DE102006020662B4

DE102006020662B4 - Verfahren zum Reparieren von Leckagen in einem Hohlfasermembranmodul

Info

Publication number: DE102006020662B4
Application number: DE102006020662.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Riesop
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: Solventum Intellectual Properties Co
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2026-05-05
Also published as: DE102006020662A1

Abstract

Verfahren zum Reparieren von Leckagen in einer Anordnung von in einem Gehäuse eingebetteten Hohlfasermembranen mit jeweils mindestens einem geöffneten Ende, umfassend die Schritte Auffinden defekter Hohlfasermembranen, die eine Leckage verursachen, und Verschließen der defekten Hohlfasermembranen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der defekten Hohlfasermembranen durch Einpressen eines Stopfens in mindestens ein geöffnetes Ende einer jeden defekten Hohlfaser erfolgt, wobei der Stopfen eine Längsachse aufweist und entlang seiner Längsachse rotationssymmetrisch ist sowie entlang seiner Längsachse zumindest einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, und wobei der Durchmesser des Stopfens über den ersten Bereich kleiner ist als der Innendurchmesser der Hohlfaser und der zweite Bereich mindestens einen Unterbereich aufweist, in dem der Durchmesser des zylindrischen Stopfens zwischen dem Innendurchmesser der Hohlfaser und dem Außendurchmesser der Hohlfaser liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren von Leckagen in einem Hohlfasermembranmodul bzw. einer Anordnung von in einem Gehäuse eingebetteten Hohlfasermembranen.
Bei Membranmodulen auf Basis von Hohlfaser- bzw. Kapillarmembranen kommt es immer wieder zum Auftreten von Undichtigkeiten in einzelnen Kapillaren aufgrund von Fehlstellen oder Rissen in der Membranwand, die dazu führen, dass ein Teil des die Hohlfaserlumina durchströmenden Volumenstroms ungefiltert in den Außenraum um die Hohlfasern tritt.
Für den Einsatz solcher Module ist es daher unabdingbar, die undichten Hohlfasern z. B. bei einer Dichtigkeitsprüfung zu identifizieren und anschließend zu verschließen.
Das Verschließen der Hohlfasern erfolgt bisher vielfach mittels eines aushärtbaren Harzes, das man in die undichten Hohlfasern einfließen lässt. Anschließend wird eine erneute Dichtigkeitsprüfung vorgenommen. Eine solche Methode ist beispielsweise in der JP 2003093850 A beschrieben.
Das Einbringen eines aushärtbaren Harzes kann auch unter der Wirkung einer Zentrifugalkraft erfolgen, wie es die JP 6304456 A offenbart.
Eine weitere Möglichkeit zum Verschließen defekter Hohlfasern ist in der US 3,968,192 A offenbart. Die unmittelbare Umgebung der zu verschließenden Hohlfaser wird erhitzt und die entsprechende Hohlfaser wird unter Druck verschlossen.
US 4,248,648 A offenbart ein weiteres Verfahren zur Reparatur von Leckagen in Hohlfasermembranmoduln. Ein Ende des Hohfaserbündels wird dabei verschlossen, und am anderen Ende wird ein aushärtbares Harz vorgelegt, welches durch Anlegen eines permeatseitigen Unterdruckes nur in die Hohlfasern eindringt, die eine Leckage aufweisen. Nach dem Aushärten werden die an den Enden des Hohlfaserbündels vorhandenen Dichtmaterialien wieder abgeschnitten, wodurch die Lumina der unbeschädigten Hohlfasern wieder zugänglich werden, da in diese kein Harz eingedrungen ist.
Eine anderes Verfahren zur Reparatur von Leckagen in Hohlfasermembranmoduln ist in der WO 02/40140 A1 offenbart, wobei hier in die beschädigte Hohlfaser eine bestimmte Menge eines Harzes injiziert und unter Wirkung von UV Strahlung ausgehärtet wird. Dadurch bildet sich ein Stopfen in der Hohlfasermembran.
In der Summe sind diese Reparaturen sehr zeit- und damit auch kostenaufwändig. Problematischer noch ist die Behebung von Undichtigkeiten einzelner Hohlfasern, die während des Einsatzes der Membranmodule in Filtrationsanlagen auftreten, z. B. bei der Getränkefiltration oder bei der Wasseraufbereitung. Zur Zeit macht das Auftreten von Undichtigkeiten den Austausch des defekten Moduls erforderlich.
Eine Reparatur des defekten, bereits benutzten Moduls durch Verschließen der undichten Hohlfasern ist mittels der bekannten Methoden außerordentlich aufwändig, da der Modul feucht ist und darüber hinaus die Hohlfasern lumenseitig i. d. R. verschmutzt sind. Vor Verkleben der undichten Hohlfasern ist daher eine Reinigung und meistens auch eine Trocknung des Moduls notwendig. Aus diesen Gründen kann eine Reparatur des defekten Moduls nicht vor Ort durchgeführt werden.
Die WO 96/41676 A1 betrifft Filter, in denen Bündel von Hohlfasermembranen eingearbeitet sind, welche in rohrförmigen Trägern (tubular supports) befestigt sind. Eine rohrförmige Gehäuseaufnahme nimmt die rohrförmigen Träger auf. Das Gehäuse besitzt eine transparente Wand, um eine visuelle Detektion von Blasen im Permeat zu erlauben, welche durch die Wände der Hohlfasermembranen hindurchgetreten sind. Die Intaktheit der Hohlfasermembranen kann geprüft werden, ohne den Filter zu zerlegen, indem ein Gas, wie Luft, auf der Seite des Filters, die von der transparenten Gehäusewand abgewandt ist, unter einem Druck eingeleitet wird. Der Druck ist ausreichend hoch, um das Gas an Fehlstellen durch die Wände der Hohlfasermembranen hindurchzupressen. Im Falle von Fehlstellen in einzelnen Hohlfasermembranen kann jedoch nur der Durchfluss durch das gesamte Bündel der Hohlfasermembranen im betroffenen Rohrbündelfilter blockiert werden, indem mittels eines Stopfens die Einlass- bzw. Auslassöffnungen des betroffenen Rohrbündelfilters blockiert werden, Anschließend wird der defekte Rohrbündelfilter im Ganzen aus dem Filter entfernt und der defekte Rohrbündelfilter durch einen intakten Rohrbündelfilter ersetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest zu verringern und ein Verfahren zur Reparatur von Leckagen in einem Hohlfasermembranmodul bzw. einer Anordnung von in einem Gehäuse eingebetteten Hohlfasermembranen zur Verfügung zu stellen, das nicht nur bei der Modulherstellung, sondern auch direkt am Einsatzort der Moduln zum Einsatz kommen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Reparieren von Leckagen in einer Anordnung von in einem Gehäuse eingebetteten Hohlfasermembranen mit jeweils mindestens einem geöffneten Ende, umfassend die Schritte Auffinden defekter Hohlfasermembranen, die eine Leckage verursachen, und Verschließen der defekten Hohlfasermembranen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der defekten Hohlfasermembranen durch Einpressen eines Stopfens in mindestens ein geöffnetes Ende einer jeden defekten Hohlfaser erfolgt, wobei der Stopfen eine Längsachse aufweist und entlang seiner Längsachse rotationssymmetrisch ist sowie entlang seiner Längsachse zumindest einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, und wobei der Durchmesser des Stopfens über den ersten Bereich kleiner ist als der Innendurchmesser der Hohlfaser und der zweite Bereich mindestens einen Unterbereich aufweist, in dem der Durchmesser des zylindrischen Stopfens zwischen dem Innendurchmesser der Hohlfaser und dem Außendurchmesser der Hohlfaser liegt. Der Durchmesser des Stopfens darf den Außendurchmesser der Hohlfaser nicht überschreiten, da es dann zu Rissen im Einbettmaterial kommen kann. Die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Stopfen gewährleisten, dass die Hohlfasern sicher verschlossen werden und dass das Einbettmaterial zwischen den Hohlfasern nicht reißt und damit keine weiteren Undichtigkeiten entstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle Anordnungen von in einem Gehäuse eingebetteten Hohlfasermembranen, sowohl solche, die im dead-end Betrieb eingesetzt werden, als auch solche, die im cross-flow Betrieb eingesetzt werden. Die Hohlfasern können einseitig eingebettet oder beidseitig eingebettet vorliegen. Sie können an beiden Enden zugänglich oder einseitig verschlossen sein. Die Anordnung kann ein Hohlfaserbündel sein, übereinander gelegte Lagen von Hohlfasermatten oder eine gewickelte Matte bestehend aus Hohlfasern.
Das Verschließen der Hohlfasern erfolgt durch Einpressen eines Stopfens an mindestens einem oder an beiden Enden der Hohlfaser, wobei im Falle, dass beide Enden zugänglich sind, je nach Erfordernis in der Anwendung beide Enden oder nur ein Ende mit einem Stopfen verschlossen werden können. Im Falle des Einpressens nur eines Stopfens, obwohl beide Enden der Hohlfaser zugänglich sind, ist darauf zu achten, dass die Hohlfaser an ihrer Anströmseite verschlossen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für nahezu alle Filtrationsanwendungen bei denen Hohlfasern zum Einsatz kommen, z. B. für die Mikro-, Ultra- oder Nanofiltration, sowohl im Lebensmittelbereich, z. B. für die Wein- oder Fruchtsaftklärung, als auch in der Wasseraufbereitung oder Abwasserbehandlung sowie für medizinische Anwendungen, wie z. B. in der Dialyse, Apherese oder Blutoxygenation.
Der Durchmesser des Verschlussstopfens, der gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens in die defekte Hohlfaser eingepresst wird, ist an den Innendurchmesser der Hohlfasern und an deren Wandstärke bzw. Außendurchmesser angepasst. Der Stopfen wird vorteilhafterweise mittels eines geeigneten Werkzeugs mit einem Stempel in das Ende der undichten Kapillare eingebracht und eingepresst. Im einfachsten Fall ist der erste und der zweite Bereich des Stopfens zylindrisch, bzw. der erste Bereich kegelig und der zweite Bereich des Stopfens zylindrisch.
Das Verschließen der Hohlfasermembranen kann sowohl an der trockenen als auch an der mit Flüssigkeit benetzten Hohlfasermembran erfolgen. Der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Stopfen verschließt die Hohlfaser ausschließlich aufgrund der Einpressung. Eine Verklebung des Stopfens ist nicht notwendig.
Mittels der Verschlussstopfen können die undichten Kapillarmembranen auf einfache und schnelle Weise zuverlässig abgedichtet werden. Im Falle von durch ihren Einsatz nassen Modulen ist eine Trocknung der Hohlfasern nicht erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher eine Reparatur von Leckagen direkt vor Ort, wodurch ein Austausch eines defekten Moduls nicht mehr zwingend erforderlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Auffinden der Leckage durch Benetzung der Membranen mit einer Flüssigkeit und anschließender Beaufschlagung der Membran mit einem Druck unterhalb des Blaspunktdruckes. Die Druckbeaufschlagung erfolgt dabei an der Außenseite der Membran. Da ein Druck unterhalb des Glaspunktes angelegt wird, können defekte Hohlfasern leicht erkannt werden. Eine Blasenbildung bzw. ein Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Lumen der Hohlfasern ist dann nur bei solchen Hohlfasern zu beobachten, die einen Defekt aufweisen.
Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren poröse bzw. mikroporöse Membranen verschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Verschließen von sowohl hydrophoben als auch hydrophilen Membranen. Im Sinne einer sicheren und einfachen Durchführung der Reparatur vor Ort werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt solche Hohlfasermembranen verschlossen, die mit Wasser benetzbar sind.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Hohlfaser- oder Rohrmembranen unterschiedlichster Durchmesser verschlossen werden. Zu besonderen Vorteilen gegenüber Verfahren des Standes der Technik führt das erfindungsgemäße Verfahren aber bei Hohlfasermembranen mit relativ kleinem Durchmesser, da in diesen Fällen die Verfahren des Standes der Technik besonders schwierig durchzuführen sind. Daher werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Hohlfasermembranen mit einem Innendurchmesser zwischen 500 μm und 1800 μm und eine Wandstärke zwischen 100 und 500 μm verschlossen. Besonders bevorzugt liegt der Innendurchmesser der Hohlfasermembranen zwischen 500 und 1500 μm, bzw. zwischen 500 und 1000 μm und einer Wandstärke zwischen 100 und 350 μm.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in einer weiteren bevorzugten Ausführung dadurch aus, dass für den Durchmesser des Stopfens im ersten Bereich D_S1 folgende Beziehung gilt: 0,5ID_HF ≤ D_S1 ≤ 0,9ID_HF, wobei unter ID_HF der Innendurchmesser der Hohlfaser zu verstehen ist
Für den Durchmesser des Stopfens im zweiten Bereich D_S2 gilt bevorzugt folgende Beziehung: 1,05ID_HF ≤ D_S2 ≤ ID_HF + W_HF wobei unter ID_HF der Innendurchmesser der Hohlfaser und W_HF die Wandstärke der Hohlfaser zu verstehen ist.
Zur besseren Abdichtung weist der Stopfen in dem zweiten Bereich bevorzugt eine oder mehrere Erweiterungen oder Rippen auf, die sich in die Membranwand eindrücken. Besonders bevorzugt weist der zweite Bereich des Stopfens entlang seiner Längsachse mehrere Erweiterungen auf, wobei der maximale Durchmesser dieser Erweiterungen mit dem Abstand zum ersten Bereich des Stopfens zunimmt. Für den maximalen Durchmesser der Erweiterungen gilt dabei folgende Beziehung: ID_HF + W_HF ≤ D_ES ≤ AD_HF, wobei unter ID_HF der Innendurchmesser der Hohlfaser, AD_HF der Außendurchmesser der Hohlfaser, W_HF die Wandstärke der Hohlfaser und D_ES der Durchmesser der Erweiterungen an ihrer dicksten Stelle zu verstehen ist. Die Form der Erweiterung kann konisch sein, gewölbt, sigmoidal oder Mischformen aus diesen Formen aufweisen.
Die Länge des für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzenden Stopfens liegt zwischen 3ID_HF und 15ID_HF liegt, bevorzugt zwischen 5ID_HF und 10ID_HF.
Wie ausgeführt wurde, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet zum Verschließen von Hohlfasermembranen mit einem Innendurchmesser zwischen 500 μm und 1800 μm und einer Wandstärke zwischen 100 μm und 500 μm. Zur Durchführung solcher Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Verschlussstopfen für Hohlfasermembranen bestens geeignet, der eine Längsachse aufweist und entlang dieser Längsachse rotationssymmetrisch ist, wobei der Verschlussstopfen entlang seiner Längsachse einen ersten Bereich aufweist, in dem sein Durchmesser zwischen 400 μm und 1600 μm liegt und einen zweiten Bereich, in dem sein Durchmesser zwischen 500 μm und 2300 μm liegt, wobei der Durchmesser im ersten Bereich an jeder Stelle kleiner als der Durchmesser im zweiten Bereich ist und dass die Länge des Stopfens zwischen 2 mm und 20 mm liegt. Bevorzugt liegt der Durchmesser des Stopfens im ersten Bereich zwischen 400 μm und 1200 μm und im zweiten Bereich zwischen 800 μm und 1500 μm. Besonders bevorzugt liegt der Durchmesser des Stopfens im ersten Bereich zwischen 400 μm und 800 μm und im zweiten Bereich zwischen 800 μm und 1200 μm. Die Länge des erfindungsgemäß eingesetzten Stopfens liegt bevorzugt zwischen 2 mm und 8 mm.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Verschlussstopfen ist in einer bevorzugten Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich des Verschlussstopfens mindestens eine Erweiterung aufweist, die eine konische, gewölbte oder sigmoidale Form oder Mischformen daraus hat.
Besonders bevorzugt weist der zweite Bereich des Verschlussstopfens mehrere Erweiterungen auf, wobei der maximale Durchmesser dieser Erweiterungen mit dem Abstand zum ersten Bereich des Stopfens zunimmt. Die Anzahl der Erweiterungen liegt bevorzugt zwischen 2 und 6.
Stopfen, die mehrere Erweiterungen aufweisen, werden auch in der US 4 220 489 A offenbart. Die dortigen Stopfen sind stufenförmig aufgebaut, dienen jedoch nicht zum Verschließen einzelner defekter Hohlfasermembranen, sondern werden in das Ende von Bündeln helixförmig gewickelter Fasern mit einem konisch spitzzulaufenden Ende eingebaut.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Stopfen können aus Kunststoff gefertigt sein, z. B. aus Polypropylen, Polyethylen, Polycarbonat, Polyvinylidenfuorid, Polyetheretherketon oder Polytetrafluorethylen. Voraussetzung für den Einsatz der verschiedenen Materialien ist zum einen, dass sie für bestimmte Einsatzgebieten in der Lebensmitteltechnik oder Pharmazie zugelassen sind und dass sie beständig gegen die filtrierten Materialien und angewendeten Temperaturen sind. Vorzugsweise sind die Stopfen jedoch aus Edelstahl gefertigt.
Stopfen aus Kunststoff können im Spritzgußverfahren hergestellt werden. Werden die Stopfen aus Edelstahl gefertigt, können sie in einem Kaltformungsprozess hergestellt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen
1 – Werkzeug zum Einpressen eines Stopfens in ein geöffnetes Ende einer defekten Hohlfasermembran.
2 – Bevorzugte Ausführungsform eines für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzenden Stopfens
1 zeigt beispielhaft ein Werkzeug 1 mit dem das Einpressen eines Stopfens 2 in ein geöffnetes Ende einer defekten Hohlfasermembran nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann. Das Werkzeug 1 besteht aus einem beweglichen Kolben 3 in einer zylindrischen Hülse 4. Zum Einlegen des Stopfens 2 wird der bewegliche Kolben 3 zurückgezogen und der Stopfen 2 so eingelegt, dass der erste Bereich 5 des Stopfens zumindest teilweise über die zylindrische Hülse 4 des Werkzeuges 1 hinausragt. Nach Einführung des über die zylindrische Hülse 4 des Werkzeuges 1 hinausragenden ersten Bereiches 5 des Stopfens in die defekte Hohlfasermembran wird durch Ausüben eines Druckes auf den beweglichen Kolben 3 der Stopfen 2 in die Hohlfasermembran eingepresst.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzenden Stopfens 2. Der erste Bereich 5 des Stopfens ist hier zylindrisch ausgeführt und der zweite Bereich 6 weist vier konische Erweiterungen 7 auf. Die konischen Erweiterungen 7 zeichnen sich in dieser Ausführungsform dadurch aus, dass der maximale Durchmesser dieser Erweiterungen mit dem Abstand zum ersten Bereich 5 des Stopfens zunimmt.

Claims

Verfahren zum Reparieren von Leckagen in einer Anordnung von in einem Gehäuse eingebetteten Hohlfasermembranen mit jeweils mindestens einem geöffneten Ende, umfassend die Schritte Auffinden defekter Hohlfasermembranen, die eine Leckage verursachen, und Verschließen der defekten Hohlfasermembranen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der defekten Hohlfasermembranen durch Einpressen eines Stopfens in mindestens ein geöffnetes Ende einer jeden defekten Hohlfaser erfolgt, wobei der Stopfen eine Längsachse aufweist und entlang seiner Längsachse rotationssymmetrisch ist sowie entlang seiner Längsachse zumindest einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, und wobei der Durchmesser des Stopfens über den ersten Bereich kleiner ist als der Innendurchmesser der Hohlfaser und der zweite Bereich mindestens einen Unterbereich aufweist, in dem der Durchmesser des zylindrischen Stopfens zwischen dem Innendurchmesser der Hohlfaser und dem Außendurchmesser der Hohlfaser liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Auffinden der Leckage durch Benetzung der Membranen mit einer Flüssigkeit und anschließender Beaufschlagung der Membran mit einem Druck unterhalb des Blaspunktdruckes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen poröse bzw. mikroporöse Membranen sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen mit Wasser benetzbar sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen einen Innendurchmesser zwischen 500 μm und 1800 μm und eine Wandstärke zwischen 100 und 500 μm aufweisen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser des Stopfens im ersten Bereich D_S1 folgende Beziehung gilt: 0,5ID_HF ≤ D_S1 ≤ 0,9ID_HF, wobei unter ID_HF der Innendurchmesser der Hohlfaser zu verstehen ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser des Stopfens im zweiten Bereich D_S2 folgende Beziehung gilt: 1,05ID_HF ≤ D_S2 ≤ ID_HF + W_HF, wobei unter ID_HF der Innendurchmesser der Hohlfaser und W_HF die Wandstärke der Hohlfaser zu verstehen ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich des Stopfens entlang der Längsachse des Stopfens mehrere Erweiterungen aufweist und dass der maximale Durchmesser dieser Erweiterungen mit dem Abstand zum ersten Bereich des Stopfens zunimmt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich des Stopfens mehrere Erweiterungen aufweist, für deren maximaler Durchmesser folgende Beziehung gilt: ID_HF + W_HF ≤ D_ES ≤ AD_HF, wobei unter ID_HF der Innendurchmesser der Hohlfaser, AD_HF der Außendurchmesser der Hohlfaser, W_HF die Wandstärke der Hohlfaser und D_ES der Durchmesser der Erweiterungen an ihrer dicksten Stelle zu verstehen ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Stopfens zwischen 3ID_HF und 15ID_HF liegt.