DE10045226B4

DE10045226B4 - Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter kapillarförmiger Membranen, insbesondere für die Ultrafiltration

Info

Publication number: DE10045226B4
Application number: DE10045226A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Voßenkaul; Stefan Dr. Schäfer
Original assignee: Puron AG
Current assignee: Koch Membrane Systems GmbH
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: WO2002022243A3; AU2002210460A1; WO2002022243A2; DE10045226A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter kapillarförmiger Membranen, bei dem ein Gewebeschlauch (1) mit einer Polymerlösung beschichtet und durch ein Fällungsbad (6) geführt wird, wobei in dem Fällungsbad (6) eine Umwandlung der Polymerlösung in eine mikroporöse Schicht erfolgt und eine durch den Gewebeschlauch verstärkte Membran gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Polymerlösung beschichtete Gewebeschlauch (1) das Fällungsbad (6) ohne mechanische Berührung von oben nach unten durchläuft und durch eine unterseitige Düse (7) austritt, wobei aus der Düse (7) Flüssigkeit ausströmt, welche eine den Lauf des beschichteten Gewebeschlauches stabilisierende Zugkraft auf die das Fällungsbad verlassende Kapillarmembran (8) ausübt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter kapillarförmiger Membranen, insbesondere für die Ultrafiltration, bei dem ein Gewebeschlauch mit einer Polymerlösung beschichtet und durch ein Fällungsbad geführt wird, wobei in dem Fällungsbad eine Umwandlung der Polymerlösung in eine mikroporöse Schicht erfolgt und eine durch den Gewebeschlauch verstärkte Membran gebildet wird.

Bei einem aus US 4 061 821 bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht, wird ein mit einer Polymerlösung beschichteter Gewebeschlauch durch ein Fällungsbad gezogen, wobei der Gewebeschlauch im Fällungsbad an Umlenkrollen geführt ist. Die empfindliche Oberfläche des beschichteten Gewebeschlauches wird durch die Berührung an den Umlenkrollen beschädigt. Insbesondere werden Mikroporen in der Außenhaut der Membran, die im Fällungsbad durch Phaseninversion der Polymerlösung entstehen, durch die mechanische Berührung und Umlenkung des Gewebeschlauches zerstört. Zur Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen ist das bekannte Verfahren ungeeignet. Mit dem Verfahren lassen sich allenfalls Mikrofiltrationsmembranen herstellen, die offenere Poren und eine wesentlich weichere Struktur aufweisen als Ultrafiltrationsmembranen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter kapillarförmiger Membranen so auszubilden, dass die Membranoberfläche im Fällungsbad keinen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mit der Polymerlösung beschichtete Gewebeschlauch das Fällungsbad ohne mechanische Berührung von oben nach unten durchläuft und durch eine unterseitige Düse austritt, wobei aus der Düse Flüssigkeit ausströmt, welche eine den Lauf des beschichteten Gewebeschlauches stabilisierende Zugkraft auf die das Fällungsbad verlassende Kapillarmembran ausübt. Die Kapillarmembran wird in der Düse durch die ringförmig um die Membran abströmende Flüssigkeit zentriert. Die Flüssigkeit übt dabei auf die Membran eine in Vorschub gerichtete Kraft aus, die es ermöglicht, dass die Membran mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit das Fällungsbad durchläuft. Die Zugkraft ist durch die Strömungsgeschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit aus der Düse abströmt, steuerbar.

Eine Vorschubeinrichtung, welche die semipermeable Membranschicht der Kapillarmembranen erfasst, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, so dass Beschädigungen der empfindlichen Membranschicht ausgeschlossen sind. Vorzugsweise wird der Gewebeschlauch mittels eines regelbaren Vorschubantriebes von einer Vorratsrolle abgezogen und einer in Transportrichtung hinter dem Vorschubantrieb angeordneten Einrichtung zur Beschichtung des Gewebeschlauches zugeführt. Die Geschwindigkeit, mit der der Gewebeschlauch durch das nachgeschaltete Fällungsbad geführt wird, ist durch den Vorschubantrieb steuerbar. Die mit dem Vorschub verbundene mechanische Berührung erfolgt, bevor der Gewebeschlauch mit der Polymerlösung beschichtet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft der mit der Polymerlösung beschichtete Gewebeschlauch ein vertikal angeordnetes Rohr, welches das Fällungsbad enthält und an seinem unteren Ende eine düsenförmige Verjüngung aufweist.

Im Fällungsbad wird das in einem Lösungsmittel gelöste Polymer der Beschichtung in einen Feststoff überführt, wobei das Lösungsmittel in das Fällungsbad übergeht und dabei Mikroporen im Polymer hinterlässt. Eine Anreicherung des Lösungsmittels im Fällungsbad beeinträchtigt die auf dem Gebiet der Membranherstellung auch als Phaseninversion bezeichnete Fällung. Daneben müssen während des Fällungsvorganges vorgegebene Temperaturen eingehalten werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird dem Rohr Fällungsmittel in einer Aufgabemenge zugeführt, die so bemessen ist, dass im Fällungsbad Grenzwerte für die Temperatur und/oder die zulässige Lösungsmittelkonzentration eingehalten werden, wobei lediglich ein Teilstrom des dem Rohr zugeführten Fällungsmittels durch die düsenförmige Verjüngung am unteren Ende des Rohres ausströmt und der andere Teil des zugeführten Fällungsmittels aus dem Rohr an anderer Stelle abgezogen wird. Das Fällungsmittel kann beispielsweise an einem unteren Rohrabschnitt zugeführt werden, wobei am oberen Ende des Rohres ein Überlauf abgezogen wird.

Die das Fällungsbad verlassende Kapillarmembran kann ohne Berührung der Membranoberfläche zur weiteren Konditionierung einem Nachfällungsbad zugeführt werden, das unterhalb des Fällungsbades angeordnet ist. Zweckmäßig wird die Kapillarmembran bereits nach Verlassen des Fällungsbades auf Länge geschnitten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch ohne weiteres möglich, Kapillarmembranen herzustellen, die nur an einem Ende offen und an dem anderen Ende geschlossen sind. Die Herstellung dieses Membrantyps erfolgt auf einfache Weise dadurch, dass der Gewebeschlauch vor seiner Beschichtung oder nach Verlassen des Fällungsbades in vorgegebenen Abschnitten verschlossen wird und dass der das Fällungsbad verlassende Membranschlauch so auf Maß geschnitten wird, dass Kapillarmembranen mit jeweils einem offenen und einem geschlossenen Ende entstehen. Der Gewebeschlauch kann durch thermisches Schweißen oder Ultraschallschweißung verschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit des Verschließens besteht darin, dass eine Polymerlösung in den Gewebeschlauch injiziert wird, die im Fällungsbad und/oder einem Nachfällungsbad einen festen Pfropf bildet.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Verfahrensschema zur Herstellung gewebeverstärkter kapillarförmiger Membranen, insbesondere für die Ultrafiltration. Ultrafiltrationsmembranen sind mikroporöse Filtermedien, deren Poren derart klein sind, dass sie eine Barriere nicht nur für Partikel jeglicher Art und Form, sondern auch für sämtliche Mikroorganismen, d.h. Bakterien, Parasiten und Viren darstellen. Die aktive Schicht der Membranen, auch semipermeable Schicht genannt, besteht aus organischen Polymeren, z.B. Polysulfon, Polyethylen, Polypropylen und dergleichen. Die Membranen besitzen in aller Regel einen Außendurchmesser von weniger als 5 mm und werden als Kapillarmembranen, häufig auch als Hohlfasermembranen, bezeichnet. Bevorzugt ist ein Durchmesserbereich zwischen 0,5 und 3 mm.
Bei dem in der Figur dargestellten Verfahren wird ein Gewebeschlauch 1 mittels eines regelbaren Vorschubantriebes 2 von einer Vorratsrolle 3 abgezogen und einer in Transportrichtung hinter dem Vorschubantrieb 2 angeordneten Einrichtung 4 zur Beschichtung des Gewebeschlauches zugeführt. Als Gewebeschlauch 1 sind Produkte einsetzbar, die aus der Herstellung von Kabelummantelungen bekannt und als Massenprodukt verfügbar sind. Nach der außenseitigen Beschichtung mit einer Polymerlösung 5 wird der beschichtete Gewebeschlauch durch ein Fällungsbad 6 geführt, in dem eine Umwandlung der Polymerlösung in eine mikroporöse Membranschicht erfolgt und eine durch den Gewebeschlauch 1 verstärkte Membran gebildet wird. Der Gewebeschlauch 1 durchläuft das Fällungsbad 6 ohne mechanische Berührung von oben nach unten und tritt durch eine unterseitige Düse 7 aus. Aus der Düse 7 strömt auch Flüssigkeit aus, die eine den Lauf des beschichteten Gewebeschlauches stabilisierende Zugkraft auf die das Fällungsbad verlassende Kapillarmembran 8 ausübt. Die aus der Düse 7 abströmende Flüssigkeit bewirkt einen geraden Lauf des Gewebeschlauches 1 im Fällungsbad 6 ohne mechanische Berührung und ohne Umlenkungen.
Das Fällungsbad 6 ist in einem vertikalen Rohr 9 angeordnet, das an seinem unteren Ende eine die Düse 7 bildende Verjüngung aufweist. Das Fällungsmittel, zumeist Wasser, wird beispielsweise an einem unteren Rohrabschnitt 10 zugeführt, wobei lediglich ein Teilstrom durch die düsenförmige Verjüngung 7 am unteren Ende des Rohres 9 ausströmt und am oberen Ende des Rohres 9 ein Überlauf 11 abgezogen wird. Die Aufgabemenge ist so bemessen, dass im Fällungsbad 6 Grenzwerte für die Temperatur und/oder die zulässige Lösungsmittelkonzentration eingehalten werden und insofern ein ausreichender Austausch des Fällungsmittels gewährleistet ist.
Die das Fällungsbad 6 verlassende Kapillarmembran 8 wird ohne Berührung der Membranoberfläche zur weiteren Konditionierung einem Nachfällungsbad 12, z.B einem Wasserbad, zugeführt. Dabei kann sie durch eine zwischen dem Fällungsbad 6 und dem Wasserbad 12 angeordnete Schneideeinrichtung 13 auf Länge geschnitten werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, Kapillarmembranen herzustellen, die an einem Ende offen und an ihrem anderen Ende geschlossen sind. Zur Herstellung einseitig offener Kapillarmembranen wird der Gewebeschlauch 1 vor seiner Beschichtung oder nach Verlassen den Fällungsbades 6 in vorgegebenen Abschnitten z.B. mittels einer Ultraschallschweißeinrichtung 14 verschlossen und wird der das Fällungsbad 6 verlassende Membranschlauch so auf Maß geschnitten, dass Kapillarmembranen mit jeweils einem offenen und einem geschlossenen Ende entstehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur kapillarförmige Membranen für die Ultrafiltration, sondern ohne weiteres auch für andere Membrantrennverfahren, z.B. die Mikrofiltration, Nanofiltration und dergleichen, hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter kapillarförmiger Membranen, bei dem ein Gewebeschlauch (1) mit einer Polymerlösung beschichtet und durch ein Fällungsbad (6) geführt wird, wobei in dem Fällungsbad (6) eine Umwandlung der Polymerlösung in eine mikroporöse Schicht erfolgt und eine durch den Gewebeschlauch verstärkte Membran gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Polymerlösung beschichtete Gewebeschlauch (1) das Fällungsbad (6) ohne mechanische Berührung von oben nach unten durchläuft und durch eine unterseitige Düse (7) austritt, wobei aus der Düse (7) Flüssigkeit ausströmt, welche eine den Lauf des beschichteten Gewebeschlauches stabilisierende Zugkraft auf die das Fällungsbad verlassende Kapillarmembran (8) ausübt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebeschlauch (1) mittels eines regelbaren Vorschubantriebes (2) von einer Vorratsrolle (3) abgezogen und einer in Transportrichtung hinter dem Vorschubantrieb (3) angeordneten Einrichtung (4) zur Beschichtung des Gewebeschlauches zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Polymerlösung beschichtete Gewebeschlauch ein vertikal angeordnetes Rohr (9) durchläuft, welches das Fällungsbad (6) enthält und an seinem unteren Ende eine düsenförmige Verjüngung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rohr Fällungsmittel in einer Aufgabemenge zugeführt wird, die so bemessen ist, dass im Fällungsbad (6) Grenzwerte für die Temperatur und/oder die zulässige Lösungsmittelkonzentration eingehalten werden, wobei lediglich ein Teilstrom des dem Rohr (9) zugeführten Fällungsmittels durch die düsenförmige Verjüngung am unteren Ende des Rohres ausströmt und der andere Teil des zugeführten Fällungsmittels aus dem Rohr an anderer Stelle (11) abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fällungsmittel an einem unteren Rohrabschnitt (10) zugeführt und am oberen Ende des Rohres ein Überlauf (11) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die das Fällungsbad (6) verlassende Kapillarmembran (8) ohne mechanische Berührung der Membranoberfläche zur weiteren Konditionierung einem Nachfällungsbad (12) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarmembran (8) nach Verlassen des Fällungsbades (6) auf Länge geschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebeschlauch (1) vor seiner Beschichtung oder nach Verlassen des Fällungsbades (6) in vorgegebenen Abständen verschlossen wird und dass der das Fällungsbad (6) verlassende Membranschlauch so auf Maß geschnitten wird, dass Kapillarmembranen mit jeweils einem offenen und einem geschlossenen Ende entstehen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebeschlauch (1) durch thermisches Verschweißen oder Ultraschallschweißung verschlossen wird oder dass zu diesem Zwecke eine Polymerlösung in den Gewebeschlauch (1) injiziert wird, die im Fällungsbad (6) und/oder einem Nachfällungsbad (12) einen festen Pfropf bildet.