Außendurchmesser ist, der kleiner als ungefähr 50 mm, beispielsweise ungefähr 12 mm, möglicherweise jedoch kleiner als ungefähr 8 mm bei manchen Anwendungsgebieten ist. Der Durchmesser ist vorzugsweise größer als ungefähr 3 mm, beispielsweise größer als ungefähr 5 mm.
Das erfindungsgemäße Filter findet zwar seinen besonderen Einsatz in Querfluß-Filtrationssystemen; es wird jedoch durchaus in Betracht gezogen, daß es auch in Filtrationssystemen verwendet wird, in denen ein zu filterndes Strömungsmittel in das Filterrohr am einen Ende einströmt, wobei das Rohr am anderen Ende abgedichtet ist, derart, daß das Strömungsmittel das Filter nur durch die Filtrationsflächen des Filterrohres und danach durch die Stützhülse verläßt. Bei dieser Vorrichtung können die von dem Filterrohr zurückgehaltenen Rückstände leicht dadurch entfernt werden, daß das geschlossene Ende des Filters periodisch geöffnet und in ein getrenntes Gefäß ausgespült wird.
Nunmehr wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen beschrieben.
1. BILDUNG EINES ROHRES AUS PORÖSEM POLYMERMATERIAL
(a) Die folgenden Materialien wurden durch Schmelzmischen an einem Zwillingsschrauenextruder vermischt und pelletisiert; die Anteile sind bezogen auf das Gewicht angegeben:
Lineares Niedrigdichte-Polyethylen (Sclair 8405) 100
Lithiumkarbonat (Teilchengröße < 5 µm) 110
Lithiumstearat 1,1
Die sich ergebende Mischung wurde durch Extrusion zu einem flachen Bogen geformt. Der Bogen wurde in der Maschinenrichtung um 450% gestreckt. Ein Streifen des Bogens wurde gefaltet und eine Naht wurde zur Ausbildung eines Rohres ungefähr 20 mm von der Faltung entfernt gebildet. Das Rohr wurde unter Einwirkung von Wärme und Druck in abgeflachter Konfiguration formverfestigt. Das Rohr hatte eine mittlere Porengröße von ungefähr 0,25 µm, gemessen mit einem Coulter-Porometer, und eine
Wanddicke von ungefähr 30 µm.
(b) Die folgenden Materialien wurden durch Schmelzmischen in einem Zwillingsschraubenextruder vermischt und pelletisiert; die Verhältnisse sind bezogen auf das Gewicht angegeben:
Lineares Niedrigdichte-Polyethylen (Sclair 8405) 100
Kugeliges Glas (Potters-Ballotini Grade 5000) 140
Lithiumstearat 1,4
Die Mischung wurde durch Schmelzextrusion durch eine Querkopfziehform unter Verwendung eines 25 mm-Stiftes und eines Führungsgestelles zu einem Rohr geformt. Das extrudierte Rohr wurde durch Aufblasen mit Luft in die richtige Größe gebracht und in eine abgeflachte Konfiguration niedergezogen. Das abgeflachte Rohr wurde wieder auf 90ºC erwärmt und längs zwischen Quetschwalzen unterschiedlicher Drehzahl um 530% gestreckt.
Das Rohr hatte einen Durchmesser von ungefähr 12,5 mm, eine mittlere Porengröße von ungefähr 1,7 µm, mit einem Coulter-Porometer gemessen, und eine Wanddicke von ungefähr 60 µm.
(c) Die folgenden Materialien wurden durch Schmelzmischen in einem Zwillingsschraubenextruder gemischt und pelletisiert; die Vehältnisse sind bezogen auf das Gewicht angegeben:
Polypropylen (Appryl Grade 3030FNITM) 100
Kugeliges Glas (Potters-Ballotini Grade 0-3CP00) 150
Lithiumstearat 1,5
Die Mischung wurde durch eine Querkopfziehform unter Verwendung eines 25 mm-Stiftes und eines Führungsgestelles zu einem Rohr geformt. Das extrudierte Rohr wurde durch Aufblasen mit Luft in die erforderliche Größe gebracht und in eine abgeflachte Konfiguration niedergezogen. Das abgeflachte Rohr wurde dann auf 105ºC wiedererwärmt und längs zwischen Quetschwalzen unterschiedlicher Drehzähl um 530% gestreckt. Das Rohr hatte ein mittlere Porengröße von ungefähr 0,24 µm, mit einem Coulter-Porometer gemessen.
(d) Die folgenden Materialien wurden durch Schmelzmischen in einem Zwillingsschraubenextruder vermischt und pelletisiert; die Verhältnisse sind bezogen auf das Gewicht angegeben:
Lineares Niedrigdichte-Polyethylen (Sclair 8405) 100
Lithiumkarbonat (maximale Teilchengröße 6µm) 200
Lithiumstearat 2
Die Mischung wurde durch Schmelzextrusion durch eine Querkopfziehform unter Verwendung eines 25 mm-Stiftes und eines Führungsgestelles zu einem Rohr geformt. Das extrudierte Rohr wurde durch Aufblasen mit Luft auf Größe gebracht und in eine abgeflachte Konfiguration niedergezogen. Das abgeflachte Rohr wurde auf 90ºC wiedererwärmt und zwischen Quetschwalzen unterschiedlicher Drehzahl in Längsrichtung um 530% gestreckt.
Das Rohr hatte einen Durchmesser von ungefähr 12,5 mm, eine mittlere Porengröße von ungefähr 0,7 µm, gemessen mit einen Coulter-Porometer, und eine Wanddicke von ungefähr 70 µm.

2. HERSTELLUNG DER STÜTZHÜLSE

Zwei Bögen nicht gewobener Polypropylentextilware, geliefert von Freudenberg Typ FS 2123, wurden Fläche an Fläche gelegt und durch zwei parallele Schweißungen, die ungefähr 20 mm auseinanderlagen, unter Verwendung einer industriellen Beutelschweißvorrichtung miteinander verbunden. Überschüssige Textilware wurde entfernt, wodurch sich ein flaches Rohr ergab.

3. TOTENDE-FILTRATION

Ein Filter, welches aus dem Filterrohr von Beispiel 1a und der Stützhülse von Beispiel 2 gebildet wurde, wurde an einem Ende unter Verwendung eines Nylon-Rohranschlußfittings, wie es herkömmlich zur Herstellung von Verbindungen mit Haus- und Industrieschläuchen verwendet wird, mit der Hauswasserversorgung verbunden. Das Filter wurde am anderen Ende dadurch verschlossen, daß das Ende des Filters umgefaltet und die Faltung mittels eines Clips festgehalten wurde.
Wasser wurde dem Filter zugeführt und durchwanderte erkennbar die Wände des Filterrohres und die Stützhülse. Die nachfolgende Prüfung der Innenfläche des Filterrohres ergab eine Schicht zurückgehaltenen Materials mit gelblich/braunem Aussehen.

4. QUERFLUSS-FILTRATION EINER HEFELÖSUNG

4.1 Ein Filter wurde aus dem Filterrohr von Beispiel 1a und einem gewobenen Polyesterrohr hergestellt, welches von InHome Limited unter the Bezeichnung "Standard Green Tube" geliefert wird. Dieses wurde mit Leitungswasser beaufschlagt, wobei der schematisch in Figur 1 der anliegenden Zeichnung gezeigte Versuchsaufbau verwendet wurde. Der Versuchsaufbau enthält die Probe 1 des Filters, Meßgeräte 2, 3 für den Einlaß- und Auslaßdruck, eine Pumpe 4 für die im Kreislauf durch das Filter zu leitende Flüssigkeit, ein Reservoir 5 für die Flüssigkeit, einen Wärmetauscher 6, ein Drucksteuerventil 7, ein Strömungssteuerventil 8, ein Strömungsmeßgerät 9 und einen Probenahmepunkt 10, an dem das Filtrat gewonnen werden kann. Das Wasser wurde dem Filter unter einem Druck von 2 bar unter einer Querflußrate von 2 l/min 2 Stunden lang zugeführt. Der Membranfluß wurde nach 2 Stunden mit 88,7 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ errechnet.
Ein ähnliches Filter wurde mit einer 0,5 %igen Hefelösung, die durch Dispergieren einer kommerziell erhältlichen getrockneten Bäckerhefe in Leitungswasser erhalten wurde, bei einem Druck von 2 bar und einer Querflußrate von 2 l/min 2 Stunden beauftragt. Das Membranfiltrat wurde mit 18 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ nach 2 Stunden errechnet. Die Trübung des Filtrates wurde mittels seiner UV-Absorption bei 595 nm ermittelt. Sie stellte sich als um einen Faktor von über 1000 kleiner als diejenige der zugeführten Lösung heraus.
4.2 Eine Probe des Filterrohres von Beispiel 1b mit einer Länge von 160 mm wurde in das gewobene Polyesterrohr eingeführt, welches oben im Beispiel 3.2 erwähnt wurde. Das sich so ergebende Filter wurde an dem schematisch in Figur 1 der anliegenden Zeichnung dargestellten Versuchsaufbau installiert.
Das Filter wurde mit Leitungswasser unter einem Einlaßdruck von 2 bar und einer Querflußrate von 4 l/min beaufschlagt. Nach 30 Minuten wurde der membrandurchquernde Fluß mit 142 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ errechnet.
Das Filter wurde daraufhin mit einer 0,5 %igen Hefelösung beaufschlagt, die wie oben beschrieben hergestellt wurde. Nach 300 Minuten wurde der membrandurchquerende Fluß mit 14,4 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ errechnet. Die Trübung des Filtrates wurde durch dessen UV-Absorption bei 595 nm ermittelt. Sie stellte sich um einen Faktor von mehr als 500 kleiner als diejenige der zugeführten Lösung heraus.
4.3 Eine Probe des Filterrohres von Beispiel 1c mit einer Länge von 160 mm wurde in das gewobene Polyesterrohr eingeführt, welches oben im Beispiel 3.2 erwähnt wurde. Das sich so ergebende Filter wurde an dem schematisch in Figur 1 der anliegenden Zeichnung gezeigten Testaufbau eingebaut.
Das Filter wurde mit Leitungswasser unter einem Einlaßdruck von 2 bar und einer Querflußrate von 2 l/min beaufschlagt. Nach 30 Minuten wurde der membrandurchquerende Fluß mit 99 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ errrechnet.
Das Filter wurde dann mit einer 0,5 %igen Hefelösung beaufschlagt, die wie oben beschrieben hergestellt wurde. Nach 30 Minuten wurde der membrandurchquerende Fluß mit 18 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ errechnet. Die Trübung des Filtrates wurde durch dessen UV-Absorption bei 595 nm ermittelt. Sie stellte sich um 1000 mal kleiner als diejenige der zugeführten Lösung heraus.

5. KOLLAPS DES FILTERS

Ein Filter wurde aus dem Filterrohr von Beispiel 1d und einem gewobenen Polyesterrohr hergestellt, welches von InHome Limited unter der Bezeichnung "Standard Green Tube" geliefert wird. Das sich so ergebende Filter wurde in dem schematisch in Figur 1 der anliegenden Zeichnung dargestellten Testaufbau eingebaut.
Das Filter wurde mit verunreinigtem Industriewasser unter einem Einlaßdruck von 2 bar und einer Querflußrate von 2,2 l/min über 48 Stunden beaufschlagt. Die Wasserzufuhr dann abgestellt; das Filter konnte sich 5 Minuten lang leeren. Das Filter nahm in wesentlichen seine ursprüngliche abgeflachte Form wieder ein. Es wurde dann erneut mit der Wasserversorgung über einen Zeitraum von 55 Minuten verbunden. Dieser 60-Minuten- Zyklus wurde weitere 7 Mal wiederholt und der membrandurchquerende Fluß wurde periodisch gemessen. Es wurde bemerkt, daß am Beginn von jedem Zyklus das aus dem Auslaßende des Filters abgegebene Wasser verfärbt war, was andeutete, daß der Wiedergewinn der Form des Filters von einem Lösen angesammelten Materials von der Innenfläche des Rohres begleitet war.
Figur 2 zeigt, wie der membrandurchquerende Fluß mit der Zeit variiert, wobei ein Vergleich der Funktion unter Bedingungen mit konstantem Druck und unter Bedingungen, bei denen der Druck zyklisch variiert wird, gegeben wird.

6. ZUSÄTZLICHE TRENNSYSTEME

6.1 Das oben in Beispiel 4.3 erwähnte Filter wurde modifiziert, indem vier Federclips in Abständen von 2,7 cm angebracht wurden. Hierdurch wurde die Querabmessung des Filters von ungefähr 15 mm auf ungefähr 7 mm reduziert.
Es stellte sich heraus, daß der membrandurchquerende Fluß, der in einer Querfluß-Mode mit der 0,5 %igen Hefelösung getestet wurde, ungefähr um 50% höher nach 300 Minuten war, als er ohne die Clips, getestet mit derselben Querfluß-Rate und demselben Druck, gefunden wurde. Es gab keine nennenswerte Differenz in der Trübung des Filtrates, das bei den beiden Experimenten gewonnen wurde.
6.2 Ein Trennsystem wurde aus den drei Filtern, die oben im Beispiel 4.3 erwähnt wurden, hergestellt, die jeweils eine Länge von 1,0 m hatten. Die Filter wurden durch entsprechende Verteilerrohre so verbunden, daß ihnen die Flüssigkeit parallel zugeführt wurde.
Das System wurde mit verunreinigtem Industriewasser unter einem Einlaßdruck von 3 bar und einer kombinierten Querflußrate von 6 l/min beaufschlagt. Während des Test wurde die Querabmessung der Membran von ungefähr 15 mm auf ungefähr 9 mm an drei Punkten, die ungefähr 25 cm auseinanderlagen, durch Walzen bzw. Rollen reduziert, die mit einem Motorantrieb verbunden waren. Der Antrieb bewegte die Walzen bzw. Rollen rückwärts und vorwärts entlang der Rohre. Der membrandurchquerende Fluß wurde periodisch gemessen.
Die Änderungen in dem membrandurchquerenden Fluß sind in dem Graph von Figur 3, in welchem der Fluß gegen die Laufzeit aufgetragen ist, mit Vergleichswerten für Filter mit stationären Walzen bzw. Rollen und ganz ohne Walzen bzw. Rollen dargestellt.
6.3 Ein Trennsystem wurde aus einem Filter, wie es oben in Beispiel 4.3 angegeben ist, mit einer Länge von 13 m hergestellt. Es wurde auf einem Träger zu einer Spirale gewickelt. Dieser Träger wurde von eine Anordnung von Stiften gebildet, deren Durchmesser 6 mm und deren Höhe 25 mm betrug und die in ungefähr 15 mm Zentren auf unter 45º geneigten Linien angeordnet und auf einer dünnen Acrylplatte montiert waren. Der Innendurchmesser des gewickelten Filters war ungefähr 20 cm. Eine weitere dünne Acrylplatte wurde an dem gewickelten Filter so montiert, daß dieses festgehalten wurde. Die Querabmessung des unter Druck stehenden Filters wurde an jeden Stift von ungefähr 15 mm auf ungefähr 9 mm als Folge der Verformung des Filters durch die Stifte reduziert. Das resultierende System ist in den Figuren 4a und 4b dargestellt.
Dem System wurde eine 1 %ige Bäckerhefelösung mit einem Einlaßdruck von 3 bar und einer Querfluß-Rate von 2 l/min zugeführt. Der membrandurchquerende Fluß wurde periodisch gemessen. Es wurde beobachtet, daß dieser von einem Anfangswert von mindestens 152 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ auf einen Wert von 39 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ nach 400 Minuten abfiel. Nach 400 Minuten war die Trübung des Filtrates um einen Faktor von mindestens 1000 kleiner als diejenige der Hefelösung.
Nach 400 Minuten wurden die Querflußrate und der Druck eine Minute lang auf Null reduziert, so daß das Filterrohr seine ursprüngliche abgeflachte Form wieder einnehmen konnte. Der Retentatfluß wurde dann 60 Sekunden lang mit einer erhöhten Geschwindigkeit von 8 l/min und einem reduzierten Druck von weniger als 0,5 bar wieder aufgenommen. Es wurde bebachtet, daß die Trübung des Retentates während der 30 Sekunden dauernden Spülung dramatisch anwuchs, während welcher sich die an der Innenfläche des Filterrohres angesammelte Hefe löste.
Die Filtration wurde nach dem Spülvorgang unter den ursprünglichen Versuchsbedingungen wieder aufgenommen. Der ursprüngliche membrandurchquerende Fluß bei der Wiederaufnahme der Filtration wurde mit 61 l&supmin;¹m²h&supmin;¹ errechnet, während die Trübung des Filtrates um einen Faktor von mindestens 1000 kleiner als diejenige der Hefelösung blieb.

Claims

1. Filter mit:

(a) einem Filterrohr aus einem porösen Polymermaterial, welches derart formverfestigt ist, daß es die Neigung hat, in transversaler Richtung in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren, wenn der Strömungsmitteldruck in ihm nachläßt, und

(b) einer porösen Stützhülse, die um das Filterrohr herum angeordnet ist, dieses gegen den inneren Strömungsmitteldruck abstützt und dabei einen niedrigeren Widerstand gegen den Strömungsmittelfluß als das Filterrohr bietet.

2. Filter nach Anspruch 1, bei welchem die Stützhülse derart formverfestigt ist, daß sie die Neigung hat, in eine vorherbestimmte abgeflache Konfiguration zu kollabieren.

3. Filter nach Anspruch 2, bei welchem das Filterrohr und die Stützhülse relativ zueinander derart orientiert sind, daß sie sich aufeinander ausrichten, wenn sie kollabieren.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Stützhülse eine aus einer Faser hergestellte Textilware umfaßt.

5. Filter nach Anspruch 4, bei welchem die Faser ein metallisches Material umfaßt.

6. Filter nach Anspruch 4, bei welchem die Faser ein Polymermaterial umfaßt.

7. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welchem die Stützhülse derart formverfestigt ist, daß sie die Neigung hat, in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren, und zwar als Folge der Einwirkung einer Kraft, durch welche das Material der Hülse derart deformiert wird, daß sie geknittert bzw. gefaltet wird.

8. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem die Stützhülse unter Wärmeeinwirkung derart formverfestigt ist, daß sie die Neigung hat, in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren.

9. Filter nach einem der Anpsrüche 1 bis 8, bei welchem die äußere Breite des Filterrohres in flachgelegtem Zustand kleiner als ungefähr 95% der inneren Breite der Stützhülse in flachgelegtem Zustand ist und bei welchem die Neigung der Stützhülse, sich seitlich unter innerem Strömungsmitteldruck zu dehnen, kleiner ist als diejenige des Filterrohres, derart, daß das Filterrohr durch das in ihm befindliche, unter Druck stehende Strömungsmittel so gedehnt werden kann, daß es die Innenfläche der Stützhülse berührt.

10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Filterrohr eine Porosität von mindestens ungefähr 30% aufweist.

11. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Dicke der Wand des Filterrohres kleiner als ungefähr 150 µm ist.

12. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welches spiralig gewickelt ist.

13. Trennsystem, welches ein Filter nach Anspruch 12 umfaßt, bei welchem das Filter derart angeordnet ist, daß die Ebene, auf welche sich das Filterrohr hin abzuflachen sucht, im wesentlichen parallel zur Achse der Spirale ist.

14. Trennsystem nach Anspruch 13, welches eine Einrichtung enthält, die das Filter in seiner Spiralanordnung hält.

15. Trennsystem nach Anspruch 14, bei welchem die Halteeinrichtung eine Anordnung von Stiften umfaßt, um welche das Filter gewickelt ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Filters, bei welchem

(a) ein poröses Filterrohr aus einem polymeren Material hergestellt wird, welches derart formverfestigt wird, daß es die Neigung hat, in transversaler Richtung in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren, und

(b) eine poröse Stützhülse um das Filterrohr gelegt wird, welche das Filterrohr gegen den inneren Strömungsmitteldruck abstützt und dabei einen niedrigeren Widerstand gegen die Strömungsmittelströmung bietet als das Filterrohr.

17. Verfahren nach Anspruch 16, welches den Schritt enthält, daß ein Rohr aus polymerem Material gestreckt wird, um das Material porös zu machen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das Rohr gestreckt wird, während es abgeflacht ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welches den Schritt enthält, daß die Stützhülse derart formverfestigt wird, daß sie dazu neigt, in eine vorherbestimmte abgeflachte Konfiguration zu kollabieren.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem der Schritt der Formverfestigung die Anwendung einer Kraft auf die Stützhülse umfaßt, mit welcher das Material der Hülse so deformiert wird, daß diese geknittert, bzw. gefaltet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei welchem der Schritt der Formverfestigung die Anwendung von Wärme auf die Stützhülse umfaßt.