DE69503321T2

DE69503321T2 - Filterreinigung

Info

Publication number: DE69503321T2
Application number: DE69503321T
Authority: DE
Inventors: Mark David Neville
Original assignee: AEA Technology PLC
Current assignee: Accentus Medical PLC
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2015-05-18
Also published as: AU2025595A; GB9411580D0; KR100341951B1; US5545311A; EP0686420B1; KR960000281A; CA2150311A1; NZ272233A; JPH07328335A; DE69503321D1; EP0686420A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrochemischen Reinigung von elektrisch leitenden Filtern.
Die Filtration ist ein weithin eingesetztes industrielles Verfahren und die Verschmutzung bzw. Verstopfung von Filtern kann ein erhebliches Problem darstellen, insbesondere bei der Mikrofiltration und der Ultrafiltration. Eine solche Verstopfung neigt dazu, Filtratdurchflußraten zu reduzieren und der Bedarf nach einer Reinigungsbehandlung erhöht die Komplexität einer Filtrationseinrichtung, bedingt die Stillegung einer Anlage und kann die Lebensdauer einer Filtermembran herabsetzen. Herkömmlich war bei einer solchen Reinigungsbehandlung eine chemische Auflösung der Verschmutzungs- bzw. Verstopfungsstoffe bzw. eine Wiederauswaschung beteiligt.
Ein elektrochemisches Reinigungsverfahren, das dort anwendbar ist, wo das Filtermedium elektrisch leitend ist, wird in GB 2 160 545 B beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine elektrochemische Zelle eingerichtet, die den Filter als eine erste Elektrode umfaßt, eine Gegenelektrode und mit der Prozeßflüssigkeit als Elektrolyt. In Intervallen während des Filtrationsverfahrens wird zwischen der ersten Elektrode und der Gegenelektrode kurzzeitig eine Potentialdifferenz angelegt, um so am Filter ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, das in der Form von Mikrobläschen vorliegen kann und das die Verschmutzungsschicht aufbricht und dadurch den Filter reinigt. Von diesem Verfahren wird beschrieben, daß es beispielsweise dort anwendbar ist, wo die Filter metallische, mikroporöse Membranen darstellen, wie beispielsweise diejenigen aus einem Edelstahlsieb oder gesintertem Edelstahl, bei miktoporösen Graphitmembranen oder Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationsmembranen aus leitenden Keramiken, wie solchen, die mit Titandioxid oder Zirkondioxid dotiert sind. Die Verwendung eines solchen Reinigungsverfahrens wird auch in EP 0 380 266 A beschrieben, in welchem das Filtermedium eine poröse, elektrisch leitende, dünne Schicht umfaßt, beispielsweise ein gewobenes Edelstahlsieb, gemeinsam, zusammen mit einer mikroporösen Filterschicht aus einem organischen oder anorganischen Material, das elektrisch nichtleitend sein kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Reinigung eines porösen, elektrisch leitenden Filters während des Einsatzes des Filters bei der Filtration einer wäßrigen Prozeßflüssigkeit geschaffen, welches Verfahren umfaßt, das Anordnen einer Gegenelektrode in Berühung mit der Prozeßflüssigkeit, so daß der Filter, die Prozeßflüssigkeit und die Gegenelektrode gemeinsam eine elektrochemische Zelle bilden, sowie das periodische Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen dem Filter und der Gegenelelarode, um so durch Elektrolyse ein gasfönniges Produkt am Filter zu erzeugen und so den Filter zu reinigen, wobei eine Potentialdifferenz von einer Polarität, entgegengesetzt zu der periodisch angelegten Potentialdifferenz, gelegentlich zwischen dem Filter und der Gegenelektrode angelegt wird, wobei das Anlegen der Potentialdifferenz kurz aber weniger häufig als das Anlegen der periodisch angelegten Potentialdifferenz erfolgt.
Die periodisch angelegte Potentialdifferenz ist typischerweise so beschaffen, daß der Filter die Kathode darstellt, weil dies die Korrosion des Filters minimiert. Während diese Potentialdifferenz angelegt wird, wird am Filter durch Elektrolyse von Wasser Wasserstoff erzeugt und wird die Prozeßflüssigkeit in der unmittelbaren Umgebung des Filters basisch gemacht. Die Stromdichte beträgt typischerweise zwischen 50 und 300 mA/cm², beispielsweise 200 mA/cm² (= 200 A m&supmin;²) und wird für einige Sekunden, sagen wir zwischen 1 und 10 Sekunden, beispielsweise für 5 Sekunden, periodisch, sagen wir einmal bis zwölfmal pro Stunde, beispielsweise alle 15 Minuten, angelegt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Filtervorrichtung gemäß den Patentansprüchen 10 und 11.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Potentialdifferenz mit entgegengesetzter Polarität mit einer Spannung, vergleichbar zu der periodisch angelegten Potentialdifferenz, und während einer ähnlich kurzen Zeitdauer angelegt, beispielsweise mit 200 mA/cm² während 5 Sekunden, aber viel seltener, sagen wir zwischen eimnal und zwölfmal pro Tag, beispielsweise zweimal pro Tag.
Typischerweise ist die Potentialdifferenz von entgegengesetzter Polarität so beschaffen, daß der Filter die Anode darstellt, so daß wahrend ihres Anlegens am Filter durch Elektrolyse von Wasser Sauerstoff erzeugt wird und die Prozeßflüssigkeit in der unmittelbaren Umgebung des Filters basisch gemacht wird. Dies verbessert erheblich die Reinigung des Filters und in einem Versuch hat man herausgefunden, daß dies die Durchtritts- bzw. Permeationsrate um mehr als den Faktor zwei erhöht. Die Größe des Stroms, die Dauer der Pulse und die Frequenz sowohl der Strompulse als auch der Gegenstrompulse kann für ein spezielles Filtrationssystem und eine spezielle Filtrationsanwendung optimiert sein.
Genau wie bei den vorstehend beschriebenen elektrochemischen Filterreinigungsverfahren ist das Verfahren dieser Erfindung beispielsweise bei Filtern anwendbar, die ganzlich aus einem oder mehreren elektrisch leitenden Medien bzw. Materialien (wie beispielsweise gesintertem Edelstahl, mikroporösem Graphit oder dotierten Zirkondioxid-Keramikmembranen) gebildet sind, oder bei Filtern, die sowohl ein leitendes Filtermaterial als auch ein nichtleitendes Filtermaterial umfassen; der Filter kann beispielsweise ein Edelstahisieb mit einer gesinterten, mikroporösen Aluminiumoxidschicht sein.
Das Verfahren ist beispielsweise auf röhrenförmige Filter anwendbar und auf flache bzw. glatte Filter, wie in GB 2 267 838 A beschrieben. Es ist besonders geeignet zur Verwendung bei Querströmungsfiltern, weil die Ablagerungen, die mittels des Reinigungsverfahrens entfernt werden, dann durch die Strömung der Prozeßflüssigkeit weggeführt werden. Man hat auch herausgefunden, daß man eine noch bessere Reinigung eines Querströmungsfilters erzielen kann, falls bei nicht jedem oder jedem Aniegen der periodisch angelegten Potentialdifferenz die Querströmung gestoppt wird. Dies hat die Wirkung, daß ein momentaner Gegen- bzw. Rückdruck über den Filter erzeugt wird, so daß bis zu einem gewissen Grad einer Wiederauswaschung stattfindet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend nur in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden, die in einem Teilschnitt eine teilweise schematische Ansicht einer Querströmungsfiltrationsvorrichtung zeigt. Die gezeigte Vorrichtung 10 umfaßt an jedem Ende Kopfstücke 12, 14, um die Flüssigkeit einer Behandlung zu unterziehen, und zwei Durchflußkanäle 16, die zwischen den Kopfstücken 12 und 14 kommunizieren, wobei die Durchflußkanäle 16 zwischen einer flachen Anodenplatte 18 und flachen Filterplatten 20 aus gesinterten Edelstahl-Mikrofasem mit einer Stärke von 0,5 mm auf einem Sieb- bzw. Filterträger festgelegt sind, wobei eine Filterplatte 20 jeweils einer Seite der Anodenplatte 18 zugewandt ist. Jede Filterplatte 20 ist rechteckförrnig, ebenso wie die Anodenplatte 18, und der jeweilige Abstand zwischen der Filterplatte 20 und der Anodenplatte 18, d.h. die Breite der Durchflußkanäle 16, beträgt 3 mm. Jede Filterplatte 20 bildet eine Wand einer rechteckigen Filtratkammer 22.
Eine mit einem Netzteil 24 verbundene Pumpe 23 versorgt das untere Kopfstück 12 (wie gezeigt) über ein Rohr 25 mit einer zu behandelnden Flüssigkeit, während ein Rohr 26, das mit dem oberen Kopfstück 14 kommuniziert, für einen Auslaß für die behandelte Flüssigkeit sorgt. Auslaßrohre 28 sind mit jeder Filtratkammer 22 verbunden und diese umfassen Begrenzungsventile 29 (nur eines ist gezeigt), so daß während des Betriebs eine ständige Druckdifferenz über die Filterplatten 20 vorherrscht. Elektrische Anschlüsse 30, 32 ermöglichen die Herbeiführung eines elektrischen Kontaktes mit der Anodenplatte 18 und den Filterplatten 20 (nur ein elektrischer Anschluß 32 ist gezeigt).
Die Vorrichtung 10 beinhaltet auch eine elektrische Schaltung, die eine DC-Hochspannungsversorgung 40, einen elektrisch betätigten An-/Aus-Schalter 42 und einen elektrisch betätigten Umkehrschalter 44 umfaßt; die Schalter 42 und 44 werden mit Hilfe eines Zeitgebers 46 gesteuert. Der Zeitgeber 46 ist auch elektrisch mit einem Schalter 48 verbunden, der die Spannungsversorgung 24 für die Pumpe 23 steuert, so daß diese an- und ausgeschaltet werden kann.
Beim Einsatz wird somit die Pumpe 23 angeschaltet, um die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Durchflußkanäle 16 und somit aus dem Rohr 26 zu pumpen, während das Filtrat durch die Filterplatten 20 in die Filterkammern 22 hineingelangt und so aus den Auslaßröhren 28 austritt bzw. herauskommt. In Intervallen, typischerweise jede Viertelstunde, schaltet der Zeitgeber 46 den Schalter 42 an und den Schalter 48 aus. Die Anodenplatte 18 ist als Anode ausgebildet und die beiden Filterplatten 20 stellen Kathoden dar; die Stromdichte beträgt typischerweise 200 mA/cm² und das durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoffgas löst das Verstopfungsmaterial von der Oberfläche der Filterplatten 20. Ferner nimmt der Druck innerhalb der Durchflußkanäle 16 allmahlich ab, weil die Pumpe 23 ausgeschaltet ist, und nach 2 oder 3 Sekunden beträgt dieser weniger als der Druck in den Filtratkammern 22, so daß eine gewisse Wiederauswaschung auftritt, die das Auflösen von Verstopfüngsmaterial von den Filterplatten 20 unterstützt. Nach einer kurzen Zeit, typischerweise auf 5 Sekunden eingestellt, schaltet der Zeitgeber 46 den Schalter 42 aus und den Schalter 48 an, so daß der normale Betrieb wieder beginnt.
Alle zwei Stunden, unmittelbar vor dem Anschalten des Schalters 42, betätigt der Zeitgeber 46 den Umkehrschalter 44 während einer Zeitspanne, die gerade ausreicht, daß der nächste Spannungspuls die Anodenplatte 18 zu einer Kathode macht und die Filterplatten 20 zu Anoden. Die Gasentwicklung (von Sauerstoff) an der Oberfläche der Filterplatten 20 und die Wiederauswaschung haben die Wirkung einer Auflösung von Verschmutzungs- bzw. Verstopfungsstoffen, wie dies auch bei dem Puls mit normaler Polarität der Fall ist. Jedoch bewirkt die Elektrolyse, daß die Flüssigkeit in der Nähe der Filterplatten 20 sauer gemacht wird, und dies scheint feine Verstopfungsstoffe aufzulösen, die auf andere Weise nicht entfernt werden; in hartem Wasser, das Kationen, wie beispielsweise Kalzium oder Magnesium, enthält, bilden diese Feinstoffe wahrscheinlich einen Niederschlag aus Karbonaten dieser Kationen. Nachdem ein Puls von entgegengesetzer Polarität angelegt worden ist, kehrt der Umkehrschalter 44 in seinen normalen Zustand zurück, so daß der nächste Puls die Anodenpiatte zu einer Anode macht.
In einem Experiment hat man herausgefunden, daß das Anlegen eines solchen Umkehrspannungspulses auf diese Art und Weise die Filtratdurchtrittsrate von 0,8 m³m&supmin;²h&supmin;¹ auf mehr als 1,6 m³m&supmin;²h&supmin;¹ erhöht, und zwar bei einem Filter, der aus unbehandeltem Wasser von einem Reservoir Trinkwasser erzeugt.
Man wird berücksichtigen, daß die Filtrationsvorrichtung und ihre Betriebsart von der beschriebenen abweichen kann. Beispielsweise könnte eine Filtrationsvorrichtung mehrere Anodenplatten 18 in einem Stapel umfassen, die sich mit Filterkammern mit Filterplatten 20 auf jeder Seite abwechseln, wodurch mehrere Durchflußkanäle 16 festgelegt werden, alle mit einer Breite von 3 mm, wobei die Durchflußkanäle 16 mit den Kopfstücken an jedem Ende kommunizieren. Eine solche Vorrichtung ist in GB 2 267 838 beschrieben. Die Anodenplatten 18 könnten aus einem Edelstahl mit einer niedrigen Chromkonzentration (z.B. 9%) bestehen, wie in GB 2 247 469 B beschrieben. Die Filterplatten 20 könnten aus einem anderen Material bestehen; insbesondere könnten diese aus einem Material, wie beispielsweise einem Edelstahl mit geringer Chromkonzentration oder aus einem leitfähigen, substöchiometrischen Titandioxid hergestellt sein, das einer zu vemachlässigenden Korrosion unterliegt, sei es unter anodischen oder kathodischen Potentialen. Der Durchflußkanal bzw. die Kammer und die Platten könnten in der Tat allesamt von einer anderen Gestalt sein, beispielsweise könnte der Durchflußkanal zylinderförmig oder ringförrnig sein. Die Betriebsart könnte auch abweichen, beispielsweise könnte die Pumpe 23 überhaupt nicht abgeschaltet werden oder nur für einige der Spannungspulse ausgeschaltet werden. Die Schalter 42, 44 und 48 können von einer Vielzahl von verschiedenen Arten sein, beispielsweise können diese elektromechanische Schalter sein oder diese können elektronische Schalter, wie beispielsweise Thyristoren, sein. Und natürlich könnte die Intensität, die Dauer, die Frequenz der Spannungspulse und die Frequenz der entgegengesetzten Spannungspulse von den beschriebenen Werten abweichen. Man wird auch berücksichtigen, daß die Durchflußkanäle 16 vertikal (wie dargestellt) verlaufen oder eine beliebige, gewünschte Orientierung aufweisen können, weil der Betrieb einer solchen Vorrichtung unabhängig von ihrer Orientierung ist.

Claims

1. Verfahren zum Reinigen eines porösen, elektrisch leitenden Filters (20) während des Einsatzes des Filters (20) bei der Futration einer wäßrigen Prozeßflüssigkeit, welches Verfahren umfaßt, das Anordnen einer Gegenelektrode (18) in Berühüüng mit der Prozeßflüssigkeit, so daß der Filter (20), die Prozeßflüssigkeit und die Gegenelektrode (18) gemeinsam eine elektrochemische Zelle bilden, sowie das periodische und kurze Anlegen einer Potentialdifferenz (40, 42) zwischen dem Filter (20) und der Gegenelektrode (18), um so durch Elektrolyse ein gasförmiges Produkt am Filter (20) zu erzeugen und so den Filter (20) zu reinigen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Potentialdifferenz von einer Polarität (44), entgegengesetzt zu der periodisch angelegten Potentialdifferenz (40, 42), gelegentlich zwischen dem Filter (20) und der Gegenelektrode (18) angelegt wird, wobei das Anlegen der Potentialdifferenz von entgegengesetzter Polarität kurz aber weniger häufig als das Anlegen der periodisch angelegten Potentialdifferenz erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die periodisch angelegte Potentialdifferenz so beschaffen ist, daß der Filter (20) die Kathode ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die periodisch angelegte Potentialdifferenz (40, 42) und die Potentialdifferenz (44) von entgegengesetzter Polarität beide von ähnlicher Größe sind und für ähnliche Zeitspannen angelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei beide Potentialdifferenzen so beschaffen sind, daß sie am Filter (20) eine Stromdichte von mehr als 50 mA/cm² erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die periodisch angelegte Potentialdifferenz (40, 42) zumindest einmal pro Stunde angelegt wird und die von entgegengesetzter Polarität (44) zwischen einmal und zwölfmal pro Tag angelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die periodisch angelegte Potentialdifferenz von einer Quelle (40, 42) mit einer solchen Größe zur Verfügung gestellt wird, um am Filter (20) eine Stromdichte zwischen 50 und 300 mA/cm² zu erzeugen, und während einer Zeitdauer von 1 bis 10 Sekunden periodisch einmal bis zwölfmal pro Stunde angelegt wird, und wobei die Potentialdifferenz von entgegengesetzter Polarität durch vorübergehende Umkehr (44) der Polarität der Quelle der periodisch angelegten Potentialdifferenz (40, 42) während eines Intervalls von nicht mehr als 15 Minuten angelegt wird, wobei während dieses Intervalls zumindest ein solches periodisches Aulegen der Potentialdifferenz erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei jedes achte Mal ein periodisches Anlegen mit einer entgegengesetzten Polarität erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Anlegens von zumindest einigen der periodisch angelegten Potentialdifferenzen die Druckdifferenz über den Filter in der Richtung umgekehrt wird, so daß die Prozeßflüssigkeit einen geringeren Druck aufweist als das Filtrat.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Umkehr der Druckdifferenz durch vorübergehende Unterbrechung der Zufuhr (23, 48) von Prozeßflüssigkeit zu dem Filter (20) bewerkstelligt wird.

10. Filtervorrichtung, die einen porösen, elektrisch leitenden Filter (20) und Mittel (18, 40, 42, 44) umfaßt, damit der Filter mit Hilfe eines Verfahrens, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, gereinigt werden kann.

11. Filtervorrichtung, die umfaßt, einen porösen, elektrisch leitenden Filter (20), Mittel (23), um einem Bereich (16) eine wäßrige Prozeßflüssigkeit zuzuführen, welcher bei einer Obeffläche des Filters (20) definiert ist, wobei eine Gegenelektrode (18) in dem Bereich (16) angeordnet ist, so daß der Filter (20) und die Gegenelektrode (18) Elektroden einer elektrochemischen Zelle bilden, deren Elektrolyt durch die Prozeßflüssigkeit gegeben ist, sowie Mittel (40, 42, 46), um eine Potentialdifferenz zwischen dem Filter (20) und der Gegenelektrode (18) periodisch und kurzzeitig anzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auch ein Mittel (44) umfaßt, um zwischen dem Filter (20) und der Gegenelektrode (18) gelegentlich eine Potentialdifferenz von entgegengesetzter Polarität anzulegen, wobei die Mittel (40, 42, 46, 44) so ausgelegt sind, daß das Anlegen der Potentialdifferenz von entgegengesetzter Polarität kurzzeitig aber weniger häufig erfolgt als das Anlegen der periodisch angelegten Potentialdifferenz.