DE69607305T2

DE69607305T2 - In-situ-Filterreinigung

Info

Publication number: DE69607305T2
Application number: DE69607305T
Authority: DE
Inventors: Paul Antony Harry Fennell
Original assignee: AEA Technology PLC
Current assignee: Ricardo AEA Ltd
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: KR970032997A; EP0779090A1; JPH09220442A; DE69607305D1; EP0779090B1; GB9525583D0

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-situ-Reinigung eines Filters, der Mittel umfasst, mit deren Hilfe dieser gereinigt werden kann.
Ein Verfahren zur Reinigung eines elektrisch leitenden Filters wird in GB 2 160 545 B beschrieben, das die in-situ-Entfernung von Ablagerungen von dem Filter ermöglicht. Bei diesem Verfahren wird eine elektrochemische Zelle eingerichtet, welche den Filter als erste Elektrode, eine Gegenelektrode und die Prozessflüssigkeit als Elektrolyt umfasst. In Zeitintervallen während des Filtrierungsprozesses wird für kurze Zeit eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden angelegt, um so bei bzw. auf dem Filter ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, das in Gestalt von Mikrobläschen vorliegen kann und das den Filter reinigt. Beispielsweise kann ein Membranstrom von 500-3000 4 m² periodisch während 1-5 Sekunden zwischen 4-15-mal pro Stunde angelegt werden. Die Potentialdifferenz wird typischerweise angelegt, so dass der Filter seinerseits kathodisch ist, um dessen Korrosion zu minimieren, und bei dem Filter kann es sich um eine mikroporöse Membran aus Metall oder um eine leitende Keramikmembran handeln. Ein ähnliches Verfahren wird in EP 0 380 266 A beschrieben, bei dem der Filter eine poröse Schicht ist, beispielsweise aus gesintertem Zirkoniumdioxid, die ein Metallgitter umfasst, oder eine poröse Schicht, die über ein solches Metallgitter geschichtet ist. Bei der Gegenelektrode kann es sich um mit Platin überzogenes Titan handeln oder diese kann, wie dies in EP 0 474 365 A beschrieben wird, aus einem Edelstahl mit geringem Chromgehalt bestehen. Man wird erkennen, dass es während des Anle gens der Reinigungspotentialdifferenz zu einem erheblichen elektrischen Leistungs- bzw. Stromverbrauch kommt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur In-situ-Reinigung eines Filteraufbaus während der Verwendung des Filteraufbaus zum Filtern einer Prozessflüssigkeit geschaffen, welcher Filteraufbau eine Filtermembran umfasst, die nicht elektrisch leitend ist, eine fluiddurchlässige erste Elektrode und eine fluiddurchlässige zweite Elektrode, wobei die Filtermembran integral bzw. einstückig oder in Berührung mit einer der Elektroden ausgebildet ist und wobei die erste und die zweite Elektrode durch eine Lage aus einem fluiddurchlässigen elektrisch isolierenden Material voneinander getrennt sind und zueinander beabstandet bzw. getrennt sind, wobei der Filteraufbau auch ein elektrisches Versorgungsmittel umfasst, das mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden ist, und welches Verfahren den Schritt umfasst, dass man einen elektrischen Strom periodisch und kurzzeitig mit einer Stromdichte von mindestens 500 A/m² zwischen der ersten und der zweiten Elektrode durch die Prozessflüssigkeit fließen lässt, um so ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, so dass Ablagerungsmaterial auf der Filtermembran entfernt wird, wobei zumindest 75% der kurzen Stromimpulse dieselbe Polarität aufweisen.
Die Lage aus elektrisch isolierendem Material stellt sicher, dass sich die zwei Elektroden nicht berühren können und stellt so sicher, dass eine Elektrolyse der Prozessflüssigkeit auftritt. Die Lage lässt es deshalb zu, dass die Elektroden viel näher zueinander angeordnet werden können und senkt so den elektrischen Leistungs- bzw. Stromverbrauch beträchtlich. Außerdem stellt die Lage sicher, dass der Abstand der Elektroden gleichmäßig ist, um so eine gleichförmige bzw. gleichmäßige Erzeugung des gasförmigen Produkts und folglich eine gleichförmige ReiniguQg der Membran sicherzustellen. Bei der Lage kann es sich um eine Einzelschicht aus durchlässigem bzw. permeablem Material handeln, beispielsweise um ein Nylongitter bzw. Nylonsieb, oder um einen Stapel aus solchen Schichten, beispielsweise aus zwei oder drei Schichten aus einem Tuch bzw. Gewebe aus Polyamid mit einer Porengröße von bis zu 18 um, jede mit einer Dicke von 0,3 mm. Die Dicke der Lage und folglich der Abstand der Elektroden beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 3,0 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, beispielsweise 0,6 mm. Weil beide Elektroden sich in einem solch geringen Abstand zur Filtermembran befinden, helfen die an beiden Elektroden erzeugten Gasblasen dabei, Ablagerungen von der Filtermembran zu entfernen.
Es sind Filter bekannt, die gewisse strukturelle Ähnlichkeiten zu dem bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Filteraufbau aufweisen, hingegen ist deren Betriebsart anders. Beispielsweise betrifft WO 89/00445 (Battelle) eine Filtervorrichtung, bei der Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer isolierenden Filtermembran angeordnet sind, wobei zumindest die Elektrode auf der Einlassseite in Berührung mit der Membran steht. Ein elektrisches Feld wird kontinuierlich angelegt, mit einer kleinen Stromdichte (beispielsweise bis zu 33 A/m²), so dass eine Verstopfung der Filtermembran verhindert wird. EP-A-0 577 026 (Nagaura) betrifft eine Filtereinrichtung mit durchlässigen bzw. permeablen Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten bzw. Oberflächen eines isolierenden Filters, der beispielsweise dazu gedacht ist, um Mikroorganismen einzufangen. Eine Spannung wird kontinuierlich zwischen den Elektroden angelegt (entweder als DC oder als AC). Ein Luftfilter wird in US-A-4,623,365 (Bergman) beschrieben, bei der ein Filtermedium zwischen zwei luftdurchlässige Elektroden geschichtet ist, an die eine hohe Spannung (bis zu 10 kV DC) angelegt wird. Die Spannung wird dazu verwendet, um Partikel einzufangen und wird deshalb kontinuierlich angelegt.
Dort, wo die Filtermembran nicht integral bzw. einstückig mit der Elektrode ausgebildet ist, kann dann die Filtermembran die Isolationslage darstellen oder kann eine Schicht von dieser sein. Die Elektroden sollten in viel größerem Umfang fluiddurchlässig bzw. fluidpermeabel sein als die Filtermembran und definieren vorzugsweise Poren oder Perforationen mit einem Durchmesser von zumindest 0,5 mm, vorzugsweise von mindestens 1 mm, beispielsweise 2 mm oder 4 mm im Durchmesser. Die isolierende Lage, falls es sich bei dieser nicht um die Filtermembran handelt, sollte ebenfalls größere Poren aufweisen als die Filtermembran, vorzugsweise mindestens fünfmal größere Poren, und kann Poren oder Perforationen aufweisen, die so groß sind wie diejenigen in den Elektroden, das heißt bis zu 1 mm, 2 mm oder sogar 4 mm. Es wird bevorzugt, dass die Elektroden an die gegenüberliegenden Oberflächen der isolierenden Lage geklebt bzw. mit diesen verbunden werden und dies verhindert, dass diese sich als Folge der Erzeugung von Gasblasen trennen.
Die Filtermembran kann einstückig mit einer Elektrode ausgebildet sein und kann deshalb eine poröse Karbonstruktur umfassen, beispielsweise in Gestalt eines Rohrs, mit einer Oberflächenbeschichtung aus Zirkoniumdioxid (zweckmäßig zur Fein-Mikrofiltrierung oder Fein-Ultrafiltrierung), oder einen mit Titandioxid beschichteten bzw. überzogenen Edelstahlfilter (mit einer Porengröße von etwa 0,2 um). Alternativ kann die Filtermembran in Berührung mit einer Elektrode stehen; bei dieser Anordnung kann eine große Vielzahl von verschiedenen Arten von Membranen verwendet werden. Beispielsweise kann die Filtermembran aus Polypropylen, Nylon, PVdF (Polyvinylidenfluorid), Polykarbonat oder aus einem Zirkoniumdioxidgewebe oder aus anderen bekannten Filtermembranen oder Mikro- oder Ultrafiltrierungsmembranen bestehen. In diesen Fällen ist die Elektrode auf der Filtratseite der Filtermembran vorzugsweise so ausgelegt, dass diese während der Reinigungsimpulse kathodisch ist, weil bei dieser zweimal so viel Gas erzeugt werden wird.
Alternativ kann die Filtermembran eine Elektrode sein, beispielsweise kann es sich bei dieser um eine gesinterte Edelstahl-Mikrofaserschicht handeln (mit einer Porengröße von etwa 3 um). Somit wird gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ein Verfahren zur In-situ-Reinigung eines Filteraufbaus während der Verwendung des Filteraufbaus zum Filtern einer Prozessflüssigkeit geschaffen, welcher Filteraufbau eine Filtermembran umfasst, die elektrisch leitend ist und als erste fluiddurchlässige Elektrode dient, sowie eine fluiddurchlässige zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode voneinander getrennt sind und mittels einer fluiddurchlässigen, elektrisch isolierenden Lage voneinander beabstandet bzw. getrennt sind, welcher Filteraufbau auch ein elektrisches Versorgungsmittel umfasst, das mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden ist, und welches Verfahren den Schritt umfasst, dass man einen elektrischen Strom periodisch und kurzzeitig mit einer Stromdichte von zumindest 500 A/m² zwischen der ersten und der zweiten Elektrode durch die Prozessflüssigkeit fließen lässt, um so ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, so dass Ablagerungsmaterial auf der Filtermembran entfernt bzw. abgelöst wird, wobei zumindest 75% der kurzen Stromimpulse dieselbe Polarität aufweisen.
Viele der zuvor im Zusammenhang mit einem isolierenden Filter erörterten Alternativen können auch in diesem Fall angewendet werden. Die Frequenz und Dauer der Reinigungsstromimpulse hängt ganz eindeutig davon ab, wie rasch die Membran verschmutzt bzw. verstopft wird, und hängt somit von der Natur der zu behandelnden Flüssigkeit ab. Für gewöhnlich findet man heraus, dass Stromimpulse mit einer Dauer im Bereich zwischen 1 Sekunde und 5 Sekunden wirkungsvoll sind, obwohl die Dauer bis zu 10 oder sogqr 15 Sekunden betragen kann. Vergleichbar dazu kann die Frequenz typischerweise zwischen 4- und 15-mal pro Sekunde liegen, das heißt in Intervallen von zwischen 15 und 4 Minuten, falls die Prozessflüssigkeit jedoch sehr klein ist bzw. fein verteiltes Ablagerungsmaterial umfasst, dann kann eine Reinigung nur einmal pro Stunde oder jede zweite Stunde erforderlich sein. Es sei darauf hingewiesen, dass, wie dies in GB 2 290 086 A beschrieben wird, die Polarität der Reinigungsimpulse gelegentlich gewechselt werden kann, beispielsweise bei jedem achten Impuls, oder dass man einen erheblich geringeren Strom während längerer Zeitintervalle zwischen den Elektroden in der entgegengesetzten Richtung zu der der Reinigungsimpulse fließen lassen kann, wobei dieser entgegengesetzte Strom eine Dichte von nicht mehr als 200 A m&supmin;² aufweist.
Die Erfindung wird nun ausführlicher, lediglich in beispielhafter Weise, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Filtervorrichtung zeigt; und
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Filtervorrichtung zeigt.
In Fig. 1 ist eine Filtervorrichtung 10 gezeigt, durch die man eine zu behandelnde Flüssigkeit oder einen zu behandelnden Schlamm bzw. Aufschlämmung strömen lässt, wobei die Flüssigkeit (oder die Aufschlämmung) eintritt, wie dies durch den Pfeil A angedeutet ist, und die Kammer 12 verlässt, wie dies durch den Pfeil B angedeutet ist. Eine Filtratkammer 14 ist mit Hilfe eines Filteraufbaus 16 von der Kammer 12 getrennt angeordnet, durch den eine Filtratflüssigkeit hindurchströmt und die Filtratflüssigkeit kann die Filtratkammer 14 durch ein Auslassrohr 15 verlassen, wie dies durch den Pfeil C angedeutet ist.
Der Filteraufbau 16 umfasst eine Mikrofaserfilterschicht aus Edelstahl 18, die eine Porengröße von etwa 3 um aufweist. Die Seite bzw. Oberfläche der Schicht 18, die der Behandlungskammer 12 zugewandt ist, ist von einem groben, gewebten Nylonsieb 20 mit einer Dicke von etwa 0,5 mm und mit Öffnungen, die etwa 2 mm Weite aufweisen, überdeckt, welches seinerseits mit einer perforierten Gegenelektrode 22 aus Edelstahl mit 9% Chromgehalt und mit rhombusförmigen Öffnungen mit einer Weite von 2 mm überzogen ist. Die Filterschicht 18 und die Gegenelektrode 22 sind mit einer Quelle 24 für elektrischen Strom und mit einem Schalter 25 verbunden.
Bei einem Betrieb der Filtervorrichtung 10 wird eine zu behandelnde Flüssigkeit durch die Kammer 14 gepumpt und als Folge des Druckabfalls über den Filteraufbau 16 strömt eine Filtratflüssigkeit in die Kammer 14 hinein, um durch das Rohr 15 hindurch auszutreten. Der Filtratfluss nimmt allmählich ab, weil sich Ablagerungen auf der Oberfläche der Filterschicht 18 aufbauen. In periodischen Zeitintervallen, beispielsweise alle 20 Minuten, wird die Stromversorgung 24 kurzzeitig mit der Filterschicht 18 und der Gegenelektrode 22 verbunden, sagen wir für 5 Sekunden, so dass die Stromdichte auf der Oberfläche der Schicht 18 600 A m&supmin;² beträgt. Die Elektrolyse der Flüssigkeit resultiert in der Erzeugung von Gas- Mikroblasen sowohl bei der Filterschicht 18 als auch bei der Gegenelektrode 22, welche die Ablagerungen bzw. die Ablagerungsschicht zerreissen und diese entfernen. Dies verbessert den Filtratfluss erheblich. Während die Stromimpulse angelegt werden, wird es bevorzugt, dass man den Druckabfall über den Filteraufbau 16 herabsetzt, was durch Schließen oder Hemmen des Auslassrohrs 15 erreicht werden kann.
In Fig. 2 ist eine alternative Filtervorrichtung 30 gezeigt, die mit der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 viele Merkmale gemeinsam hat und die eine Behandlungskammer 12 und eine Filtratkammer 14 umfasst, die über einen Filteraufbau 32 voneinander getrennt sind. Der Filteraufbau 32 umfasst ein gewebtes Filtermembrantuch bzw. -gewebe aus Polypropylen 33, das zwischen eine Gaze 34 aus Edelstahldraht auf der Filtratseite, mit der es thermisch verklebt (bonded) ist, und eine perforierte Platte bzw. Scheibe 35 aus Edelstahl mit einem Chromgehalt von 9% auf der Seite der Behandlungskammer 12 geschichtet ist. Die Membran 33 besitzt eine Porengröße von etwa 3 um, während die Gaze 34 Öffnungen von 1 mm Größe aufweist und die perforierte Platte 35 Öffnungen von 2,5 mm Größe aufweist. Die Gaze 34 und die Platte 35 sind mit einem Schalter 25 und einer elektrischen Stromversorgung 24 verbunden, so dass die Gaze 34 die Kathode darstellt.
Beim Betreiben der Filtervorrichtung 30 wird die zu behandelnde Flüssigkeit oder der zu behandelnde Schlamm bzw. Aufschlämmung durch die Kammer 12 hindurchgepumpt und tritt das Filtrat durch den Filteraufbau 32 in die Kammer 14 ein. Ein Ventil 36 ermöglicht es, dass der Ausfluss C von Filtrat aus der Vorrichtung 30 kontrolliert werden kann. Eine Ablagerung wird sich allmählich auf der Filtermembran 33 aufbauen und zu periodischen Zeitintervallen wird die Stromversorgung 24 für sagen wir 5 oder 10 Sekunden angeschaltet, und zwar mit einer Stromdichte von 600 A m² an der Gaze 34 und der Platte 35. Zur selben Zeit wird das Ventil 36 geschlossen. Mikroblasen werden mittels Elektrolyse sowohl an der Gaze 34 als auch an der Platte 35 erzeugt und so gelangen Gasblasen durch die Membran 33 hindurch in Richtung zu der Kammer 12 (weil das Ventil 36 geschlossen ist), die die Ablagerungen ablösen und entfernen. Dies verbessert den Filtratfluss erheblich, wenn das Ventil 36 wieder geöffnet wird und die Stromversorgung 24 ausgeschaltet wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine große Vielzahl von verschiedenartigen Filtermembranen anstelle der gewebten Tuch- bzw. Gewebemembran 33 aus Polypropylen in der Vorrichtung 30 verwendet werden können, die in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu behandelnden Flüssigkeit und der erforderlichen Art von Filtrierung ausgewählt werden. Beispielsweise könnte die Membran 33 durch eine PVdF-Membran mit Porengrößen von etwa 0,45 um ersetzt werden, falls eine Mikrofiltrierung gefordert wird. Die Membran 33 könnte durch ein fein gewebtes Zirkoniumdioxidgewebe ersetzt werden, mit Porengrößen von weniger als 2 um, falls chemisch aggressive (beispielsweise -alkalische) Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit hoher Temperatur gefiltert werden sollen; in diesem Fall wären die Elektroden 34, 35 an die Membran punktgeklebt. Somit kann es sich bei der Membran um eine Membran handeln, die zur Ultrafiltrierung gedacht ist (mit Porengrößen von typischerweise weniger als etwa 0,03 um), oder um eine, die zur Mikrofiltrierung (mit Porengrößen zwischen etwa 0,1 um und 5 um) oder zur herkömmlichen Filtrierung (mit Porengrößen von mehr als etwa 5 um) gedacht ist.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Form der Filtermembran von der in den Zeichnungen gezeigten flachen Schicht bzw. Lage abweichen kann und dass es sich bei der Filtermembran stattdessen um ein zylinderförmiges Rohr oder um eine Spirale bzw. Rohrschlange handeln kann. Beispielsweise kann eine Filtermembran aus Polykarbonat, die zwischen eine flexible Gaze aus Edelstahldraht und eine flexible Gaze aus mit Platin überzogenem Titandraht geschichtet ist, zwischen grobe Nylonsiebdistanzsiebe geschichtet werden und dann längs einer undurchlässigen Kunststofflage zu einem spiralförmigen Filteraufbau gewickelt werden.

Claims

1. Verfahren zur In-situ-Reinigung eines Filteraufbaus (30) während der Verwendung des Filteraufbaus (30) zum Filtern einer Prozessflüssigkeit, welcher Filteraufbau (30) eine Filtermembran (33), die nicht elektrisch leitend ist, eine fluiddurchlässige erste Elektrode (34) sowie eine fluiddurchlässige zweite Elektrode (35) umfasst, wobei die Filtermembran (33) einstückig mit oder in Berührung mit einer der Elektroden (34) ausgebildet ist und wobei die erste und die zweite Elektrode (34, 35) durch eine Lage aus einem fluiddurchlässigen, elektrisch isolierenden Material (33) voneinander getrennt sind und zueinander beabstandet sind, wobei der Filteraufbau (30) auch ein elektrisches Versorgungsmittel (24) umfasst, das mit der ersten und der zweiten Elektrode (34, 35) verbunden ist, und welches Verfahren den Schritt umfasst, dass man einen, elektrischen Strom periodisch und kurzzeitig mit einer Stromdichte von zumindest 500 A/m² zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (34, 35) durch die Prozessflüssigkeit fliessen lässt, um so ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, so dass ein Ablagerungsmaterial auf der Filtermembran (33) abgelöst bzw. entfernt wird, wobei zumindest 75% der kurzen Stromimpulse dieselbe Polarität aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dicke des isolierenden Materials (33), das die erste und die zweite Elektrode (34, 35) trennt, zwischen 0,2 mm und 3,0 mm liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem es sich bei der Filtermembran (33) um eine Schicht der isolierenden Lage handelt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Filtermembran (33) aus einem Gewebe aus Polypropylen, aus Nylon, aus Polyvinylidenfluorid, aus Polykarbonat oder aus Zirkondioxid besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (34, 35) Poren oder Perforationen mit einem Durchmesser von zumindest 0,5 mm definieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zumindest eine der Elektroden (35) Perforationen mit einem Durchmesser zwischen 2 mm und 4 mm definiert.

7. Verfahren zur In-situ-Reinigung eines Filteraufbaus (10) während der Verwendung des Filteraufbaus (10) zum Filtern einer Prozessflüssigkeit, welcher Filteraufbau (10) eine Filtermembran (18) umfasst, die elektrisch leitend ist und als erste fluiddurchlässige Elektrode dient, sowie eine fluiddurchlässige zweite Elektrode (22), wobei die erste und die zweite Elektrode (18, 22) durch eine fluiddurchlässige, elektrisch isolierende Lage (20) voneinander getrennt sind und zueinander beabstandet sind, welcher Filteraufbau (10) auch ein elektrisches Versorgungsmittel (24) umfasst, das mit der ersten und der zweiten Elektrode (18, 22) verbunden ist, und welches Verfahren den Schritt umfasst, dass man einen elektrischen Strom periodisch und kurzzeitig mit einer Stromdichte von zumindest 500 A/m² zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (18, 22) durch die Prozessflüssigkeit fließen lässt, um so ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, so dass ein Ablagerungsmaterial auf der Filtermembran abgelöst bzw. entfernt wird, wobei zumindest 75% der kurzen Stromimpulse dieselbe Polarität aufweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem es sich bei der isolierenden Lage (20) um eine Einzelschicht (20) aus einem fluiddurchlässigen Material handelt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem die Dicke der Lage (20) zwischen 0,2 mm und 3,0 mm liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Lage (20) Perforationen mit einem Durchmesser von etwa 2 mm definiert.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die zweite Elektrode (22) Poren oder Perforationen mit einem Durchmesser von zumindest 0,5 mm definiert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die zweite Elektrode (22) Perforationen mit einem Durchmesser zwischen 2 mm und 4 mm definiert.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das den Schritt umfasst, dass die Druckdifferenz über die Filtermembran (33, 18) auf Null oder auf negative Werte reduziert wird, während der Strom fließt.