DE10118243A1 - Verfahren, Anordnungen, Werkstoffe und Anwendungen von Hybrid-Filtermodulen ausoffen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten mit besonderen Funktionseigenschaften - Google Patents
Verfahren, Anordnungen, Werkstoffe und Anwendungen von Hybrid-Filtermodulen ausoffen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten mit besonderen FunktionseigenschaftenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren, Anordnungen, Werkstoffe und Anwendungen von Hybrid-
Filtermodulen aus offen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und
gasförmigen Membranschichten erzeugt durch Wasserelektrolyse mit besonderen
Funktionseigenschaften.
Bei der Mikro- und Ultrafiltration unterscheidet man zwischen der herkömmlichen
organischen Polymerwerkstoffen und den anorganischen Werkstoffen, die sich zunehmend
etablieren. Zu der erstgenannten Gruppe zählen z. B. Polymere wie Polypropylen,
Polytetrafluorethylen, Polyamid, Polysulfon oder Celluloseacetat. Nachteil dieser Membranen
ist, daß ihr Einsatz nur innerhalb bestimmter pH-Werte (1-13) und bis zu Temperaturen von
ca. 130°C möglich ist. Keramische Membranen zeichnen sich durch gute chemische
Resistenz, Hochtemperaturbeständigkeit, hohe Druckfestigkeit und Steifigkeit sowie sehr gute
Verschleißresistenz im Vergleich zu polymeren Membranen, so daß eine lange Lebensdauer
bei hoher Beanspruchung erwartet werden kann.
In Hinblick auf die Struktur können anorganische Membranen mit symmetrischem und
asymmetrischem Aufbau unterschieden werden. Während Membranen aus Metall oder Glas
herstellungsbedingt einen symmetrischen Aufbau zeigen, ist die überwiegende Zahl der
keramischen Membranen asymmetrisch, (poröser Trägerkörper mit selektiver
Membranschicht), aufgebaut. Der Trägerkörper sorgt für die erforderliche mechanische
Stabilität der Membran und bietet dem Transmembranfluß keinen Widerstand während durch
die wesentlich feinporösere selektive Membranschicht die Trenngrenze eingestellt wird.
Zwischen der Porenstruktur des Trägerkörpers und der selektiven Schicht kann ein gradierter
Übergang vorliegen.
Durch Elektolyse läßt sich Wasser in seine Bestandteile zerlegen, wobei sich in der Kathode
Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff im Vol.-Verhältnis 2 : 1 abscheiden. Photochemisch
läßt sich Wasser durch sehr kurzwellige Ultraviolettstrahlung in H2 und O2 spalten.
In der PCT/GB95/02334 und in der GB 2160545 werden spezielle Filtersysteme aus
metallischen elektrisch leitenden Substraten in Kombination mit porösen
Titanoxidmembranen feinerer Porosität zusammengesetzt, so daß durch elektrolytisch
hervorgerufene Wasserstoffblasen der entstehende Filterkuchen aufgelockert und/oder
gesprengt und das Filtersystem regeneriert wird.
Erfindungsgemäß besteht das Hybrid-Filtermodul aus porösen organischen oder
anorganischen festen porösen Substratelektroden mit einem Porositätsbereich von 20 Vol.-%
bis 80 Vol.-% und mit Porendurchmessern von 1 µm bis 2000 µm, die zur Filtration
beitragen. Als selektive Membranschichten werden erfindungsgemäß gasförmige
Membranschichten aus elektrolytisch erzeugten, an und/oder in den Substratelektroden
anhaftenden Gasblasen erzeugt. Diese anhaftenden Gasblasen zwischen 0,020 µm bis 1500 µm
wirken wie ein Vorhang, wie eine selektive Barriere. Die Wirkungsmechanismen die zur
Filtration beitragen, beruhen auf der Größe der Blasen (mechanischer Vorhang) und/oder auf
der Oberflächenladung der Blasen (elektrischer Vorhang) und/oder auf den chemischen und
physikalischen Eigenschaften der Blasen (chemischer/physikalischer Vorhang). Die Größe
der elektrolytisch erzeugten Blasen, die Dicke der gasförmigen Membranschicht und die
Haftung der Blasen an den Substratelektroden ist
- - von der Porenstruktur,
- - dem Porositätsniveau,
- - der elektrischen Leitfähigkeit,
- - der Oberflächentopographie und
- - der chemischen Oberflächenbechaffenheit (hydrophob oder hydrophil) der Substratelektroden,
- - von der Größe der angelegten Spannung und
- - von der Viskosität,
- - dem pH-Wert
- - der Temperatur,
- - dem Druck und
- - der elektrischen Leitfähigkeit des zum filtrierenden Mediums abhängig.
Organische und/oder anorganische Zuschlagstoffe, die bei der Schlickeraufbereitung oder bei
der Flotation eingesetzt werden, wie z. B. Verflüssiger, Schäumer, Binder, können zur
Filtration zusätzlich beitragen. Einerseits kann durch diesen Einsatz die Stabilität der Blasen
erhöht werden, andererseits kann durch ihre Zugabe in bestimmten pH-Bereichen ein
gelartiger Zustand des wäßrigen Mediums an der Oberfläche der Substarelektroden erzeugt
werden.
Im Falle von keramischen offen porösen Substratelektroden werden als
Formgebungsverfahren der Schlickerguß, der Folienguß, aber auch das Strangpressen oder
istostatische Pressen herangezogen.
Im Falle der erfindungsgemäßen Hybrid-Filtermodule für die Ultrafiltration können auch
Schlickersuspensionen, die über die Sol-Gel-Route erhalten werden, Verwendung finden. Das
Sol-Gel Verfahren ist eine Methode um eine möglichst feinporöse keramische Schicht zu
produzieren. Bei diesem Prozeß dienen organische Ester bzw. Alkoholate als
Ausgangsmaterial (Precursor), die dann hydrolysiert und kondensiert werden. Dadurch
entsteht ein sehr feinkörniges Gel, das sehr zum Sintern geeignet ist. Die grundlegende
Partikelgröße liegt, je nach System- und Prozeßbedingungen zwischen 3-15 nm und diese
Partikel formen Agglomerate von 5-1000 nm. Die Weiterverarbeitung des Schlickers ist
möglich mittels Slip-casting (Schlickergußes), Tape-casting (Foliengußes) oder Dip-coating
(Eintauchen). Dieser feinkörniger Schlicker kann auf die porösen Substratelektroden
aufgebracht werden und in Kombination mit dem Gasblasenfilm zur selektiven Filtration
beitragen. Durch die Kapillarkräfte der porösen Substratelektroden kommt es an der
Grenzfläche zu einer Sedimentation und Aufkonzentrierung der feinen Feststoffpartikeln, die
nach der Verfestigung durch Sintern die selektive Membranschicht unterstützen.
Erfindungsgemäß können die Ausgangsporengrößen der Substratelektroden anhand von
integrierten Membranschichten durch Teilschließung der Poren oberhalb der mittleren
Porengröße der Substratelektroden mit Zuschlagpulvern oder mit einer elektrochemischen
Abscheidung metallischer oder keramischer oder kohlenstoffhaltiger oder organischer
(leitfähige Kunststoffe) Natur entsprechend optimiert werden.
Eine weitere Möglichkeit eine unterstützende selektive Schicht zu produzieren oder die
Rauhigkeit zu modifizieren ist die anodische Oxidation, bei der z. B. schlauchförmige Poren
entstehen können. Eine Seite einer Metallfolie, z. B. aus Al oder Eisen oder Stahl, wird
anodisch mit einer sauren Elektrolytlösung oxidiert. Dabei entsteht eine homogene
Porenstruktur, wobei die Porengröße durch die Höhe der angelegten Spannung und durch die
Art des Säurebads festgelegt wird. Der nicht oxidierte Teil der Folie wird anschließend mit
einer Säure weggeätzt. Die resultierende Struktur besteht aus konischern Poren im rechten
Winkel zur Membranoberfläche. Eine Behandlung mit heißem Wasser oder einer Base kann
die Porengröße der Membran einseitig verringern, so daß auf diese Weise eine asymmetrische
Membran hergestellt werden kann. Lineare Porenstrukturen oder Änderungen der Rauhigkeit
lassen sich außerdem erzeugen, indem man eine dünne Materialschicht mit energiegeladenen
Teilchen von einer radioaktiven Quelle beschießt. Diese Teilchen hinterlassen eine Spur, die
in Schussrichtung empfindlicher auf Ätzende Lösungen reagieren als der Rest des Materials.
So können gerade, gleichförmige Poren in die Membran geätzt werden. Dieses Verfahren
wurde zur Herstellung organischer sowie anorganischer Membranen angewandt. Sehr kleine
Poren (< 2,5 nm) können durch Pyrolyse hergestellt werden.
Die Wahl des Werkstoffes ist von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängig. So
unterscheiden sich diese in chemischer und thermischer Stabilität, in Gewicht, in elektrischen
und thermischen Eigenschaften und nicht zuletzt im Preis. Beherrscht wird das Feld der
konventionellen keramischen Membranen bisher von Oxidkeramiken (Alumiumoxid,
Titanoxid, Zirkonoxid).
Für die erfindungsgemäßen Hybrid-Filtermodule können als Substratelektroden poröse
leitfähige Elektroden auf der Basis von elektrisch leitfähigen Metallen (z. B. rostfreier Stahl,
Aluminium, Kupfer usw.), leitfähigen Kunststoffen oder leitfähigen Keramiken (siehe weiter)
oder Mischungen davon (z. B. Si infiltriertes SiC) mit einer Mindestleitfähigkeit von 10-3 S/cm
und Porendurchmesser von 1 bis 2000 µm eingesetzt werden. Als Keramiken kommen SiC,
TiC, TiN, TiB2, BN, MoSi2, AlN, ZrB2, Graphit, Kohlenstoff, Gläser mit
Halbleitereigenschaften, Gläser mit photochemischen Eigenschaften oder Mischungen davon
in Frage. Zur Steuerung des elektrischen Widerstandes und/oder der Porosität und/oder der
Rauhigkeit können auch Oxide, z. B. Al2O3, ZrO2, CaO, MgO, SiO2, MgO, Y2O3 oder
Mischungen davon eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß werden keramische poröse elektrisch leitfähige Substratelektroden
bevorzugt, da sie eine schlechtere Auflösung in wasserelektrolytischen Bädern im Vergleich
zu Metallen oder zu Kunststoffen aufweisen.
Die Bauweisen der erfindungsgemäßen Hybrid-Filtermodule können in unterschiedlichen
Geometrien hergestellt werden z. B. als Monokanal-Rohr, als Mehrkanal-Monolith bzw.
Wabenkörper-Monolith und als Scheibe. Für die Mehrzahl industrieller Anwendungen
werden Monokanal-Rohre bzw. Rohrbündel aus Monokanal-Rohren und vornehmlich
monolithische Mehrkanalstrukturen mit 7 oder 19 Kanälen je Element vorgeschlagen. Dabei
kann das Verfahren der Querstromfiltration angewendet werden. Schließlich können weitere
Konzepte umgesetzt werden, bei denen ein Modul aus Flachmembranen aufgebaut ist, die
Filtertaschen bzw. Membrankissen bilden. Der dabei erreichbare Vorteil ist neben einer
Erhöhung der Packungsdichte eine Verringerung des Energiebedarfs.
Erfindungsgemäß können die Hybrid-Filtermodule auch in Form von Festbettzellen-
Bauweisen angeordnet werden. Unter elektrochemischen Festbettzellen sind Elektrolysezellen
zu verstehen, in denen anstelle planarer Elektroden Schüttungen aus leitfähigen Materialien
verwendet werden. Die Zelle besteht aus einem rechteckigen Strömungskanal, in den ein
Platinnetz als Strömungsführung (Zufluß-Elektrode, Feeder-Elektrode) eingelassen ist. In
diesem Platinnetz liegt die Partikel-Schüttung, oberhalb dieser Schüttung ist die
Gegenelektrode. Das Bett wird von unten nach oben vom Elektrolyten durchströmt. Strom -
und Elektrolytflußrichtung sind parallel. Für technische Umsetzungen ist eine Zelle mit
gekreuztem Ladungs- und Stoffstrom geeigneter. Schon zu Verhinderung eines Kurzschlusses
ist hier die Verwendung eines Diafragmas oder ein Membran sinnvoll. Dies hat zur Folge, daß
zwei Elektrolyträume entstehen mit der Möglichkeit, als Katholyt sowie Anolyt verschiedene
Elektrolyte einzusetzen.
Bei einer optimalen Auslegung einer Elektrolysezelle aus planaren Elektroden oder aus
Festbettelektroden können
- - Poren oder Festbettpartikel mit unterschiedlichen Durchmesser in Strömungsrichtung eingesetzt werden,
- - die Tiefe (oder Breite) der planaren Elektroden oder der Festbettelektroden kann in Strömungsrichtung zunehmen und
- - bei mehrstufigen Anlagen können die einzelnen Stufen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten gefahren werden.
Zusätzlich kann abhängig von der Konzentration des wäßrigen Mediums,
- - bei hohen Konzentzrationsbereichen eine Planarelektrode,
- - bei mittleren eine Elektrode in Form einer Schaumstruktur und
- - bei geringen Konzentrationsbereichen Granulate in Form von Festbettelektroden vom Vorteil sein ("Neue Verfahren der Abwasserbehandlung", E. Langefeld und K. J. Müller, ISBN 3-7890-5299-X, 1998).
Verfahrens- und reaktionstechnische Beziehungen, wie sie aus dem Gebiet der technischen
Chemie bekannt sind, können auf elektrochemische Planar-, Festbett- und Wirbelbettzellen
angewendet werden und liefern brauchbare Näherungsformeln.
Die für eine Wasserelektrolyse benötigten positiven und negativen Substratelektroden
können aus dem gleichem anorganischen und/oder organischen Werkstoff oder aus
unterschiedlichen anorganischen und/oder organischen Werkstoffen bestehen. Im Falle einer
keramischen Substratelektrode in Form eines Rohres, kann die zweite Elektrode aus porösen
oder dichten Metallen und/oder Keramiken bestehen, die entweder im Rohr oder außerhalb
des Rohres positioniert wird. Im Falle einer Wabenkörper-Anordnung in einem wäßrigen
Medium können poröse, elektrisch isolierende Werkstoffe den Stromkreis zwischen der
positiven und der negativen Substratelektrode unterbrechen und zwangsläufig beim Anlegen
einer Spannung eine Wasserelektrolyse hervorrufen.
Im Vergleich zu polymeren Ultra- oder Mikrofiltrationsmembranen weisen anorganische
Membranen und insbesondere die erfindungsgemäßen Hybrid-Filtermodule mit keramischen
offen porösen elektrisch leitenden Substratelektroden in Abhängigkeit von dem jeweils
gewählten Werkstoff die folgenden Vorteile auf.
Eine Filtration von Medien ist über dem gesamten pH-Wert Bereich von pH 0-14 möglich.
Neben der Spannbreite zulässiger Feed-Medien ist die Reinigung der Membranen mit einer
großen Zahl an Lösungsmitteln, alkalischen und sauren Reinigungsmitteln und Detergenzien
möglich. Im Bereich der Lebensmittelindustrie ist so z. B. eine Reinigung von Membranen mit
Natriumhypochlorid möglich.
Die Anwendung von Membranverfahren bei Einsatz von Polymermembranen ist bei
bestimmten verfahrenstechnischen Prozessen unwirtschaftlich, da das Prozeßmedium vor dem
Filtrationsvorgang auf eine für die Membran zulässige Temperatur abgekühlt und nachher
eventuell wieder aufgeheizt werden muß. Eine Filtration mit anorganischen Membranen kann
dagegen bei Prozeßtemperaturen vorgenommen werden. Weiterhin ist eine
Membranreinigung mittels Dampfsterilisation bei Temperaturen größer 100°C möglich.
Zumeist ist nicht die Membran sondern das Dichtungsmaterial als temperaturbegrenzendes
Kriterium anzusehen.
Druckstöße und -differenzen haben keinen Einfluß auf die Membranstruktur, sie sind auch bei
hohen Drücken formstabil. Die Säuberung der Membranen ist mittels Rückspülung möglich.
Je nach Verschmutzungsgrad wird der für die Abreinigung notwendige Rückspüldruck neben
der Membran auch durch die Auslegung des Systems (Gehäuse, Dichtungen etc.) begrenzt.
Im Falle keramischer Membranen schützt die hohe strukturelle Festigkeit sowie die
materialspezifische Härte die Membran gegen eine Verletzung durch scharfkantige Partikel
im Feed. Die Betriebssicherheit ist damit weitgehend unabhängig von der Art der
Partikelverschmutzung.
Anorganische Membranen zeigen im Gegensatz zu organischen Membranen keine merklichen
Alterungserscheinungen. Sie ermöglichen einen wartungsarmen Betrieb und eine hohe
Lebensdauer. Bei Austrocknung kommt es nicht zu einer Zerstörung der Membran.
Keramische Membranen zeigen eine hohe Resistenz gegen biologische Stoffe und einen
Angriff durch Mikroorganismen. Werkstoffbedingt liegt eine gute Lebensmittelverträglichkeit
und Bioinertheit vor. Dadurch ist eine Nutzung für verschiedene Anwendungen u. a. in der
Nahrungsmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie möglich.
Bestimmte Proteinlösungen neigen an der hydrophilen Oberfläche von oxidkeramischen
Membranen nur in geringem Maße zu Fouling. Neben der geringen Neigung zur
Proteinadsorption kann die hydrophile Oberfläche auch z. B. bei der Öl-Wasser-
Emulsionstrennung positiv genutzt werden.
Darüber hinaus wird beim Einsatz der erfindungsgemäßen Hybrid-Filtermodule bei
verschiedenen Anwendungen eine im Vergleich zu konventionellen Polymer- und
Keramikmembranen hohe Permeatleistung erzielt. Das höhere Porositätsniveau der
Mikroporen der offen porösen keramischen Substratelektroden führt im Vergleich zu den
handelsüblichen keramischen Membranen nicht nur zu geringeren Investionskosten, sondern
auch zu kleineren Gegendrücken (beim Filtrieren und bei der Rückspülung) und übt einen
positiven Einfluß auf den Kuchenaufbau, auf die Prozeßparameter und die
Abscheidegeschwindigkeit (m3 Permeat/(m2 h)) aus.
Die erfindungsgemäßen Hybridfiltermodule nach einer der Ansprüche 1 bis 28 können in den
folgenden Anwendungen verwendet werden.
Im Bereich der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie Beispiele sind:
- - Anreicherung von Proteinen,
- - Aufkonzentrierung von pasteurisierter entrahmter Milch und Vollmilch,
- - Klärung von Fruchtsäften und Wein.
Ein weiteres großes Anwendungsfeld ist der Bereich der Filtration, Spaltung oder
Aufkonzentrierung flüssiger Medien aus Umweltschutzgründen und zur Rückgewinnung von
Wertstoffen. Aufgrund zunehmend sich verschärfender Auflagen im Umweltschutzsektor ist
dieser Markt im Wachstum begriffen. Beispiele für Anwendungsgebiete sind u. a.:
- - Standzeitverlängerung von Entfettungsbädern und alkalischen Reinigungsbädern,
- - Bäderaufbereitung in der Galvanik,
- - Aufbereitung von Kühlschmierstoff-, Bohr-, Schleif und Schneidölemulsionen etc.,
- - Aufbereitung von Altemulsionen und Waschwässern z. B. bei der Teilebehandlung oder -reinigung in der KFZ-Industrie,
- - Rückgewinnung von Beizmitteln in der Textilindustrie,
- - Abscheidung von Färbstoffen aus Abwässern der Textil- und Papierindustrie,
- - Vorbehandlung von Deponiesickerwässern.
Zukunftsorietierte Anwendungen konzentrieren sich in der Biotechnologie, in der Biomedizin
und in der Pharmazie. Insbesondere in der Bioverfahrenstechnik können mittels der örtlichen
Speisung von wasserelektrolytisch erzeugtem reinem Sauerstoff oder Wasserstoff aerobe oder
anaerobe Mikroorganismen auf der Oberfläche oder in den Wänden der porösen
Substratelektroden immobilisiert werden. Die Stromzuführung kann auch positive
Nebeneffekte hervorrufen, wie z. B. eine erhöhte Produktion der Mikroorganismen aufgrund
von Mikroorganismen-Stress-Effekten. Zusätzlich können Sauerstoffblasen als selektive
Barriere für anaerobe Mikroorganismen eingesetzt werden. Andererseits wirken
Wasserstoffblasen als selektive Barriere für aerobe Mikroorganismen. Bei der
Mikroorganismen-Abtrennung, der Gewinnung wertvoller Fermentations-Produkte wie
Proteinen und Antibiotika oder der Plasmaseparation können die erfindungsgemäßen Hybrid-
Filtermodulen hinsichtlich der Selektivität, einer örtlich gesteuerten Produktion und der
Investitionskosten deutliche Vorteile zeigen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet schließt den Einsatz der erfindungsgemäßen Hybrid-
Filtermodulen in Wasserkläranlagen mit ein. Dies wird näher mit einem Beispiel der
erfindergemäßen Effekte erläutert. Materialwissenschaftlich stellen sich für die
Membrantechnik der Abwasserklärung zwei Aufgaben dar. Zum einen muß, wie bei jeder
Filtration, eine möglichst enge Porenverteilung bei maximaler Gesamtporosität und
ausreichenden mechanischen Eigenschaften erzielt werden, zum anderen soll der Werkstoff
und die Bauform das Foiling minimieren und eine leichte Reinigung ermöglichen. Da
bisherige keramische Bauformen für sich betrachtet im spezifischen Herstellungspreis
(bezogen auf die Filterfläche) schwerlich konkurrenzfähig für Wasserkläranlagen werden
können, wird in dieser Erfindung ein Weg aufgezeigt, der zu einer effizienten Betriebsweise
(Qualität, Ökonomie und Ökologie) und konstengünstigeren Anlagekosten (keine
kostenintensiven, konventionellen Membranen mit Porengrößen kleiner 1 µm) führen kann.
Erfindungsgemäß werden für die Filtration leitfähige offen poröse keramische
Substratelektroden auf SiC-Basis mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 10-3 bis 50 S/cm,
mit einer Porengröße von 1 bis 150 µm und einer Porosität von 20 bis 80 Vol.-% eingesetzt.
Die Oberflächenrauhigkeit (Ra) liegt von 0,1 bis S00 µm und die Oberfläche kann gezielt
thermisch und/oder chemisch und/oder mechanisch modifiziert werden, so daß ein großer Teil
der elektrolytisch erzeugten Blasen anhaften und eine selektive Gasmembran - selektive
Barriere erzeugt wird. Durch eine angelegte Spannung größer 500 Millivolt (mV) wird eine
Wasserelektrolyse hervorgerufen. An der porösen Anode entstehen Sauerstoffblasen und an
der porösen Kathode Wasserstoffblasen. Die Größe dieser Blasen liegt zwischen 20 nm und 1 mm
und führen entweder zur Generierung eines anhaftenden Blasenfilms an den porösen
Substratelektroden mit ca. 10 bis 50 Vol.-% der erzeugten Blasen oder tragen zur
Regenerierung der Filtrationseinheit durch Auflockerung des Filterkuchens bei (ca. 30 bis 50 Vol.-%
der Blasen).
Die Porenstruktur, das Porositätsniveau, die Oberflächentopographie und die chemische
Oberflächenbeschaffenheit (hydrophob/hydrophil) der offen porösen Substrate und die Größe
der angelegten Spannung stellen die Steuerungsparameter der Blasenentstehung, der
Blasenstabilität und - größe, sowie die Anhaftbedingungen dar.
Weiterhin kann die Oberfläche keramischer Werkstoffe chemisch modifiziert werden. An
hydrophilen Oberflächen oxidkeramischer Werkstoffe wurde eine geringere Neigung der
Anlagerung verschiedener Proteine festgestellt. Eine mikroskopisch dünne Beschichtung von
Gläsern mit OSMOCERen schützt vor Belagbildung. Auch TiO2-Beschichtungen sind von
großem Interesse, da sie zur Bakterienfreien-Oberflächen führen. Keramische Werkstoffe auf
Basis von feinkristallinem Titandioxid besitzen eine photokatalytische Wirkung. In
japanischen Patenten (z. B. JP 08099041A vom 16.04.1996) wird die Herstellung dünner
Titanoxidschichten mit einheitlicher Porengröße zu Reinigung des Wassers von Bakterien
beschrieben. Zusätzlich kann das Wasser photochemisch in Kombination mit TiO2 und
Ultraviolettbestrahlung zersetzt werden. Photochemische Werkstoffe, z. B. TiO2 oder
photochemisches Glas oder photochemischer Kunststoff oder Mischungen davon können als
poröse Schicht auf die elektrisch leitende poröse Substratelektrode aufgetragen oder als
Werkstoffverbund in die Substratelektrode integriert werden, so daß die wasserelektrolytische
Zerlegung des Wasser in Wasserstoff und Sauerstoffblasen zusätzlich von einer
photochemischen Zerlegung unterstützt wird.
Zur Reinigung der Membranen von anorganischen und organischen Schmutzpartikeln und
angelagerten Bakterien im (Nano- und Mikrobereich) können neue ortige keramikbezogene
Mechanismen angewendet werden. Insbesondere die Kombination von mechanischen,
chemischen thermischen und elektrischen Effekten kann genutzt werden. Die
wasserelektrolytisch erzeugten Blasen können in ihrer Wirkung sowohl auf die Früh-/Mittel-
und Spätphase der Kuchenbildung als auch vor/während der konventionellen Rückspülung
wirken. Mit elektrisch leitfähigen Keramikmembranen ist prinzipiell auch eine
thermische/elektrische Reinigung möglich. Diese Prozedur kann einen "wie neu Effekt"
bewirken, um mit einem einmaligen Einsatz die Lebensdauer zu verdoppeln.
Claims (28)
1. Hybrid-Filtermodule aus offen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden mit
einem Porositätsbereich von 20 Vol.-% bis 80 Vol.-% und mit Porendurchmessern von 1 µm
bis 2000 µm dadurch gekennzeichnet, daß die anhaftenden mittels der Wasserelektrolyse an
und/oder in den Substratelektroden erzeugten Gasblasen zwischen 0,020 µm bis 1500 µm
gasförmige Membranschichten bilden und mit mechanischen und/oder chemischen und/oder
elektrischen Wirkungsmechanismen zur Filtration beitragen.
2. Nach Anspruch 1 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen elektrisch leitfähigen festen
Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch gekennzeichnet, daß die
Größe der Gasblasen mit oder ohne Kombination von unterschiedlichen Schichten von
Blasengrößen zu den Wirkungsmechanismen der Filtration beitragen.
3. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die chemischen Eigenschaften der Gasblasen zu den
Wirkungsmechanismen der Filtration beitragen.
4. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrischen Oberflächenladungen der Gasblasen zu den
Wirkungsmechanismen der Filtration beitragen.
5. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Größe der elektrolytisch erzeugten Blasen, die Dicke der
gasförmigen Membranschicht und die Haftung der Blasen an den Substratelektroden abhängig
ist von der Porenstruktur, dem Porositätsniveau, der Oberflächentopographie, der elektrischen
Leitfähigkeit und der chemischen Oberflächenbechaffenheit der Substratelektroden; abhängig
ist von der Größe der angelegten Spannung und abhängig ist von der Viskosität, der
Temperatur, dem Druck, dem pH-Wert und der elektrischen Leitfähigkeit des zum
filtrierenden Mediums.
6. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß organische und/oder anorganische Zuschlagstoffe zur Filtration
beitragen.
7. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß organische und/oder anorganische Zuschlagstoffe die Stabilität der
Blasen erhöhen und/oder zu einem gelartigen Zustand des wäßrigen Mediums an der
Oberfläche der Substarelektroden führen und dementsprechend die Filtration unterstützen.
8. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Substratelektroden aus elektrisch leitfähigen Keramiken, aus
elektrisch leitfähigen Gläsern, aus elektrisch leitfähigen Metallen, aus elektrisch leitfähigen
Kunststoffen, oder Mischungen davon mit einer Mindestleitfähigkeit von 10-3 S/cm bestehen
können.
9. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Substratelektroden aus elektrisch leitfähigen Keramiken, aus
elektrisch leitfähigen Gläsern, aus elektrisch leitfähigen Metallen, aus elektrisch leitfähigen
Kunststoffen oder Mischungen davon eine Rauhigkeit (Ra) größer 0,1 µm zum Anhaften der
Gasblasen aufweisen müssen.
10. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die offen porösen keramischen Substratelektroden aus Siliziumkarbid
oder Bornitrid oder Molybdändisilizid oder Kohlenstoff oder Titannitrid oder
Aluminiumnitrid oder Titandiborid oder Zirkondiborid oder Graphit oder Kohlenstoff oder
Gläsern mit Halbleitereigenschaften oder photochemischen Gläsern oder Mischungen davon
mit/oder ohne oxidischen Keramiken zur Einstellung des elektrischen Widerstandes und/oder
der Porosität und/oder der Rauhigkeit bestehen können.
11. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß im Fall einer Wasserstoffmembranschicht aerobe Mikroorganismen
ausselektiert werden können.
12. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß im Fall einer Sauerstoffmembranschicht anaerobe Mikroorganismen
ausselektiert werden können.
13. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den Strömungsbedingungen aerobe,
sauerstoffverarbeitende Mikroorganismen an der Substratoberfläche und/oder in dem Substrat
mittels den anhaftenden und/oder den nicht anhaftenden Sauerstoffblasen immobilisiert
werden können.
14. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den Strömungsbedingungen anaerobe,
wasserstoffverarbeitende Mikroorganismen an der Substratoberfläche und/oder in dem
Substrat mittels den anhaftenden und/oder den nicht anhaftenden Wasserstoffblasen
immobilisiert werden können.
15. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die anhaftenden und/oder nicht anhaftenden Wasserelektrolyseblasen zur
Beeinflussung der Filterkuchenbildung herangezogen werden können.
16. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Regenerierung der Filtrationseinheit mittels der anhaftenden
und/oder der nicht anhaftenden Wasserelektrolyseblasen und/oder mittels Rückspülung
und/oder mittels einer Luftströmung und/oder mittels Ultraschallanregungen des
Substratelektroden unterstützt werden kann.
17. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangsporengrößen von Substratelektroden durch Teilschließung
der Poren oberhalb der mittleren Porengröße mit Zusatzpulvern oder mit einer
elektrochemischen Abscheidung metallischer und/oder keramischer und/oder
kohlenstoffhaltiger und/oder organischer Natur modifiziert werden können.
18. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß Titandioxid, Silber oder Kupfer als Beschichtung zur Erzielung
mikroorganismenfreien Substratelektroden eingesetzt werden können.
19. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß photoleitfähiges Titandioxid als Beschichtung zur Erzielung
mikroorganismenfreien Substratelektroden eingesetzt werden kann.
20. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschaffenheit der Substratelektroden mittels einer
mechanischen und/oder einer chemischen und/oder einer thermischen Behandlung angepaßt
werden kann.
21. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschaffenheit der Substratelektroden mittels
Silanisierung angepaßt werden kann.
22. Verwendung der nach dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21
hergestellten Hybrid-Filtermodule in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, in der
Filtration, Spaltung oder Aufkonzentrierung flüssiger Medien aus Umweltschutzgründen, in
den Rückgewinnungsanlagen von Wertstoffen, in der Biotechnologie, in der Biomedizin und
in der Pharmazie.
23. Verwendung der nach dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22
hergestellten Hybrid-Filtermodule in Wasserkläranlagen.
24. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die Substratelektroden in Form von Platten und/oder Rohren und/oder
Wabenkörpern und/oder Kugeln im Fall von Festbettreaktoren und/oder als Faserverbunde
mit parallelem oder gekreuztem Ladungs- und Stoffstrom angeordnet werden.
25. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 24 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß die für eine Wasserelektrolyse benötigten positiven und negativen
Substratelektroden aus dem gleichem anorganischen und/oder organischen Werkstoff oder aus
unterschiedlichen anorganischen und/oder organischen Werkstoffen bestehen können.
26. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß im Falle einer keramischen Substratelektrode in Form eines Rohres, die
zweite Elektrode aus porösen oder dichten Metallen und/oder Keramiken bestehen kann und
entweder im Rohr oder außerhalb des Rohres positioniert wird.
27. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß im Falle eines photochemischen Werkstoffs, aufgetragen als poröse
Schicht auf den elektrisch leitenden porösen Substratelektroden oder integriert in einem
Werkstoffverbund in den Substratelektroden, die wasserelektrolytische Zerlegung des
Wassers in Wasserstoff und Sauerstoffblasen zusätzlich von einer photochemischen
Zerlegung unterstützt werden kann.
28. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 27 Hybrid-Filtermodule aus offen porösen
elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten dadurch
gekennzeichnet, daß im Falle einer Modulreihe-Anordnung Bipolarzellen zum Einsatz
kommen, so daß alle Substratelektroden mit Ausnahme der endständigen Zuflußelektroden
auf einer Seite als Kathode, auf der anderen Seite als Anode arbeiten.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10118243A DE10118243A1 (de) | 2001-04-11 | 2001-04-11 | Verfahren, Anordnungen, Werkstoffe und Anwendungen von Hybrid-Filtermodulen ausoffen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten mit besonderen Funktionseigenschaften |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10118243A DE10118243A1 (de) | 2001-04-11 | 2001-04-11 | Verfahren, Anordnungen, Werkstoffe und Anwendungen von Hybrid-Filtermodulen ausoffen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten mit besonderen Funktionseigenschaften |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10118243A1 true DE10118243A1 (de) | 2002-10-31 |
Family
ID=7681328
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE10118243A Ceased DE10118243A1 (de) | 2001-04-11 | 2001-04-11 | Verfahren, Anordnungen, Werkstoffe und Anwendungen von Hybrid-Filtermodulen ausoffen porösen elektrisch leitfähigen festen Substratelektroden und gasförmigen Membranschichten mit besonderen Funktionseigenschaften |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10118243A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010049076A1 (de) * | 2010-10-20 | 2012-04-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Apparat zur Wasseraufbereitung mittels Filtration oder Membrantrennverfahren |
CN111345853A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-30 | 华中科技大学同济医学院附属协和医院 | 一种可采集咽拭子的取样棒及其制备方法 |
CN117531382A (zh) * | 2023-11-16 | 2024-02-09 | 大连海事大学 | 一种可反复撕拉重铸的复合导电膜的制备方法和应用 |
-
2001
- 2001-04-11 DE DE10118243A patent/DE10118243A1/de not_active Ceased
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010049076A1 (de) * | 2010-10-20 | 2012-04-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Apparat zur Wasseraufbereitung mittels Filtration oder Membrantrennverfahren |
CN111345853A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-30 | 华中科技大学同济医学院附属协和医院 | 一种可采集咽拭子的取样棒及其制备方法 |
CN111345853B (zh) * | 2020-03-06 | 2022-07-15 | 华中科技大学同济医学院附属协和医院 | 一种可采集咽拭子的取样棒及其制备方法 |
CN117531382A (zh) * | 2023-11-16 | 2024-02-09 | 大连海事大学 | 一种可反复撕拉重铸的复合导电膜的制备方法和应用 |
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