DD148859A3

DD148859A3 - Verfahren zur membranfiltration und vorrichtung zu deren durchfuehrung

Info

Publication number: DD148859A3
Application number: DD20845278A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Friedrich; Rainer Tietze; Gerda Koschade; Sylvia Schwan; Werner Neustadt; Friedrich Kutzsche; Hans Herrmann
Original assignee: Eberhard Friedrich; Rainer Tietze; Gerda Koschade; Sylvia Schwan; Werner Neustadt; Friedrich Kutzsche; Hans Herrmann
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1978-10-16
Publication date: 1981-06-17
Also published as: HU185366B; CS222972B1; AT371360B; ATA673979A; DE2941164A1; SU1424862A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Trennverfahren,bei denen halbdurchlaessige Membranen verwendet werden. Ziel der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine effektive und stabile Membranfiltration realer Loesungen gewaehrleisten, indem die Konzentrationspolarisation reduziert, Ablagerungen verhindert und vorhandene bzw. entstehende Partikel staendig entfernt werden. Erfindungsgemaesz wird der Beschickungsstrom vor Eintritt in die Membrantrenneinheit, vorzugsweise bereits im Saugstutzen der Pumpe, mit einem Gasstrom vermischt und nach Passieren der Membrantrenneinheit und Entspannung auf Umgebungsdruck durch eine geeignete Trennapparatur geleitet. Zusaetzliche Ausgestaltungen des Verfahrens bestehen in einer teilweisen Entspannung des Beschickungsstromes vor dem Kontakt mit den Membranen,periodischen kurzzeitigen Unterbrechungen des Beschickungsstromes und dem Zusatz oberflaechenaktiver Stoffe. Moegliche Anwendungsgebiete liegen in der Membranfiltration mit Loesungen, insbesondere fuer solche, in denen Partikel enthalten sind oder entstehen. In einer Zeichnung wird die Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens dargestellt.

Description

Verfahren zur Membranfiltration und Vorrichtung zu deren Durchführung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Stofftrennung mittels Membranen, insbesondere die Ultrafiltration und die Umkehrosmose. Ihr Einsatz ist zweckmäßig, wenn die Konzentrationspolarisation hohe Werte erreicht, es zu Ablagerungen auf der Membran kommt und wenn Partikel in der Lösung enthalten sind oder während der Membranfiltration entstehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die bei der Membranfiltration zwangsläufig auftretende Konzentrationspolarisation durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit der über die Membran fließenden Lösung vermindert werden kann. Dem sind jedoch durch steinenden Druckverlust und entsprechend steigenden Energieaufwand Grenzen gesetzt. Außerdem kann dadurch die Entstehung von Ablagerungen oft nicht mit Sicherheit verhindert werden. ^ϊ;

Bekannt ist ferner, daß durch periodisch durchgeführte Spülprozesse mit ausgewählten Reinigungsmitteln die auf den Membranen abgelagerten Stoffe entfernt werden können, so daß die Anfangskapazität der Anlage wieder kurzzeitig erreicht wird. Spülprozesse vermindern jedoch die technolo·

liehe Kosten für Chemikalien. Es entstehen Probleme hinsichtlich der Verwendung des beim Spülen anfallenden PiI-trats und der restlichen Spülmittellösung nach Beendigung des Spülens. Schließlich steigt der Bedienungsaufwand .·".. ·'

Bekannt ist auch der Einsatz von Reinigungskörpern für die Beseitigung bzw. Verhinderung von Ablagerungen auf der Membran. Dieses Verfahren muß jedoch auf Apparate mit rohrförmigen Membranen beschränkt bleiben, die v;iederum andere Nachteile aufweisen.

Weiterhin ist bekannt, daß durch eine gründliche Vorbehandlung Ablagerungen weitgehend vermeidbar sind. Diese Vorbehandlung ist jedoch meist sehr auf v/endig und erhöht die Gesamtkosten des Verfahrens. Bekannt wurde, in einigen speziellen Pällen die Zuordnung solcher Stofftrennverfahren zur Membranfiltration, die den selektiven Entzug vorhandener und entstehender Partikel aus dem Membranfiltrationskreislauf erlauben.

Speziell betrifft das einmal die Einschaltung eines Schwerkraftabscheiders in den Lösungsstrom, dessen Wirksamkeit jedoch oft zu gering ist und zum anderen die Ausnutzung des Restdruckes der Lösung, die die Membrantrenneinheit verläßt, zum Betreiben eines Ejektors mit anschließender Flotation, die aber nur die Abscheidung der Partikel gewährleistet, die nicht in der Trenneinheit haftengeblieben sind (US-P. 3917526).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, die einen effektiveren und bei der Behandlung realer Lösungen stabilen Betrieb der Membranfiltration ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Membranfiltration und die Vorrichtung zu deren Durchführung zu schaffen, durch das die Konzentrationspolarisation re-

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duziert, die Entstehung von Ablagerungen verhindert, vorhandene Ablagerungen entfernt und vorhandene bzw. entstehende Partikel aus der Lösung entfernt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Be schickungsstrom vor Eintritt in die Pumpe, spätestens jedoch vor Eintritt in die Membrantrenneinheit, ein Gasstrom zugeführt wird und daß der mit dem Gas vermischte Beschickungsstrom nach dem Verlassen der Membrantrenneinheit auf Umgebungsdruck entspannt wird.

Die Zufuhr des Beschickungsstromes zur Trenneinheit erfolgt mit erhöhtem Druck, dadurch erfolgt teilweise eine Absorption des zugeführten Gases, zum größten Teil jedoch eine Adsorption an'die in der Lösung vorhandenen oder im Gefolge des Lösungsmittelentzuges entstehenden Partikel. Das nicht adsorbierte oder absorbierte Gas und die beim Druckabfall längs des Strömungsweges wieder desorbierenden Gasblasen führen zum örtlichen Abreißen der Grenzschicht und damit zur Reduzierung der Konzentrationspolarisation gegenüber der einfachen Membranfiltration.

Nach Verlassen der Trenneinheit wird der Lösungsstrom auf Umgebungsdruck entspannt, dadurch wächst nochmals das Volumen der an den Partikeln anhaftenden Gasblasen, so daß diese in geeigneten nachgeschalteten Trennapparaturen als Schaum abgezogen v/erden können. Als Trennapparaturen können an sich bekannte Flotationsbecken, insbesondere deren Beruhigungs- und Schaumabstreifeinrichtungen, verwendet werden.

Eine Verbesserung des Verfahrens wird erreicht, indem der mit dem Gas^vermisehte, komprimierte Beschickungsstrom vor Eintritt in die Membrantrenneinheit bereitsteilweise entspannt wird, da so die enthaltenen Partikel bereits vor dem Kontakt mit der Membran von Gasbläschen umgeben sind und dadurch nicht auf der Membran abgelagert werden können. Ursache dafür ist, daß Oberflächenspannung der Flüssigkeit, Porenradius, Größe der Luftbläschen und Betriebsdruck nach der teilweisen Entspannung in einem solchen Verhältnis stehen, daß die Luftbläschen nicht durch die Poren.der Membran abgesaugt werden können.

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Diese Druckreduzierung erfolgt zum Teil bereits durch den Druckverlust auf dem Strömungsweg bis zur Trenneinheit ohne zusätzliche Drosselarmatur. Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, den Beschickungsstrom periodisch für kurze Zeit zu unterbrechen. Dadurch bilden sich an Partikeln, die bereits auf der Membran abgelagert wurden bzw. dort entstanden sind, Gasblasen, so daß ein Ablösen von der Membranoberfl'äche erfolgt. Durch den anschließend wieder einsetzenden. Beschickungsstrom werden diese mit Luftbläschen umgebenen Partikel weggespült.

Pur besondere Fälle besteht eine Erweiterung des Verfahrens in der Zugabe oberflächenaktiver Stoffe zur Lösung. Sie kommt bei Lösungen mit ungenügender Schaumstabilität und ungünstiger Partikelbeschaffenheit in Präge.

Erfindungsgemäß besteht eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus einem vorzugsweise in der Saugleitung der Pumpe angeordneten Gasansaugstutzen mit Durchsatzregelung bzw. einem-Schnüffelventil an der Pumpe oder einer Zuführung für Druckgas im Druckstutzen der Pumpe, einem Drosselorgan, z.B. einem Drosselventil vor der Trenneinheit, eines der Trenneinheit nachgeordneten an sich bekannten Trennapparates sowie einem durch Zeitrelais gesteuerten zusätzlichen Aus- und Einschalter für den Pumpenmotor.

Beim Betrieb der Pumpe saugt diese gleichzeitig Lösung und Gas in einem regelbaren Verhältnis an, durchmischt beides intensiv und bringt das Gemisch auf den im Druckstutzen herrschenden Druck. Die Reibungsverluste und das Drosselventil vor der Membrantrenneinheit sorgen für eine teilweise Entspannung des Beschickungsstromes. Die der Trenneinheit nachgeschaltete Entspannungseinrichtung gewährleistet den Druckaufbau in der Trenneinheit und nach Verlassen der Trenneinheit die Entspannung der Lösung auf Umgebungsdruck. Die dem Entspannungsventil nachgeschaltete Trennapparatur ermöglicht das Aufschwimmen der von Luftbläschen umgebenen Partikel und deren Entfernung aus der Lösung mit dem Schaum.

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Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen an Hand der zugehörigen Zeichnungen, welche die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigen, erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: die Vorrichtung mit Zeitrelais zum periodischen

Ausschalten; Fig. 2: die Vorrichtung mit einem zweiten Gasansaugstutzen mit Magnetventil.

Eine bekannte Anwendung der Membranfiltration ist die Behandlung ölhaltiger Abwasser aus der Metallbearbeitung, die neben emulgierten Öl größere Mengen an Verunreinigungen enthalten wie Schleifstaub, .Sand, Grafit, Schmutz, Metallspäne. Deshalb sind die Konzentrationspolarisation, die Ablagerungen auf den Membranen und die Abnahme der Filtrationsleistung mit zunehmender Konzentration besonders gravierend.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Abwasser nach der ersten Ausführungsform aus dem Vorratsbehälter 1 von der Pumpe 2 angesaugt. Über den Gasansaugstutzen mit dem Regelventil 3 erfolgt eine Zumischung von Luft 4 zum Beschickungsstrom 1. Die Luft wird in der Pumpe 2 intensiv mit dem Beschickungsstrom 1 vermischt und gemeinsam mit diesem auf den in der Druckleitung 5 vor der Membrantrenneinheit 7 herrschenden Druck verdichtet. Dabei erfolgt entsprechend den Gleichgewichtsbedingungen vorwiegend eine Adsorption von Luft an die Oberfläche der Partikel und größere, bereits koagulierter Öltröpfchen* Bei der Passage der Druckreduzierung 6 erfolgt eine teilweise Entspannung des mit Luft vermischten und komprimierten Beschickungsstromes vor Eintritt in die Membrantrenneinheit 7. Dadurch werden die Partikel mit Gasbläschen umgeben, so daß deren Ablagerung auf den Membranen unmöglich wird. In der Membrantrenneinheit 7 wird dem Abwasser das ölfreie Filtrat 8 entzogen. Nach Passieren der Membrantrenneinheit erfolgt die Entspannung des Beschickungsstromes an der Druckreduzierung 6 und die Einleitung in die Beruhigungs- und Schaumabstreifkammer 10.

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Bei der Entspannung vergrößert sich das Volumen der Luftbläschen nochmals, so daß die mit ihnen verbundenen Partikel rasch aufschwimmen und als stark ölhaltiger Schaum 11 abgezogen werden können. Durch die ständige Entfernung der ursprünglich kolloidal verteilten Inhaltsstoffe der verbrauchten Emulsion arbeitet das Verfahren kontinuierlich. Das Zeitrelais 12 in der Stromversorgung des Pumpenmotors 13 sorgt für kurzzeitige Unterbrechungen der Stromzuführung in festgelegten Zeitabständen. Durch das nahezu schlagartige Absinken des Betriebsdruckes auf den Umgebungsdruck werden auf der Membran abgeschiedene oder gebildete Partikel durch die entsprechenden Gasbläschen von der Membran entfernt und beim erneuten Einsetzen des Beschickungsstromes aus der Trenneinhfeit ausgetragen.

Natürlich treten die gleichen positiven Wirkungen bei der Anwendung des Verfahrens mit anderen Abwässern oder Produktlösungen auf. Durch Einsatz keimfreier inerter Gase anstelle von Luft kann die Anwendung des Verfahrens auch in der Lebensmittelindustrie oder der pharmazeutischen Industrie erfolgen.

In einer zweiten Ausführungsform erfolgt eine Abwandlung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in der Weise, daß ein zweiter Gasansaugstutzen 14 in die Saugleitung der Pumpe 2 eingebunden wird, der durch ein Magnetventil 15 verschlossen ist und daß ein Zeitrelais 16 zum periodischen kurzzeitigen Öffnen des Magnetventils 15 eingesetzt wird, während das Zeitrelais 12 in der Stromversorgung des Pumpenmotors 13 entfällt. Während der kurzzeitigen öffnung des Magnetventils 15 wird die angesaugte Gasmenge so groß, daß die Flüssigkeitssäule in der Pumpensaugleitung abreißt und erst nach Schließen des Magnetventils 15 'wieder angesaugt wird. Es erfolgt dadurch ebenfalls eine Unterbrechung des Beschickungsstromes 1, ohne daß durch häufige Ein- und Ausschaltvorgänge ungünstige Belastungsverhältnisse in der Pumpe auftreten.

Claims

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Erfindungsanspruch.

1.' Verfahren zur Menibranfiltration mit Zugabe eines Gases zum Beschickungsstrom vor und Entspannung des Beschickungsstromes nach der Membrantrenneinheit sowie Passage einer Trennapparatur, gekennzeichnet dadurch, daß die Entspannung vor der Einführung des Beschickungsstromes in die vorzugsweise unter Umgebungsdruck arbeitende Trennapparatur erfolgt und mit Hilfe der Trennapparatur Schaum abgetrennt und als Produkt abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Beschickungsstrom mit oberflächenaktiven Stoffen versetzt wird.
3. Verfahren nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Beschickungsstrom vor Eintritt in die Membrantrenneinheit teilweise entspannt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Punkten 1-3, bestehend aus einem Vorratsbehälter, einer Pumpensaugleit ung mit Gasansaugstutzen und Regelventil, einer Pumpe, einer Druckleitung, einer Membrantrenneinheit, einer Trennapparatur sowie einer Rücklaufleitung von der Trennapparatur zum Vorratsbehälter, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennapparatur als vorzugsweise unter umgebungsdruck arbeitende Beruhigungs- und Schaumabstreifkammer (10) ausgebildet ist, die einen Ablauf für Schaum (11) nach außen aufweist, während der Anschluß der Rücklaufleitung (17) von der Trennapparatur zum Vorratsbehälter (.1) in der Klarwasserzone der Trennapparatur vorgesehen ist und in der Druckleitung (5) vor der Membrantrenneinheit (7) eine Druckreduzierung (6) und nach der Membrantrenneinheit unmittelbar vor der Trennapparatur (10) eine weitere Druckreduzierung (.9) angeordnet ist. .
5. Vorrichtung nach den Punkten 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein zusätzlicher,durch Magnetventil (.15) verschließbarer Gasansaugstutzen (14) in der Saugleitung der Pumpe (2) angeordnet ist, wobei ein Magnetventil (15) durch ein Zeitrelais (16) öffnet.

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