DE10149293A1 - Adsorption-Cross-Flow-Filtrationsverfahren - Google Patents

Adsorption-Cross-Flow-Filtrationsverfahren

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von in flüssigen Medien gelösten und/oder ungelösten Stoffen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in geeigneter Weise ein Membranfilterationsverfahren mit einem Adsorptionsverfahren kombiniert wird. Die Durchfluss- und Reinigungsleistung wird damit um ein Vielfaches verbessert, wodurch eine kompakte und leichte Anlage ermöglicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von in flüssigen Medien gelösten und/oder ungelösten Stoffen. Es soll somit zur Reinigung dieser Medien, insbesondere zur Reinigung von Wasser dienen.
  • Zur Reinigung von Abwasser und Grauwasser muss dieses von darin gelösten und/oder ungelösten Stoffen befreit werden, um entweder wiederverwendet oder in natürliche Wassersysteme zurückgeführt werden zu können. Nach dem Stand der Technik sind dazu die verschiedensten Filterverfahren oder sonstige Methoden zur Entfernung von insbesondere gelösten Stoffen bekannt. Dazu zählen die Membranfiltrationsverfahren und Adsorptionsverfahren an verschiedenen Adsorbentien.
  • Besondere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Reinigungssysteme werden dann gestellt, wenn es auf einen geringen Frischwasserverbrauch sowie gleichzeitig auf eine hygienisch einwandfreie Wasserqualität ankommt. Hier sind insbesondere Wassersysteme betroffen, die nur über ein begrenztes Kontingent an Frischwasser verfügen, wie beispielsweise in Flugzeugen, Raumstationen und dergleichen mehr.
  • Für die oben genannten Anwendungen haben Membranfiltrationsverfahren gegenüber den Adsorptionsverfahren den Vorteil längerer Wartungsintervalle. Unter den Membranfiltrationsverfahren wird insbesondere die Umkehrosmose als geeignet beschrieben. Die Umkehrosmoseverfahren erfordern jedoch einen Betriebsdruck von mindestens 6 bar, der mittels einer Pumpe erzeugt wird. Die Membranen müssen im Abstand von wenigen Minuten mit dem Permeat und täglich mit Reiniger gespült werden. Zur Speicherung des Reinigers wird ein Tank und für die Förderung eine weitere Pumpe benötigt. Eine Umkehrosmoseanlage ist aufgrund des erforderlichen Druckes und des geringen Volumendurchsatzes pro Membranfläche vergleichsweise schwer und wartungsintensiv.
  • Aus diesen Gründen wird für Anwendungen, bei denen ein niedriges Gewicht ausschlaggebend ist, meist ein Adsorptions- und/oder Ionenaustauscherverfahren, zum Beispiel an Aktivkohle oder Kunstharzträgern, zur Reinigung des Wassers verwendet. Rezirkulationsduschen, die auf diesem Verfahren beruhen, sind zur Zeit in einigen Privat- oder Geschäftsflugzeugen im Einsatz und verwenden Festbettfilter. Das sind sogenannte "Filterkartuschen", die jedoch nach 5 bis 20 Benutzungen erschöpft sind und ausgetauscht werden müssen. Um den richtigen Zeitpunkt für den Filteraustausch genau bestimmen zu können, muss die Qualität des aufbereiteten Wassers überwacht oder die Menge und der Verschmutzungsgrad des zulaufenden Wassers genau bekannt sein.
  • Die nach dem Stand der Technik bisher bekannten Verfahren erfüllen demzufolge nur unzureichend bzw. nur zum Teil die Aufgaben, die an ein effizient arbeitendes Reinigungssystem für insbesondere solche Einheiten gestellt werden müssen, in denen eine vorgegebene und konstante Menge Wasser im Kreislauf geführt wird. Diese Aufgaben sind eine hohe Filtratleistung und damit verbunden eine Reduzierung der notwendigen Membranoberfläche auf einen Bruchteil des Üblichen und damit verbunden geringe Apparatekosten sowie Baugröße und Gewicht der Anlagen. Demnach betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abtrennung von in flüssigen Medien gelösten und/oder ungelösten Stoffen, bei dem in einer Aufbereitungsanlage ein Adsorptionsverfahren und eine Cross-Flow-Filtration (CFF) kombiniert werden, wobei das Adsorptionsverfahren und die Cross-Flow- Filtration in dieser Reihenfolge nacheinander oder simultan derart durchgeführt werden, dass das Adsorptionsmittel die Filtermembran(en) zusammen mit dem flüssigen Medium überströmt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Adsorptions- und Filtrationsverfahren wird eine überraschend hohe Filtratleistung und damit verbunden eine Reduzierung der notwendigen Membranoberfläche auf einen Bruchteil des bisher üblichen erreicht. Dadurch werden die Apparatekosten, Baugröße sowie das Gewicht der Anlage vermindert. Die hohe Filtratleistung wird infolge einer kontinuierlichen Selbstreinigung, welche darüber hinaus über die zudosierte Adsorbensmenge steuerbar ist, aufrechterhalten. Aufgrund dessen können lange Wartungsintervalle realisiert werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Danach ist es verfahrenstechnisch vorteilhaft, der zu reinigenden Flüssigkeit ein pulverförmiges Adsorptionsmittel zuzusetzen, das vor oder in die Filtrationseinheit chargenweise eingebracht wird. Das Adsorptionsmittel bewirkt einerseits eine Reinigung der Membran, so dass eine zusätzliche chemische Reinigung der Membran entweder nicht erforderlich oder doch zumindest reduziert ist.
  • Darüber hinaus werden gelöste und ungelöste Stoffe durch die Adsorption am pulverförmigen Adsorbens gebunden und im nachfolgenden oder simultan verlaufenden Filtrationsschritt zusammen mit diesem abgetrennt.
  • Die Reinigungsleistung kann durch Wahl und Menge des verwendeten Adsorbens dem Wassertyp angepasst werden. Vorteilhafterweise wird das Adsorptionsmittel aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Aktivkohlen, Aluminiumoxiden, Kieselgelen, Rußen und/oder Zeolithen besteht. Bevorzugt wird als Adsorbens pulverförmige Aktivkohle. Es können aber auch andere Produkte, wie sie in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, zum Beispiel Bentonit in der Wein- und Fruchtsaftaufbereitung, verwendet werden. Zur gezielten Entfernung ionischer Wasserinhaltsstoffe, zum Beispiel Salze und ionische Tenside, können darüber hinaus auch Ionenaustauschermaterialien in geeigneter Form eingesetzt werden. Die Adsorptionsmittel können vorzugsweise direkt oder in konfektionierter Form, einzeln oder kombiniert, dem Reinigungssystem zugegeben werden.
  • Das beladene, pulverförmige Adsorbens lässt sich mittels der Cross-Flow-Filtration mit einer Membran-Porenweite bis zu 200 nm sicher abtrennen. Die Durchflussleistung wird durch Zugabe des Adsorbens gegenüber der reinen Filtration deutlich erhöht. Wird eine gleichzeitige Desinfektion des Wassers gefordert, müssen Inhaltsstoffe bis auf 10 nm sicher abgetrennt werden können. Es ist daher vorteilhaft, für die Filtermembran der Cross-Flow-Anlage eine Porenweite von zwischen 10 und 200 nm auszuwählen. Werden hohe hygienische Ansprüche an das aufbereitete Wasser bzw. flüssige Medium gestellt, ist vorzugsweise eine Porenweite von 10 nm zu wählen.
  • Von den möglichen, nach dem Stand der Technik bekannten Cross- Flow-Filtrationsverfahren wird die Rotationsfiltration mit einem geeigneten Filtermaterial, beispielsweise keramische Membranfilterscheiben der Firma "KERAFOL", bevorzugt. Beim Rotationsfiltrationsverfahren rotieren die scheibenförmigen Membranfilter auf einer Hohlwelle. Das Permeat, d. h. das aufbereitete Wasser, wird durch die Hohlwelle abgezogen. Die Filter werden aufgrund der Rotation parallel zur Oberfläche überströmt. Diese Überströmung der Membranfilter muss bei herkömmlichen Cross-Flow-Filtrationsverfahren durch eine zusätzliche Pumpe erzeugt werden, die Platz erfordert. Bei der Rotationsfiltration führt die hohe Überströmgeschwindigkeit der Membranen zu einem außergewöhnlich hohen Permeatflux.
  • Im Rahmen einer Studie wurde die Rotations-Filtration mit 60 nm -Membranen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das eine Kombination der Rotationsfiltration mit dem Adsorptionsverfahren darstellt, verglichen. Es wurden folgende Werte ermittelt:


  • Durchflussleistung, Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff sowie chemischer Sauerstoffbedarf sind gegenüber dem normalen Rotationsfiltrationsverfahren deutlich besser. Auch ist der Betriebsdruck von 2 bis 4 bar im Vergleich zur Umkehrosmose (6 bis 30 bar) relativ niedrig. Das Anlagengewicht aber wird vor allem vom Betriebsdruck und der benötigten Filterfläche bestimmt. Eine Erhöhung der Durchflussleistung um das 2,5-fache bedeutet eine Reduzierung der erforderlichen Membranoberfläche um das 2,5-fache.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
  • Fig. 1 eine Brauchwasseraufbereitungsanlage (welche ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist) zeigt, wie sie beispielsweise in Flugzeugen oder Raumstationen verwendet werden kann;
  • Fig. 2 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Adsorption-Cross- Flow-Filtrationsverfahrens mit vorgeschalteter Adsorption und
  • Fig. 3 den gleichen Ablauf mit simultaner Adsorption veranschaulicht.
  • Die Fig. 1 zeigt insbesondere eine Duschkabine 1 mit Duschwasserarmatur 2 und einem Duschkopf 3. Zu Beginn des Duschvorganges wird die Anlage über das Ventil 4 einmalig befüllt. Während des Duschvorganges wird das benutzte Duschwasser, auch als Grauwasser bezeichnet, in der Duschtasse gesammelt, durch die Rohrleitung 5 aus der Duschkabine abgezogen und mit der Pumpe 6 kontinuierlich in die Adsorption-Cross-Flow-Anlage 7 gefördert. Ein Zuteiler 8 dosiert dabei das pulverförmige Adsorptionsmittel zu. Das von den im Grauwasser gelösten und ungelösten Stoffen gereinigte Filtrat wird anschließend nach Passieren der Duschwasserarmatur 2 in eine Desinfektionsanlage 9 geleitet, in welcher Viren und andere Keime, beispielsweise durch UV-Bestrahlung oder katalytische Photooxidation, abgetötet werden. Nach Passieren der Temperiervorrichtung 10 wird das regenerierte Wasser dann durch die Rohrleitung 11 erneut dem Duschkopf 3 zugeführt. Nach Beendigung des Duschvorganges wird die Anlage über das Ventil 12 komplett entleert, wobei mit dem Abwasser auch das in der Adsorption-Cross-Flow-Anlage angesammelte, beladene Adsorptionsmittel entfernt wird. Die Steuereinheit 13 steuert die Frischwassereinspeisung vor und die Anlagenentleerung nach dem Duschvorgang. Während des Duschbetriebs kontrolliert sie den Füllstand, den Wasserdurchfluss, die Wassertemperatur und die Adsorptionsmittelzugabe, sowie den Betrieb der Pumpe, der Adsorption-Cross-Flow-Anlage, der Desinfektionsanlage und der Temperiervorrichtung sowie die gesamte Reinigungsleistung kontinuierlich.
  • Mit dieser Anlage ist es möglich, den Frischwasserverbrauch pro Person auf 20 bis 30 Liter Wasser zu begrenzen, das während des Duschens kontinuierlich aufbereitet wird.
  • Für den Fachmann ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Adsorption-Cross-Flow-Filtrationsverfahren (ACFF-Verfahren) neben der Anwendung zur Grauwasser-Aufbereitung in Flugzeugen oder Raumstationen in vielen weiteren mobilen und stationären Bereichen einsetzbar ist, in denen ein sparsamer Wasserbrauch entscheidend ist, wie beispielsweise in Wohnmobilen, Reisebussen, Zügen oder Schiffen bzw. in autarken Gebäuden. Darüber hinaus ist das Verfahren auch in anderen Bereichen anwendbar, in denen es Stoffe zu trennen und Medien zu reinigen gibt. Dazu gehören die Papier-, Lebensmittel-, Textil-, Pharma- und Biotechnologie aber auch Verfahren im Bereich des Umweltschutzes oder der Metallverarbeitung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Abtrennung von in flüssigen Medien gelösten und/oder ungelösten Stoffen, bei dem in einer Aufbereitungsanlage Adsorptions- und Cross-Flow-Filtration kombiniert werden, wobei das Adsorptionsverfahren und die Cross- Flow-Filtration in dieser Reihenfolge nacheinander oder simultan derart durchgeführt werden, dass das verwendete Adsorptionsmittel die Filtermembranen zusammen mit dem flüssigen Medium überströmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man ein pulverförmiges Adsorptionsmittel einsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen pulverförmigen Ionenaustauscher einsetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man ein pulverförmiges Adsorptionsmittel und einen pulverförmigen Ionenaustauscher gleichzeitig einsetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aktivkohlen, Aluminiumoxiden, Kieselgelen, Rußen und/oder Zeolithen besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Cross-Flow-Filtermembran eine Porenweite zwischen 5 und 200 nm aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtermembran zur Desinfektion eine Porenweite von maximal 10 nm aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Cross-Flow-Filtration nach dem Prinzip der Rotationsfiltration durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Druck zwischen 2 bis 4 bar durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium zu dessen Regenerierung über die Filtereinheit rezirkuliert wird.
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