DE102008020291A1 - Herstellungsverfahren für integrierte Membranmodule durch in-situ-Grenzflächenpolymerisation an strukturierten Kontaktflächen nach Zusammenbau des Moduls - Google Patents

Herstellungsverfahren für integrierte Membranmodule durch in-situ-Grenzflächenpolymerisation an strukturierten Kontaktflächen nach Zusammenbau des Moduls Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein sehr kostengünstig herzustellendes Membranmodul für Stoffaustauschprozesse, welches durch seine neuartige Fertigungsweise eine hohe mechanische Stabilität mit höheren transmembranen Flüssen und deutlich verbesserten Stofftransportbedingungen in den Strömungskanälen vereint.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein integriertes Membranmodul für Stoffaustauschprozesse sowie dessen Herstellung und Verwendung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Das Modul stellt das Kernstück einer Membrananlage dar und leistet neben der Bereitstellung der Anschlüsse für Feed-, Retentat- und Permeatstrom sowie der Abdichtung der beiden Membranseiten vor allem durch die Strömungsführung einen großen Beitrag zur Effektivität des Membranprozesses.
  • Zur Herstellung von Modulen werden im Stand der Technik zunächst mit einer dichten aktiven Schicht und einer grobporösen Unterschicht versehene Phaseninversions- oder Komposit-Membranen hergestellt. Diese Kombination von trennaktiver, dünner Membran mit poröser Stützschicht ist unter dem Namen ”asymmetrische Membran” bekannt.
  • Asymmetrische Kompositmembranen werden im Stand der Technik beispielsweise durch das sogenannte Tauchverfahren hergestellt. Hierbei wird die poröse Stützschicht zunächst mit einer Gel-Schutzschicht maskiert, damit keine Lösung in Poren der Stützschicht eindringt. In einem nachfolgenden Schritt wird sie in dünn konzentrierte Polymer- bzw. Monomerlösung eingetaucht. Nach der Verdampfung des Lösungsmittels findet im Ofen die Vernetzungsreaktion statt.
  • Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung asymmetrischer Kompositmembranen ist die Plasmapolymerisation. Hierfür wird ein Plasma aus nicht polymerisierenden, angeregten ionischen und radikalischen Gasen hergestellt, welches die Ionisierung und Radikalisierung der Monomere bewirkt. Diese Monomere polymerisieren dann zu dreidimensionalen Netzwerken. Bei Erreichen eines bestimmten Molekulargewichts sinken die Polymere auf die Trägermembran und polymerisieren dort mit anderen Molekülen und der porösen Trägerschicht.
  • Zur Herstellung von Modulen werden die so erhaltenen asymmetrischen Membranen in einem nachfolgenden Schritt auf die gewünschte Größe zugeschnitten, mit Hilfe von Abstandshaltern fixiert und dann so miteinander und dem Modulgehäuse verbunden und abgedichtet, dass zwei Räume entstehen, die durch die Membranen voneinander getrennt sind.
  • Bei dieser Herstellungsmethode besteht jedoch das Risiko, bei der Verarbeitung der empfindlichen Membranen Fehlstellen zu erzeugen, welche die Trennwirkung der Membran verschlechtern oder sogar aufheben. Die Schichtdicke der eingesetzten Membranen ist nach unten hin limitiert, da zu dünne Membranen nicht mehr fehlerfrei in ein Modul eingebaut werden können. Üblicherweise weist die trennaktive Schicht eine Dicke von 0,2 μm auf, während die Dicke der porösen Unterschicht 200 μm beträgt. Da die Membranen in der Regel keine selbsttragenden Strukturen darstellen, werden im Membranmodul Stützstrukturen zwischen den einzelnen Membranen verwendet, um die mechanische Stabilität der Membranen unter Druckbeanspruchung im Prozess und für eine gleichmäßige Überströmung zu gewährleisten.
  • Die herkömmlichen asymmetrischen Membranen – entweder als Phaseninversionsmembran (integral-asymmetrisch) oder als Kompositmembran (zusammengesetzt asymmetrisch) – erfordern zusätzliche Strömungskanäle zur großräumigen Verteilung oder Sammlung der Fluide parallel zu den Membranen, da die poröse Stützschicht in der Regel nicht in dieser Richtung durchströmt werden kann und der Stofftransport je nach Anwendung aus einer Kombination aus konvektivem und diffusivem Transport lediglich senkrecht zur Membran stattfindet. In allen konzentrationsgetriebenen Prozessen wird die poröse Stützschicht rein diffusiv durchströmt und stellt somit einen wesentlichen zusätzlichen Transportwiderstand dar.
  • Dementsprechend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Module bereitzustellen, die hohe transmembrane Flüsse aufgrund von sehr dünnen trennaktiven Membranschichten erlauben und kostengünstig sind.
  • Gegenstend der Erfindung
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wurde gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Aufgabe wird ebenfalls von dem erfindungsgemäßen Modul gemäß Anspruch 38 und 39 sowie dessen Verwendung gemäß Anspruch 40 und Anspruch 41 gelöst.
  • Die Erfindung ermöglicht ein sehr kostengünstig herzustellendes Membranmodul für Stoffaustauschprozesse, welches durch seine neuartige Fertigungsweise eine hohe mechanische Stabilität mit höheren transmembranen Flüssen und deutlich verbesserten Stofftransportbedingungen in den Strömungskanälen vereint.
  • Das erfindungsgemäße Membranmodul wird zunächst kostengünstig nur mit den Stützstrukturen gefertigt. Erst nachdem alle gewünschten Anschlüsse angebracht sind, erfolgt die Einbringung der aktiven Membranschicht durch In-situ-Grenzflächenpolymerisation an der strukturierten Kontaktfläche zwischen Feedseite und Permeatseite des Moduls.
  • Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass die erst im fertigen Modul erzeugte Membran keine Fehlstellen aufweist, die häufig beim Einbau einer vorgefertigten Membran in das Modul entstehen. Gleichzeitig gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren die hohe mechanische Stabilität der asymmetrischen Membranen. Da keine Handhabungsprobleme beim Einbau der Membran auftreten können, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung dünnerer aktiver Schichten, die höhere transmembrane Flüsse sowie deutlich verbesserte Stofftransportbedingungen in den Strömungskanälen ermöglichen, als mit herkömmlichen Membranen möglich sind.
  • Zudem ermöglicht die In-situ-Polymerisation der trennaktiven Membran die interne Abdichtung beider Fluidräume sowie die Abdichtung der Berührungslinien zwischen Membran und Trägerelementen (bzw. Modulgehäuse). Da das erfindungsgemäße Verfahren selbstdichtend ist, kann auf weitere kostenintensive Abdichtungsmaßnahmen weitgehend verzichtet werden. Durch das bei der Herstellung der Membran gleichzeitige Abdichten resultiert daher, insbesondere durch einfache Modulkonstruktionen, dem sehr geringen Dichtungsaufwand und einem Minimum an Fertigungsschritte, eine erhebliche Kostenreduktion der Modulfertigung.
  • In bestimmten Fällen kann durch eine geeignete Modulkonstruktion eine hohe mechanische Stabilität erzielt und auf den Einbau zusätzlicher Abstandshalter verzichtet werden. Durch die Vereinfachung der Fertigungsschritte sind erhebliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung der Membranmodule realisierbar.
  • Auf die in den Unteransprüchen wiedergegebenen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird ausdrücklich Bezug genommen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Moduls umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Bereitstellung eines Gehäuses, in dem wenigstens eine Schicht eines ersten porösen Trägermaterials, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, angeordnet ist,
    • b) Einbringen einer Flüssigkeit, umfassend eine Verbindung (A) in das erste poröse Trägermaterial,
    • c) Überströmen des ersten porösen Trägermaterials mit einem Fluid, umfassend eine Verbindung (B), die in der Lage ist, mit Verbindung (A) zu einem Polymer (C) zu reagieren, und wobei das Fluid im Wesentlichen nicht mit der Flüssigkeit mischbar ist, so dass sich zwischen der Flüssigkeit und dem Fluid eine Phasengrenze ausbildet, und
    • d) Umsetzen von Verbindung (A) mit Verbindung (B) unter Bildung eines Polymers (C).
  • Der Begriff ”Modul” oder ”Membranmodul” meint eine geschlossene Membrananordnung, d. h. eine Membranvorrichtung, die zum Stoffaustausch zwischen Fluiden und/oder für Membran-Trennprozesse geeignet ist.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erfindungsgemäße Modul ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kissenmodulen, Plattenmodulen, Wickelmodulen, Rohrmodulen, Modulen mit hohlkörperartiger, insbesondere wabenförmiger Membran, Kapillarmodulen und Hohlfasermodulen, wobei Kissenmodule und Module mit wabenförmiger Membran bevorzugt sind.
  • Die ”Membran” oder ”trennaktive Membran” ist dabei derjenige Apparateteil, der die Eigenschaft besitzt, bestimmte Komponenten eines Fluidgemisches hindurchtreten zu lassen.
  • Der Ausdruck ”asymmetrische Membran” beschreibt die Kombination aus trennaktiver Membran auf einer Trägerschicht.
  • Der Ausdruck ”im Wesentlichen nicht mischbar” im Zusammenhang mit der Flüssigkeit und dem Fluid bedeutet, dass die Flüssigkeit und das Fluid nicht oder nur zu einem derart geringen Anteil ineinander mischbar sind, so dass sich unter den jeweiligen Herstellbedingungen zwischen der Flüssigkeit und dem Fluid eine Phasengrenze ausbildet.
  • Verbindung (A)
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit ein Lösungsmittel, in dem die Verbindung (A) gelöst ist.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen wird zum Einbringen der Flüssigkeit in das erste poröse Trägermaterial im Schritt b) die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit durch Kapillarwirkung in das erste poröse Trägermaterial gesaugt. Handelt es sich um ein Kissenmodul, wie hierin beschrieben, wird die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit vorzugsweise durch die erste Aussparung des ersten Trägerelements in das erste poröse Trägermaterial gesaugt.
  • In einer oder mehreren alternativen Ausführungsformen, vorzugsweise wenn es sich um ein Modul handelt, das erste offene und zweite offene Strömungskanäle, aufweist, wird zum Einbringen der Flüssigkeit in das erste poröse Trägermaterial im Schritt b) die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit durch die ersten Strömungskanäle strömen gelassen, um durch Kapillarwirkung in das erste poröse Trägermaterial gesaugt zu werden. Bevorzugt bilden die ersten Strömungskanäle den späteren Permeatraum.
  • Verbindung (B)
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das die Verbindung (B) enthaltende Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit. Ist das Fluid eine Flüssigkeit, werden bevorzugt Module verwendet, in den das Fluid durch offene Strömungskanäle geführt wird. Vorzugsweise ist das die Verbindung (B) enthaltende Fluid ein Gas, besonders bevorzugt ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen wird das die Verbindung (B) enthaltende Fluid im Schritt c) zwischen den beabstandeten Schichten des ersten porösen Trägermaterials oder, falls vorhanden, durch das zweite poröse Trägermaterial strömen gelassen.
  • Polymer (C)
  • Bevorzugt wird das Polymer (C) in Schritt d) durch Grenzflächenpolymerisation gebildet.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen bildet das in Schritt d) erhaltende Polymer (C) eine Membran auf dem ersten porösen Trägermaterial. Die stoffspezifische- oder teildurchlässige Membran ist vorzugsweise derart ausgebildet bzw. ausgewählt, dass sie für bestimmte Stoffe nicht bzw. nur bedingt durchlässig und für andere Stoffe beispielsweise vollständig durchlässig ist. Für jedes zu trennende Fluidgemisch ist eine geeignete Membran notwendig. Der Fachmann wird entscheiden können, welches Polymer (C) für welches Trennproblem geeignet ist. Mögliche Einsatzgebiete schließen die Wasserreinigung für die Elektronikindustrie, die Kesselspeisewasserreinigung, die Trinkwassergewinnung aus Brackwasser und Meerwasser, die Abwasserreinigung, die Sterilisation von Fluiden, die Rückgewinnung von Farbstoffen, Latex oder Polyvinylalkohol, die Öl-Wasser-Trennung, pharmazeutische Trennungen und biotechnische Trennungen ein. Bevorzugt können die erfindungsgemäßen Module und die erfindungsgemäß hergestellten Module zur Gas- und Dampfpermeation sowie in Feuchtetausch- und elektrolytischen Prozessen eingesetzt werden.
  • Die gebildete Membran weist vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 0,02 μm bis 1 μm auf.
  • In der Literatur wird eine Vielzahl geeigneter Monomere und Lösungsmittel genannt, von denen jede Kombination durch Grenzflächenpolymerisation ein spezifisches Polymer mit bestimmten Eigenschaften erzeugt.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das in Schritt d) erhaltende Polymer (C) ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Block-Copolymeren, wie 1000PEO56PBT44, Polyimiden, insbesondere Polyetherimiden, wie Kapton®, Polyamiden, insbesondere Polyamid 6 (Nylon 6) und Polyamide, die herstellbar sind durch Umsetzen eines aromatischen Tricarbonsäurechlorids, wie Trimesoylchlorid mit einem Amin, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Piperazin, Polyethylenimin, 1,6-Hexandiamin, α,α'-Diaminoxylen, 1,3-Diaminobenzol (m-Phenylendiamin), 1,4-Diaminobenzol (p-Phenylendiamin) und 2,4-Diaminotoluol, Polyharnstoffen, Polyethenharnstoff, Polycarbonaten, Polysulfonen, Polyethersulfonen, sulfonierten Polyethersulfonen, Polydimethylsiloxan, sulfonierten Polyetheretherketonen sowie Leiter-Polymeren, erhältlich durch die Umsetzung von Tetrahydroxy-Monomeren und aktivierten aromatischen Tetrafluoro-Monomeren, wie von Budd et al. beschrieben (Chem. Commun, 2004, S. 203; Adv. Mater. 2004, Vol. 16, S. 456).
  • Dem Fachmann ist bekannt, wie er in Schritt d) Verbindung (A), Verbindung (B), die Reaktionstemperatur und -dauer zu wählen hat, um ein gewünschtes Polymer (C) zu erhalten. Die Membran, d. h. das Polymer (C), ist in Abhängigkeit von dem zu trennenden Fluidgemisch zu wählen. Geeignete zu trennende Fluidgemische schließen Suspensionen, Emulsionen, Lösungen und Gasgemische ein.
  • Als Polymer (C) geeignete Polyamide werden beispielsweise hergestellt aus einem aromatischen Tricarbonsäurechlorid, insbesondere 1,3,5-Benzoltricarbonyltrichlorid, (Trimethylolchlorid), gegebenenfalls gelöst in Dichlormethan, und einem aromatischen oder aliphatischen Di- und/oder Triamin, insbesondere Piperazin, beispielsweise gasförmig in einem inerten Gas, z. B. Stickstoff, als Trägergas. In einer geeigneten Reaktionsführung befindet sich 1,3,5-Benzoltricarbonyltrichlorid (C9H3Cl3O3) als Verbindung (A) in der Flüssigphase und Piperazin (C4H10N2) als Verbindung (B) in der Gasphase. Dieses Reaktionssystem wurde unter anderem als besonders geeignet für die Stabilisierung geträgerter Flüssigmembranen identifiziert, da das entstehende Polymer einerseits die Stabilität der flüssigen Membranphase erhöht und andererseits den Ionenfluss nicht behindert. Die folgende Formel I zeigt das Reaktionsschema.
  • Figure 00080001
  • Weitere geeignete Membranen sind Polyethenharnstoffmembranen, die mit Hilfe einer wässrigen Lösung des hydrophilen Monomers Polyethylenimid (PEI) als Verbindung (A) und einer organischen Lösung des hydrophoben Monomers Toluoldiisocyanat (TDI) als Verbindung (B) in Hexan hergestellt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig voneinander oder in Kombination weiter die Schritte:
    • e) Entfernen der Flüssigkeit und des Fluids aus dem Modul und
    • f) Trocknen der Membran.
  • Vorzugsweise werden im Schritt e) die Flüssigkeit und das gasförmige oder flüssige Fluid mittels eines Inertgases ausgetrieben. Vorzugsweise wird die Membran im Schritt f) mittels eines Inertgases getrocknet. Das in den Schritten e) und/oder f) verwendete Gas hat vorzugsweise eine Temperatur von oberhalb 50°C .
  • Erstes poröses Trägermaterial
  • Das erste poröse Trägermaterial sorgt vorzugsweise für die mechanische Stabilität der Membran.
  • Das erste poröse Trägermaterial ist vorzugsweise ein hochporöses, d. h. sehr permeables Vlies. Es kann selbst als Strömungskanal des Moduls dienen. In diesem Fall sorgt das erste poröse Trägermaterial für den mechanischen Support der trennaktiven Membran und fungiert gleichzeitig als Strömungskanal. In diesem Fall bildet das erste poröse Trägermaterial vorzugsweise den Permeatraum, so dass auf einen zusätzlich Strömungskanal für das Permeat verzichtet werden kann.
  • Dient das erste poröse Trägermaterial, vorzugsweise hochporöse Vliesmatten, gleichzeitig als Strömungskanal, wird dadurch ein zusätzlicher diffusiver Transportwiderstand der Stützschicht vermieden oder zumindest vermindert. Die innerhalb des porösen Trägermaterials auftretenden Quervermischungseffekte sorgen für gleichmäßige Strömungsverteilung parallel zu den Membranflächen und reduzieren gleichzeitig Konzentrationspolarisationseffekte.
  • Bevorzugt ist das erste poröse Trägermaterial von der die Verbindung (A) enthaltenden Flüssigkeit benetzbar. Das heißt, dass das erste poröse Trägermaterial hydrophil ist, wenn die verwendete die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit hydrophil ist. Geeignetes hydrophiles poröses Trägermaterial ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al2O3-Schaum, Al2O3-Vliesmatten, Glasfasermatten, Vliesen aus hydrophilen Kunststoffen wie oberflächenmodifiziertes PVDF (Polyvinylidenfluorid) und zur Mikrofiltration und/oder Ultrafiltration geeignete Folien. Ist die verwendete die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit dagegen hydrophob, ist das erste poröse Trägermaterial vorzugsweise ebenfalls hydrophob. Geeignetes bevorzugtes hydrophobes poröses Trägermaterial ist aus der Gruppe ausgewählt, die Vliese, bestehend aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und hydrophobierte anorganische Materialien, umfasst.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Modul 2 oder mehr, beispielsweise 4, 8, 10 oder 15 Schichten des ersten porösen Trägermaterials auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Anzahl der Schichten, die im Modul verwendet wird, hängt von der für die gewünschte Anwendung erforderliche Membranfläche und/oder dem auftretenden Feedvolumenstrom ab, die beide für jedes Trennproblem, d. h. für jede Anwendung spezifisch sind.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen liegt der mittlere Porendurchmesser des ersten porösen Trägermaterials von 0,01 μm bis 100 μm, beispielsweise von 1,0 μm bis 100 μm oder von 0,01 μm bis 0,2 μm.
  • In einer oder mehreren speziellen Ausführungsformen und vorzugsweise, wenn das Modul erste offene und zweite offene Strömungskanäle aufweist, ist das erste poröse Trägermaterial eine zur Mikrofiltration und/oder Ultrafiltration geeignete Folie. Der bevorzugte mittlere Porendurchmesser beträgt dann von 0,01 μm bis 0,2 μm.
  • In einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen und vorzugsweise, wenn das Modul erste offene und zweite offene Strömungskanäle aufweist, weist das erste poröse Trägermaterial bevorzugt eine Dicke von 10 μm bis 100 μm auf.
  • Zweites poröses Trägermaterial
  • Das zweite poröse Trägermaterial ist vorzugsweise ein hochporöses und damit sehr permeables Vlies. In einer bevorzugten Ausführungsform weist es weniger große Poren auf als das erste poröse Trägermaterial.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der mittlere Porendurchmesser des zweiten porösen Trägermaterials vorzugsweise in einem Bereich von 5 μm bis 1000 μm, beispielsweise im Bereich von 10 μm bis 75 μm, von 150 μm bis 300 μm oder von 350 μm bis 700 μm.
  • Das zweite poröse Trägermaterial kann, wie für das erste poröse Trägermaterial beschrieben, selbst als Strömungskanal innerhalb des Moduls fungieren. In diesem Fall bildet das zweite poröse Trägermaterial vorzugsweise den Feedraum, so dass auf einen zusätzlichen Strömungskanal für den Zulauf verzichtet werden kann.
  • Bevorzugt ist das zweite poröse Trägermaterial von der die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit nicht oder schlecht benetzbar. Das heißt, sind das erste poröse Trägermaterial und die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit hydrophil, wird vorzugsweise ein hydrophobes Material als zweites poröses Trägermaterial verwendet. Geeignete hydrophobe poröse Trägermaterial sind die oben genannten. Sind die verwendete die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit und das erste poröse Trägermaterial hydrophob, ist das zweite poröse Trägermaterial vorzugsweise hydrophil. Geeignete hydrophile poröse Trägermaterial sind die oben genannten.
  • Gehäuse
  • Das Modulgehäuse umgibt das poröse Trägermaterial vorzugsweise derart, dass es bis auf die aktiven Schichten der Membranen komplett ist, d. h. inklusive Anschlussöffnungen.
  • Kissenmodul:
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist zwischen je zwei Schichten des ersten porösen Trägermaterials eine Schicht eines zweiten porösen Trägermaterials angeordnet. Bevorzugt bildet das erste poröse Trägermaterial hier den Permeatraum des zu erhaltenden Membranmoduls. Das heißt, das erste poröse Trägermaterial ist vorzugsweise der Strömungskanal des Permeats (Filtrats). Gleichzeitig bildet das zweite poröse Trägermaterial den Feedraum des zu erhaltenden Membranmoduls. Das heißt, das zweite poröse Trägermaterial ist vorzugsweise der Strömungskanal des Zulaufs (Feeds).
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die einzelnen Schichten des ersten porösen Trägermaterials voneinander beabstandet. Bevorzugt bildet das erste poröse Trägermaterial hier den Permeatraum des zu erhaltenden Membranmoduls. Das heißt, das erste poröse Trägermaterial ist vorzugsweise der Strömungskanal des Permeats (Filtrats). Der Feedraum des zu erhaltenden Membranmoduls ist dann als offener Strömungskanal gebildet.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist jede Schicht des ersten porösen Trägermaterials in einem ersten Trägerelement angeordnet, der den Rand der Schicht umfasst. Falls vorhanden, kann jede Schicht des zweiten porösen Trägermaterials in einem zweiten Trägerelement angeordnet sein, der den Rand der Schicht umfasst. Bevorzugt bilden die parallel angeordneten ersten und zweiten Trägerelemente das Gehäuse.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen weist das erste Trägerelement eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung auf, wobei die erste Aussparung der zweiten Aussparung vorzugsweise gegenüberliegt. Das zweite Trägerelement kann eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung aufweisen, wobei die erste Aussparung der zweiten Aussparung vorzugsweise gegenüberliegt. Bevorzugt ist die erste Aussparung des ersten Trägerelements um 45° bis 120°, vorzugsweise um 90° versetzt zur ersten Aussparung des zweiten Trägerelements angeordnet, wobei die Drehachse bevorzugt senkrecht zur Oberfläche der parallelen Schichten der Trägermaterialien und vorzugsweise durch den geometrischen Mittelpunkt der Schichten verläuft.
  • Bevorzugt ist die erste und/oder die zweite Aussparung des ersten Trägerelements und/oder die erste und/oder die zweite Aussparung des zweiten Trägerelements durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Kappen und/oder Blenden, unabhängig voneinander teilweise oder vollständig verschließbar.
  • Mittels solcher Kappen und/oder Blenden, insbesondere in Form von Kappen an den Seiten, ist die Speisung der Strömungskanäle sowie die Sammlung der Fluidströme relativ einfach zu bewerkstelligen. Hierbei besteht für die Art der Strömungsführung gewisser Spielraum. Strömt man die Kanäle über die gesamte Breite an, so ergibt sich ein klassischer Kreuzstrom. Führt man dagegen nur über einen engen Spalt auf der einen Seite des Moduls das eine Fluid zu und auch auf der anderen Seite wieder ab, so kommt die Strömungsführung der des Gegenstroms sehr nahe.
  • Ein einer besonderen Ausführungsform werden mehrere Module hintereinandergeschaltet, um Kreuz-Gegenstrom-Verhältnisse zu realisieren.
  • Genauso flexibel wie die Wahl der Strömungsführung sind die Abmessungen der Strömungskanäle, da sie direkt durch die Form der Trägermaterialien und Trägerelemente eingestellt und an die jeweilige Anwendung und/oder Fluidseite angepasst werden können
  • In einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen ist auf der ersten und/oder der zweiten Aussparung des ersten Trägerelements und/oder der ersten und/oder der zweiten Aussparung des zweiten Trägerelements eine Anschlussöffnung angeordnet, wobei die Aussparungen unabhängig voneinander teilweise oder vollständig verschlossen sein können.
  • Vorzugsweise sind die Anschlussöffnung an keinem der beiden Enden verschlossen, so dass ein Betreiben der Membranvorrichtung im Gleich- oder Gegenstromprinzip möglich ist. Ein derartiges 4-End-Modul hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Umströmung der Membran stattfindet, so dass keine Tot-Zonen auftreten. Ferner treten bei der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung nur geringe Druckverluste und geringe Polarisationseffekte bezüglich Konzentration und Temperatur auf. Das erfindungsgemäße Modul kann auch als 3-End-Modul betrieben werden, indem diejenige Anschlussöffnung des Permeatraums, die den Zuführkanal darstellt, verschlossen ist.
  • Wabenmodul:
  • In einer oder mehreren speziellen Ausführungsformen weist das Modul erste Strömungskanäle zum Durchströmen mit einem ersten Fluid sowie zweite vorzugsweise parallel zu den ersten Strömungskanälen verlaufende Strömungskanäle zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid auf, wobei das erste poröse Trägermaterial zwischen den Strömungskanälen angeordnet ist, wobei die Strömungskanäle durch mehrere aneinander angrenzende Schichten des ersten porösen Trägermaterials gebildet sind.
  • Vorzugsweise sind die einzelnen Schichten des ersten porösen Trägermaterials zickzack- oder wellenförmig ausgebildet und zueinander insbesondere um eine Halbwelle versetzt. Hierdurch sind die Strömungskanäle ausgebildet. Die einzelnen Strömungskanäle weisen vorzugsweise einen wabenförmigen Querschnitt auf. Über den gesamten Querschnitt der Membranvorrichtung sind somit Strömungskanäle angeordnet. Es handelt sich somit um eine dichte Packung an Strömungskanälen. Besonders bevorzugt ist es, dass zwischen zwei benachbarten Schichten des ersten porösen Trägermaterials entweder nur erste oder nur zweite Strömungskanäle ausgebildet sind. Ein Austausch von Molekülen zwischen ersten Strömungskanäle und zweiten Strömungskanälen ist nur durch die Membran, d. h. in gewünschter Weise, möglich.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen bilden die Schichten des ersten porösen Trägermaterials eine selbsttragende Struktur. Eine selbsttragende Struktur kann vorzugsweise auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auch dann erreicht werden, wenn die Dicke der flächigen Membranlagen 1–500 μm beträgt. Dies ist insbesondere bei symmetrisch aufgebauten Membranvorrichtungen möglich.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen weisen die Strömungskanäle in Kanallängsrichtung eine konstante Querschnittfläche auf.
  • Eine besonders geeignete Modulkonstruktion stellt das im Folgenden dargelegte selbsttragende Wabenmodul dar. Diese oder ähnliche Modulgeometrien eignen sich besonders gut für die Membranerzeugung durch In-situ-Grenzflächenpolymerisation, da innerhalb des Moduls geringe bis keine Maldistributionseffekte (Totzonen, Bachbildung, Randgängigkeit) auftreten. Es ist somit gewährleistet, dass die Membran nur an den gewünschten Stellen durch die Polymerisationsreaktion gebildet wird.
  • Bevorzugt sind die Schichten des ersten porösen Trägermaterials in Kanallängsrichtung zur Ausbildung der Strömungskanäle, vorzugsweise ohne Stützschichten oder Abstandshalter, entlang von Verbindungsbereichen miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt und/oder verklebt.
  • Vorzugsweise ist die erste Oberfläche jeder Schicht des ersten porösen Trägermaterials mit der zweiten Oberfläche der benachbarten Schicht des ersten porösen Trägermaterials, falls vorhanden, verbunden, wobei sich die Verbindungsbereiche streifenförmig auf den Oberflächen einer Schicht erstrecken und derart parallel zueinander beabstandet sind, dass sich in einem Schnitt senkrecht zu den Klebeflächen einer Schicht eine Klebefläche der ersten Oberfläche dieser Schicht mit einer klebefreien Fläche, mit eine Klebefläche der zweiten Oberfläche dieser Schicht und mit einer weiteren klebefreien Fläche abwechselt.
  • Vorzugsweise werden die Schichten des ersten porösen Trägermaterials nacheinander einzeln miteinander verbunden. Dies bedeutet, dass auf die äußere von bereits miteinander verbundenen Schichten des ersten porösen Trägermaterials beispielsweise ein Klebstoff aufgebracht wird und die nächste Schicht aufgelegt wird. Anschließend wird auf die nun äußere Oberfläche dieser Schicht wiederum Klebstoff in den Verbindungsbereichen aufgetragen, wobei diese Verbindungsbereiche zu den darunter liegenden Verbindungsbereichen wie oben beschrieben vorzugsweise versetzt angeordnet sind.
  • Das bedeutet, zwei benachbarte Schichten sind an ihren nicht verbundenen Stellen derart beabstandet, dass das Trägermaterial eine Hohlraumstruktur aus parallel angeordneten Reihen erster Strömungskanäle und zweiter Strömungskanäle ausbilden kann. Vorzugsweise werden die Schichten des ersten porösen Trägermaterials nach dem Verbinden auseinander gezogen, so dass die Strömungskanäle entstehen. Es ist jedoch auch möglich, die Schichten des ersten porösen Trägermaterials, bevor sie miteinander verbunden werden, zu verformen, so dass die Schichten nebeneinander angeordnete, in unterschiedliche Richtung weisende bzw. offene Halbkanäle ausbilden. Die Schichten des ersten porösen Trägermaterials sind hierbei im Querschnitt beispielsweise zickzack- oder wellenförmig ausgebildet.
  • Benachbarte Strömungskanäle jeder Reihe erster Strömungskanäle können durch wenigstens ein Loch (oder einen Schlitz) in den Verklebungen miteinander verbunden sein. Benachbarte Strömungskanäle jeder Reihe zweiter Strömungskanäle können gleichfalls durch wenigstens einem Loch (oder einem Schlitz) in der Verklebung miteinander verbunden sind. Durch die Löcher und/oder Schlitze in den Verklebungen sind die Reihen erster Strömungskanäle in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer ersten Anschlussöffnung und/oder mit einer zweiten Anschlussöffnung betriebsfähig verbunden und die Reihen zweiter Strömungskanäle sind mit einer ersten Anschlussöffnung und/oder mit einer zweiten Anschlussöffnung betriebsfähig verbunden.
  • Vorzugsweise sind die Strömungskanäle an keinem der beiden Enden verschlossen, so dass ein Betreiben der Membranvorrichtung im Gleich- oder Gegenstromprinzip möglich ist. Ein derartiges 4-End-Modul hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Umströmung der Membran stattfindet, so dass keine Tot-Zonen auftreten. Ferner treten bei der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung nur geringe Druckverluste und geringe Polarisationseffekte auf. Das erfindungsgemäße Modul kann auch als 3-End-Modul betrieben werden, indem diejenige Anschlussöffnung des Permeatraums, die den Zuführkanal darstellt, verschlossen ist.
  • Um die Fluide den entsprechenden Strömungskanälen auf einfache Weise zuführen zu können, sind vorzugsweise eine oder beide Öffnungen der Kanäle mit einem Anschlusselement verbunden. Das Anschlusselement weist Zu- bzw. Abführkanäle auf, die jeweils mit mehreren, insbesondere allen ersten bzw. zweiten Strömungskanälen verbunden sind. Um die Anschlusselemente beispielsweise an Zu- und Ableitungen einfach anschließen zu können, sind die Zu- oder Abführkanäle vorzugsweise in einem Winkel zu den Strömungskanälen angeordnet und insbesondere auseinandergeführt. Besonders bevorzugt ist es hierbei, die Zu- oder Abführkanäle seitlich aus dem Anschlusselement herauszuführen, d. h. in einem Winkel von ca. 90° zu den Strömungskanälen anzuordnen. Ebenso ist es beispielsweise möglich, dass die Zuführkanäle fluchtend mit den Strömungskanälen, d. h. an einer Stirnseite der Anschlusselemente, vorgesehen und die Abführkanäle seitlich am Anschlusselement vorgesehen sind. Selbstverständlich können die Anordnungen vertauscht und auch in anderen Winkeln vorgesehen sein. Bevorzugt ist hierbei, die Zuführkanäle von den Abführkanälen räumlich zu trennen, um ein Verbinden mit Anschlussschläuchen oder dergleichen zu vereinfachen.
  • Vorzugsweise sind die Kanalöffnungen auf einer, insbesondere auf beiden Seiten mit Anschlusselementen verbunden. Hierbei ist es besonders bevorzugt, die Anschlusselemente durch aushärtendes Material, wie Gießharz, herzustellen. Dies hat den Vorteil, dass das Gießharz beim Aushärten eine Verbindung mit den Schichten des ersten porösen Trägermaterials eingeht und so eine dichte Verbindung zwischen den in den Anschlusselementen vorgesehenen Zu- bzw. Abführkanälen und den Strömungskanälen auf einfache Weise realisiert werden kann. Zur Ausbildung der Zu- bzw. Abführkanäle ist es möglich, Kerne, insbesondere verlorene Kerne, vorzusehen. Die Kerne können beispielsweise aus Silikon hergestellt sein. Hierdurch kann eine dichtende Struktur geschaffen werden, wobei die Kanäle aneinander vorbeigeführt sind.
  • Modul mit Wellenstruktur:
  • In einer oder mehreren speziellen Ausführungsformen weist das Modul zwei oder mehr Schichten eines ersten Trägermaterials auf. Zwischen den Schichten sind jeweils Strömungskanäle ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, dass zwischen zwei benachbarten Schichten jeweils ein Strömungskanal ausgebildet ist. Erfindungsgemäß erfolgt das Verbinden benachbarter Schichten zumindest teilweise durch punktförmige Verbindungsstellen. Zum Erzeugen einer derartigen punktförmigen Verbindungsstelle, an der die Schichten beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben miteinander verbunden werden, wird zumindest eine der beiden einander gegenüberliegenden Schichten aus der Ebene der Schichten herausgeführt und zur Ausbildung einer dreidimensionalen Vorrichtung an einer punktförmigen Verbindungsstelle mit der benachbarten Schicht verbunden. Aufgrund des erfindungsgemäßen punktförmigen Verbindens an zumindest einigen Stellen kann einerseits eine einfache Verbindung benachbarter Schichten eines ersten porösen Trägermaterials erfolgen und andererseits werden in dem ersten porösen Trägermaterial Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet. Hierdurch erfolgt im fertigen Modul, d. h. wenn auf dem porösen Trägermaterial eine Membran angeordnet ist, ein Auftreten von Strömungsänderungen in den Fluiden (Zulauf/Feed und/oder Permeat), wie beispielsweise das Auftreten von Verwirbelungen, Turbulenzen oder Verzweigungen des strömenden Fluids. Dies hat den Vorteil, dass an den Grenzschichten zwischen dem Fluid und den Membranen ein guter Fluidaustausch stattfindet, so dass ein guter Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen den Fluiden über die entsprechende Membran erzielt ist.
  • Aufgrund des erfindungsgemäßen Verbindens benachbarter Schichten über Verbindungsstellen, insbesondere Klebstellen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform das Vorsehen eines Abstandshalters bzw. eines Spacers zwischen den Schichten entfallen.
  • Beim Vorsehen von mehreren punktförmigen Verbindungsstellen erfolgt automatisch ein dreidimensionales Verformen der Schichten. Bevorzugt ist es hierbei eine dreidimensionale Wellenstruktur in den einzelnen Schichten durch entsprechendes Anordnen der Verbindungsstellen zu erzielen. Insbesondere in Hauptströmungsrichtung weist der Strömungskanal eine Wellenstruktur auf. Vorzugsweise ist auch quer zur Hauptströmungsrichtung eine entsprechende Wellenstruktur vorgesehen.
  • Besonders bevorzugt ist es, insbesondere durch das Vorsehen der punktförmigen Verbindungsstellen kuppelartige Erhebungen sowie vorzugsweise komplementäre Vertiefungen auszubilden. Derartige Erhebungen, die im Querschnitt beispielsweise parabelförmig sind, werden im fertigen Modul von dem Fluid umströmt. Ferner werden durch die Erhebungen Turbulenzen hervorgerufen, so dass ein Mischen des Fluids innerhalb des Strömungskanals gewährleistet ist. Insbesondere sind in Hauptströmungsrichtung mehrere Erhebungen und zwischen den Erhebungen vorgesehene entsprechende Vertiefungen angeordnet. Vorzugsweise ist die Wellenstruktur auch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung entsprechend ausgebildet, so dass die Wellenstruktur abwechselnd kuppelförmige Erhebungen und Vertiefungen aufweist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Vorsehen der Verbindungsstellen bzw. der Klebestellen an den Maxima der Erhebungen. Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass die benachbarte Schicht des ersten porösen Trägermaterials mit der die Schicht verbunden werden soll, an der Verbindungsstelle eine Vertiefung aufweist. Die Verbindungsstellen benachbarter Schichten sind hierbei in bevorzugter Ausführungsform zueinander versetzt und insbesondere regelmäßig angeordnet. Ist beispielsweise zwischen einer Schicht 1 und ihrer benachbarten Schicht 2 an einem bestimmten Punkt eine Verbindungsstelle vorgesehen, so ist zwischen der zweiten und dritten Stelle lediglich in einem Abstand zu dieser Verbindungsstelle, d. h. seitlich zu der Verbindungsstelle verschoben, eine weitere Verbindungsstelle zwischen der benachbarten Schicht 2 und der übernächsten Schicht 3 vorgesehen. Die einzelnen Verbindungsstellen zwischen unterschiedlichen Schichten sind somit seitlich zueinander versetzt angeordnet.
  • Die Verbindung der einzelnen Strömungskanäle mit einer Zu- und einer Abführleitung sowie gegebenenfalls die Verbindung einzelner Kanäle untereinander beim Vorsehen mehrerer Kanäle kann über seitlich an den Schichten angeordnete Verbindungselemente, insbesondere wie in DE 10 2005 011 471 beschrieben, erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt ein derartiges Verbindung der Strömungskanäle mit mindestens einer Zu- und einer Ableitung über in den Schichten vorgesehen Durchlassöffnungen. Insbesondere sind mehrere Durchlassöffnung koaxial zueinander angeordnet. Dies kann insbesondere durch gemeinsames Ausstanzen entsprechender Durchlassöffnungen durch die Schichten erfolgen. Hierbei handelt es sich um ein einfaches und somit kostengünstiges Herstellungsverfahren. Vorzugsweise sind im Bereich der Durchlassöffnungen benachbarte Schichten paarweise miteinander abdichtend verbunden. Dies hat zur Folge, dass im fertigen Modul ein Fluid (Zulauf/Feed und/oder Permeat), das insbesondere senkrecht zu den Schichten des ersten porösen Trägermaterials, auf dem die Membran angeordnet ist, durch die Durchlassöffnungen strömt, nur in jeden zweiten Strömungskanal gelangen kann. Selbstverständlich können für das Zu- und Ableiten von Fluid entsprechende Durchlassöffnungen sowie durch entsprechende mit einer Stirnseite des Moduls verbundenen Beförderungsvorrichtung, wie beispielsweise in DE 10 2005 011 471 beschrieben, auch miteinander kombiniert werden.
  • Die einzelnen Schichten sind vorzugsweise über mehrere, insbesondere punktförmige Verbindungsstellen miteinander verbunden. Im Randbereich können auch linien- oder rahmenförmige Verbindungsstellen vorgesehen sein. Insbesondere ist die Wahl des Materials des ersten porösen Trägermaterials sowie seine Dicke in Verbindung mit der Anzahl bzw. der Dichte der Verbindungspunkte sowie in Verbindung mit gegebenenfalls weiter vorgesehenen Verbindungsstellen derart gewählt, dass eine selbsttragende Struktur erzielt ist. Hierzu weisen die einzelnen Schichten in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dicke von 5–200 μm auf. Geeignete Materialien für das erste poröse Trägermaterial sind die oben genannten Materialien.
  • Die Strömungskanäle weisen vorzugsweise sich verändernde Querschnittsgeometrien auf. Die Querschnittsflächen bleiben hierbei vorzugsweise im Wesentlichen konstant. Hierdurch ist gewährleistet, dass keine oder nur geringe Druckverluste auftreten. Hierdurch treten im fertigen Modul keine oder nur geringe Beschleunigungen in dem Fluid (Zulauf/Feed und/oder Permeat) auf.
  • Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann insbesondere mit Hilfe des nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden.
  • Gemäß dem Verfahren, das insbesondere zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Moduls geeignet ist, werden in einem ersten Schritt zweiflächig oder partiell aneinanderliegende Schichten eines ersten porösen Trägermaterials an Verbindungsstellen, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben miteinander verbunden. Die Verbindungsstellen sind zumindest teilweise punktförmig ausgebildet. Im nächsten Schritt wird eine dritte Schicht mit einer der beiden ersten Schichten ebenfalls an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen mit dieser verbunden. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Teil der punktförmigen Verbindungsstellen zum Verbinden der ersten beiden Schichten zu den punktförmigen Verbindungsstellen zum Verbinden mit der dritten Schicht einen Abstand zueinander auf. Hierbei handelt es sich um einen seitlichen Abstand. Zumindest ein Teil der Verbindungsstellen ist somit nicht miteinander fluchtend bzw. übereinander angeordnet. Anschließend werden die mindestens drei Schichten auseinanderbewegt, so dass Strömungskanäle zwischen den Schichten ausgebildet werden und ein dreidimensionales Modul entsteht. Vorzugsweise erfolgt das Auseinanderbewegen der Schichten im Wesentlichen senkrecht zu den Ebenen der einzelnen Schichten, wobei diese zumindest vor dem Auseinanderbewegen im Wesentlichen parallel zueinander sind.
  • Zur Ausbildung von mehr als zwei Strömungskanälen von denen jeweils einer zwischen zwei benachbarten Schichten eines ersten porösen Trägermaterials ausgebildet ist, werden vorzugsweise weitere Schichten vorgesehen, die ebenfalls über zumindest teilweise punktförmige Verbindungsstellen mit benachbarten Schichten verbunden werden. Es erfolgt somit ein stapelförmiges Vorsehen von Schichten. Vorzugsweise ist die Anordnung der punktförmigen Verbindungsstellen alternierend, so dass die Lager der Verbindungsstellen, beispielsweise zwischen den Schichten 1–2, 3–4, 5–6 usw. identisch ist. Entsprechend sind auch die punktförmigen Verbindungsstellen zwischen den Schichten 2–3, 4–5, 6–7 usw. identisch. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verbinden zweier Schichten dadurch, dass zunächst auf eine der beiden Schichten Klebstoffpunkte und gegebenenfalls zusätzlich Klebstoffstreifen aufgebracht werden. Die Schicht ist hierbei vorzugsweise eben angeordnet. Im nächsten Schritt erfolgt sodann ein Auflegen der zweiten, vorzugsweise ebenfalls eben ausgerichteten Schicht. Sodann wird auf die Oberseite der zweiten Schicht wiederum Klebstoff in Form von Punkten und gegebenenfalls Linien aufgebracht, wobei die nunmehr aufgebrachten Klebstoffpunkte zu den zuerst auf Klebstoffpunkten seitlich versetzt aufgebracht sind. Das Aufbringen des Klebstoffs auf die Außenseite der zweiten Schicht kann vor oder nach dem Verbinden der zweiten Schicht mit der ersten Schicht erfolgen. Je nach Anzahl der miteinander zu verbindenden Schichten wird das Aufbringen von Klebstoff und anschließendes Auflegen der nächsten Schicht wiederholt.
  • Die punktförmigen Verbindungsstellen bzw. die Klebstoffpunkte sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Der seitliche Versatz der punktförmigen Klebstellen wird vorzugsweise derart gewählt, dass der Abstand einer punktförmigen Klebstelle zu den umgebenden Klebstellen stets gleich ist. Beispielsweise sind die Klebstellen bzw. die punktförmigen Verbindungsstellen auf Kreuzungspunkten eines Gitters angeordnet, wobei vier Klebstellen die Ecken eines Quadrats definieren. Die Klebstellen zum Verbinden der nächsten Schicht befinden sich sodann stets auf dem Mittelpunkt der Quadrate.
  • Das Aufbringen der Klebpunkte bzw. Klebelinien kann durch CNC-Systeme oder auch durch druckähnliche Prinzipien entsprechend dem Offsetdruck erfolgen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt das Zu- und Abführen von Fluid im fertigen Modul in einer bevorzugten Ausführungsform nicht seitlich in die Strömungskanäle, sondern durch entsprechend vorgesehene Durchlassöffnungen. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt daher nach Zusammenlage und dem Verkleben der Schichten ein Einbringen von Durchgangsöffnungen in die insbesondere flächig aufeinanderliegenden Schichtlager. Die Durchgangsöffnungen werden insbesondere durch Ausstanzen hergestellt. Bereits beim Verbinden der Schichten, insbesondere durch Verkleben können im Randbereich der Durchgangsöffnungen, bei runden Durchgangsöffnungen beispielsweise ringförmige Klebstofflinien vorgesehen sein. Hierdurch erfolgt ein Abdichten. Entsprechende abdichtende Verbindungen werden abwechselnd zwischen benachbarten Schichten vorgesehen, so dass im fertigen Modul Fluid nur in jeden zweiten Strömungskanal ein- bzw. ausströmen kann.
  • Mit den äußeren Durchgangsöffnungen können beispielsweise rohrartige Anschlussstücke verbunden, insbesondere mit der äußeren Schicht verklebt sein.
  • Erfindungsgemäß erfolgt sodann das Auseinanderbewegen der Schichten. Dies kann in bevorzugter Ausführungsform durch Aufblasen, d. h. Zuführen von Gas durch die Durchlassöffnungen erfolgen.
  • Die so entstandene dreidimensionale Vorrichtung kann beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet werden, wobei die Zu- und Ableitungen über entsprechende Zwischenstücke vorgesehen werden können. Die Lage der Vorrichtung, bei der es sich in einer besonders bevorzugten Ausführungsform um eine selbsttragende Struktur handeln kann, kann in dem Gehäuse beispielsweise durch das Einbringen von Giesharz oder anderen Fixierelementen fixiert werden.
  • Bevorzugte Ausführungsform:
  • In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Moduls die oben genannten Schritte a) bis d) und gegebenenfalls e) und/oder f),
    wobei das erste poröse Trägermaterial hydrophile Eigenschaften aufweist und vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Al2O3-Schaum, Al2O3-Vliesmatten, Glasfasermatten und Vliesen aus hydrophilen Kunststoffen wie oberflächenmodifiziertes PVDF,
    die Flüssigkeit ein Lösungsmittel, beispielsweise Dichlormethan und wenigstens ein aromatisches Tricarbonsäurechlorid, beispielsweise 1,3,5-Benzoltricarbonyltrichlorid umfasst,
    das Fluid ein vorzugsweise inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, und wenigstens ein aromatisches Di- und/oder Triamin, beispielsweise Piperazin, umfasst und das zweite poröse Trägermaterial, falls vorhanden, hydrophobe Eigenschaften aufweist und vorzugsweise ein aus der Gruppe ausgewähltes Vlies ist, bestehend aus Polytetrafluorethylen, PVDF, Polypropylen, Polyethylen und hydrophobierten anorganische Materialien.
  • Modul
  • Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Membranmodulen können bei dem erfindungsgemäßen Modul die porösen Trägermaterialien nicht nur die Funktion des mechanischen Supports, sondern aufgrund ihrer guten Durchströmbarkeit (hohe Porosität) auch die Funktion der Strömungskanäle übernehmen. Die erfindungsgemäß hergestellte Membran stellt somit eine neue Klasse asymmetrischer Membranen dar, bei der die dünne trennaktive Schicht auf einem gleichzeitig als Strömungskanal fungierenden porösen Support (Trägermaterial) aufgebracht wird. Die poröse Unterschicht der erfindungsgemäß hergestellten Membran wird im Wesentlichen parallel zur aktiven Trennschicht durchströmt, wodurch aufgrund der Quervermischungseffekte innerhalb der porösen Trägermaterialien verbesserte Stofftransport- und Stoffaustauschbedingungen ermöglicht werden. Hierdurch kann der zusätzliche Transportwiderstand der Stützschicht vermieden werden, der bei herkömmlichen asymmetrischen Membranen auftritt, deren poröse Stützschicht im Wesentlichen senkrecht zur aktiven Trennschicht durchströmt wird und so eine Diffusionsbarriere bildet, die bei herkömmlichen asymmetrischen Membranen einen zusätzlichen Strömungskanal notwendig machen.
  • In einer speziellen Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Modul daher wenigstens eine trennaktive Membran, die auf einem ersten porösen Trägermaterial angeordnet ist, und ein Gehäuse auf, wobei das erste poröse Trägermaterial einen ersten Strömungskanal bildet, vorzugsweise für das Permeat, wobei kein weiterer Strömungskanal für das Permeat erforderlich ist. Der zweite Strömungskanal, vorzugsweise für den Zulauf (Feed), kann als offener Strömungskanal ausgestaltet sein. Alternativ kann ein zweites poröses Trägermaterial den zweiten Strömungskanal bilden.
  • Bevorzugt umgibt das Modulgehäuse das erste poröse Trägermaterial derart, dass es bis auf die aktiven Schichten der Membranen komplett ist, d. h. auch Anschlussöffnungen aufweist.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist das erfinderische Modul erste und zweite Strömungskanäle auf, die als offene Strömungskanäle ausgestaltet sind.
  • Das erfindungsgemäße Modul ist insbesondere zur Durchführung von konzentrationsgetriebenen Stoffaustauschprozessen einsetzbar. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Be- und Entfeuchten von Gasströmen, wie es beispielsweise im Betrieb von Brennstoffzellen oder in der Klimatechnik erforderlich ist. Weitere mögliche Anwendungsgebiete sind die Diffusions-Dialyse zur Säuren- oder Laugerückgewinnung, z. B. zur Aufbereitung verbrauchter Beizsäuren. Hierbei würden als Membran flächige Ionen-Austausch-Membranen eingesetzt.
  • Das Anwendungsfeld für das erfindungsgemäße Membranmodul ist äußerst breit. Insbesondere ist ein Einsatz zur Durchführung von konzentrationsgetriebenen Stoffaustauschprozessen wie Extraktion, Absorption, Gas- und Dampfpermeation sowie Dialyse sinnvoll. Eine bedeutende Anwendung ist die Be- und Entfeuchtung von Gasströmen. Hier sei als Beispiel der Feuchtetauscher in der Peripherie von Brennstoffzellensystemen genannt. Die erfindungsgemäßen Membranmodule sind insbesondere als Module für Gegenstrom-Membran-Kontaktoren geeignet.
  • Geeignete Anwendungsgebiete sind die Sauerstoffanreicherung und/oder Inertgas-(N2-)Erzeugung durch Trennung von O2 und N2; die H2-Rückgewinnung in Raffinerien durch Trennung von H2 und Kohlenwasserstoffen; die Anpassung der Synthesegaskonzentration durch Trennung von H2 und CO; die Trennung von H2 und N2 im Ammoniakabgas; die Sauergasbehandlung und Gewinnung von Biogas durch Trennung von CO2 und Kohlenwasserstoffen; die Erdgastrocknung durch Trennung von H2O und Kohlenwasserstoffen; die Sauergasbehandlung durch Trennung von H2S und Kohlenwasserstoffen; die Heliumabtrennung von Kohlenwasserstoffen und N2; die Kohlenwasserstoffrückgewinnung und Abluftreinigung durch Trennung von Kohlenwasserstoffen aus Luft; und Trocknen von Luft durch Abtrennung von H2O daraus.
  • Insbesondere erfindungsgemäße Module mit hohlkörperartiger, insbesondere wabenförmiger Membran eignen sich aufgrund des geringen Stofftransportwiderstands der Membranstützschicht vor allem zur Durchführung von konzentrationsgetriebenen Stoffaustauschprozessen wie Extraktion, Absorption, Gas- und Dampfpermeation sowie Dialyse. Eine wichtige Anwendung konzentrationsgetriebener Stoffaustauschprozesse ist z. B. die Be- und Entfeuchtung von Gasströmen in der Klimatechnik sowie in der Peripherie von Brennstoffzellen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Es zeigen:
  • 1 ein Verfahrensfließbild zur erfindungsgemäßen Herstellung von Membranen per In-situ-Polymerisation;
  • 2 eine selbsttragende Wabenstruktur gemäß der Erfindung;
  • 3 Strömungswege innerhalb der Wabenstruktur und ihre Herstellung;
  • 4 ein erfindungsgemäßes Modul;
  • 5 eine Aufsicht und eine Seitenansicht eines Trägerelements gemäß der Erfindung (links) sowie ein Kissenmodul als Mehrkanalmodul gemäß der Erfindung aus einzelnen Trägerelementen (rechts);
  • 6 eine durch Einbau von Blenden im Kreuzstrom gesteuerte Strömungsführung in einem erfindungsgemäßen Modul;
  • 7 eine durch Einbau von Blenden im Gegenstrom gesteuerte Strömungsführung in einem erfindungsgemäßen Modul;
  • 8 eine schematische Draufsicht auf zwei Schichten eines porösen ersten Trägermaterials vor deren Verbindung;
  • 9 eine schematische Draufsicht miteinander verbundener Schichten eines porösen ersten Trägermaterials,
  • 10 eine schematische Draufsicht eines Ausschnitts einer einzelnen wellenförmig strukturierten Schicht eines porösen ersten Trägermaterials, auf der ein Polymer (C) angeordnet ist;
  • 11 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts mehrerer miteinander verbundener Schichten eines ersten porösen Trägermaterials, auf denen ein Polymer (C) angeordnet ist, und
  • 12 und 13 schematische perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen eines in einem Gehäuse angeordneten Moduls.
  • Detaillierte Beschreibung der Figuren
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt beispielhaft ein Verfahrensfließbild zur Herstellung von Membranen per In-situ-Polymerisation. In dem Modul 10 befinden sich mindestens eine Schicht des ersten porösen Trägermaterials (nicht gezeigt). Der Druck im Modul kann mittels eines Druckregelventils 32 auf einen gewünschten Wert geregelt werden. Hierbei ist bei der Zuführung der Fluide (Gas/Flüssigkeit) auf eine druckbegrenzende Einstellung eingesetzter Pumpen oder Druckspeichervorrichtungen, z. B. Gasflaschen, zu achten und gegebenenfalls eine Eingangsdruckregelung zu ergänzen.
  • Mit Hilfe der Pumpe 31 wird aus dem Flüssigkeits-Vorlagebehälter 30 eine Flüssigkeit, die Verbindung (A) umfasst, in das Modul 10 geleitet. In 1 dargestellt durchströmt die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit das erste poröse Trägermaterials von der späteren Permeatseite des Membranmoduls. In diesem Schritt wird das erste poröse Trägermaterial mit der die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit getränkt, d. h. vollständig benetzt.
  • Über die Reaktionsgaszuleitung 24 wird ein Fluid, umfassend Verbindung (B), zugeführt, das das mit der die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit getränkte erste poröse Trägermaterial umströmt. In 1 dargestellt durchströmt das die Verbindung (B) enthaltende Fluid das erste poröse Trägermaterial auf der späteren Feedseite des Membranmoduls. Statt der Reaktionsgaszuleitung 24 kann in diesem Schritt alternativ über eine weitere Leitung (nicht gezeigt) ein flüssiges die Verbindung (B) enthaltendes Fluid zugeführt werden, dass das Trägermaterial umströmt.
  • Nachdem Verbindung (A) vollständig mit Verbindung (B) zu Polymer (C) reagiert hat, wird die Zuführung von Verbindung (B) beendet. Ein Überschuss von Verbindung (B) wird über die Abgasleitungen 21 und 22, an die ein Vakuum angelegt sein kann, abgeführt. Über die Inertgaszuleitung 23, welches aufgeheizt sein kann, wird das Modul mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, gespült um Reste an Fluid und der Flüssigkeit aus dem Modul zu treiben und anschließend getrocknet.
  • 2 zeigt beispielhaft eine selbsttragende Wabenstruktur gemäß der Erfindung und ihre Herstellung. Die Herstellung des Wabenmoduls erfolgt in 5 Schritten. Im ersten Schritt werden Schichten aus einem porösen Trägermaterial 41 übereinander zu einem Stapel gelegt. An definierten Stellen bzw. Streifen 57 (vgl. 2 oben), die über die gesamte Länge L der Folie verlaufen, werden die Schichten des porösen Trägermaterial 41 miteinander verbunden, insbesondere verklebt. Die Verbindungsbereiche 57 sind dabei in Bezug auf Ober- und Unterseite einer Folie zueinander versetzt angeordnet.
  • Der Stapel verbundener Schichten des porösen Trägermaterial 41 wird aufgefaltet bzw. auseinandergezogen. Dies ist in 2 oben durch Pfeile sichtbar gemacht. Durch das Aufziehen entsteht die Hohlraumstruktur 53 mit parallel zueinander verlaufenden, wabenförmigen Kanälen 55 bzw. Kanälen 56, wie in 2 unten und rechts dargestellt ist. Über die Breite B der Verbindungsbereiche 57, ihre Abstände zueinander sowie die Länge des Auffalt- bzw. Auseinanderziehweges kann Einfluss auf die Geometrie der Kanäle genommen werden, so dass, wie oben beschrieben, auch andere Geometrien, insbesondere mit zickzack- oder wellenförmigen Querschnitt. Die entstehende Konstruktion 53 ist selbsttragend.
  • Dort, wo Verbindungsbereiche 57 verlaufen, können, wie in 3 gezeigt, vor dem Auseinanderziehen der Schichten Löcher oder Schlitze 54 gestanzt werden, wodurch in der später entstehenden Hohlraumstruktur 53 Kanäle 55 bzw. Kanäle 56 durch Reihenschaltung miteinander verbunden sind und der Zulaufbereich (Feedbereich) der Strömungskanäle 55 mit Einlass 27 und Auslass 28 und der Permeatbereich Strömungskanäle 56 Einlass 26 und Auslass 29 mit der entsprechend verteilt werden können (4). 3 zeigt weiter die Strömungswege in den Strömungskanälen 55 des Zulaufs innerhalb der Wabenstruktur.
  • Die Kanalöffnungen auf den Stirnseiten werden abgedichtet, insbesondere durch Aufpressen von Flachdichtungen (nicht gezeigt). Die wabenförmige Hohlraumstruktur 53 kann dabei in einem Gehäuse fixiert werden. 4 gibt das prinzipielle Aussehen eines Moduls 10 wieder. Die trennaktive Membran innerhalb des vorgefertigten Moduls 10 wird durch Grenzflächenpolymerisation wie oben beschrieben erzeugt.
  • Neben dem in 4 gezeigten 4-End-Modul (je eine Zu- und Ableitung pro Fluid, d. h. Permeat und Zulauf) kann auch die Ausführung als 3-End-Modul gewählt werden, wenn auf der Permeatseite – das ist der Bereich, in welchen der ausgetauschte Stoff durch die Membranen übergeht – keine Zu-, sondern nur eine Ableitung existiert.
  • 5 zeigt links eine Seitenansicht (oben) und eine Aufsicht (unten) eines Trägerelements 50. Die Trägerelemente 50 weisen jeweils zwei gegenüberliegende Aussparungen auf. In einem Trägerelement 50 ist jeweils eine Schicht eines porösen Trägermaterials 41, 42 angeordnet, vorzugsweise befestigt. Die Trägerelemente 50 sind parallel zueinander und derart angeordnet, dass eine Schicht eines ersten porösen Trägermaterials 41 jeweils benachbart zu einer Schicht eines zweiten porösen Trägermaterials 42 ist, wobei die erste Aussparung eines Trägerelements 50, in das eine Schicht eines zweiten porösen Trägermaterials 42 angeordnet ist, um 90° versetzt zu der ersten Aussparung eines benachbarten Trägerelements 50, in das eine Schicht eines ersten porösen Trägermaterials 41 angeordnet ist. Die so angeordneten Trägerelemente 50 bilden das Mehrkanalmodul 10 (5 rechts).
  • 6 und 7 zeigen Alternativen der Strömungsführung in einem Kissenmodul 12. 6 zeigt einen Querschnitt eines Moduls 12 mit Kreuzströmungsführung. Das in 7 im Querschnitt gezeigte Modul 12 arbeitet mit Gegenstrom. Der Feedeinlass 27 sowie der entsprechende Auslass 28 (Aussparungen im Trägerelement 50) wurden mit Blenden 51 verkleinert, d. h. teilweise verschlossen. Der Feedeinlass 27 und der entsprechende Auslass 28 sind versetzt angeordnet, so dass es zu der in 7 gezeigten Strömungsführung des Zulaufs kommt. Die um 90° versetzten Aussparungen der benachbarten Trägerelemente 50, die den Permeatauslass 29 und den entsprechenden Einlass 26 bilden, wurden nicht verschlossen, so dass es im Permeatbereich zu einer ungestörten Strömung kommt, die der Strömung des Zulaufs entgegengesetzt ist.
  • Benachbarte Schichten eines ersten porösen Trägermaterials 41a, 41b, sind in 8 nebeneinanderliegend schematisch dargestellt. Auf einer Oberseite 14 der ersten Schicht 41a sind in einem regelmäßigen Raster Klebstoffpunkte 16 vorgesehen. Ferner ist im Randbereich eine umlaufende rahmenförmige Klebstofflinie 18 vorgesehen. Auf die erste Schicht 41a wird die zweite Schicht 41b, auf der gegebenenfalls noch kein Klebstoff vorgesehen ist, aufgelegt, so dass sich an der Unterseite der Schicht 41b mit der Oberseite 14 der Schicht 41a verbindet.
  • Vor oder nach dem Auflegen der Schicht 41b auf die Schicht 41a werden auf einer Oberseite 15 der Schicht 41b Klebstoffpunkte 17 angeordnet. Diese sind regelmäßig angeordnet. Die Klebstoffpunkte 17 sind jeweils in den Zwischenräumen der Klebstoffpunkte 16 angeordnet. Im Randbereich ist auf der Oberseite 15 der Schicht 41b ebenfalls eine rahmenförmige Klebstofflinie 19 vorgesehen. Hierbei ist die rahmenförmige Klebstofflinie 19 bezogen auf die rahmenförmige Klebstofflinie 18 weiter außen angeordnet, so dass die Klebstofflinien 18, 19 zueinander versetzt angeordnet sind. Dies ist erforderlich, um ein Auseinanderziehen der einzelnen Schichten zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur zu gewährleisten. Durch die Klebstofflinien 18, 19 erfolgt ein vollständiges seitliches Abdichten eines zwischen zwei Schichten angeordneten Strömungskanals.
  • Die Klebstoffpunkte 16 sind gegenüber den Klebstoffpunkten 17 seitlich um einen Abstand a (9) zueinander versetzt angeordnet. Die Klebstoffpunkte 17 sind somit stets in Zwischenräumen der Klebstoffpunkte 16 angeordnet.
  • Da das erfindungsgemäße Modul vorzugsweise mehrere Schichten eines ersten porösen Trägermaterials aufweist, werden die Schichten 41a, 41b, wie vorstehend beschrieben, abwechselnd aufeinandergelegt und entsprechend miteinander verbunden. Die Klebstoffpunkte 16 bzw. 17 liegen somit übereinander.
  • Anschließend werden Durchgangsöffnungen 54a, 54b, 54c, 54d (9) durch Ausstanzen der aufeinanderliegenden Schichten 41a, 41b hergestellt. Die Durchgangsöffnungen 54a, 54b, 54c, 54d dienen jeweils ein Ein- oder Auslässe für zwischen zwei benachbarten Schichten vorgesehenen Strömungskanälen. Hierbei sind die einzelnen Durchlässe nur mit jedem zweiten Strömungskanal verbunden. Hierzu sind bereits vor dem Aufeinanderkleben der einzelnen Schichten auf der Schicht 41a ringförmige zur Abdichtung dienende Klebstofflinien 12 und auf der Schicht 41a Klebstofflinien 13 vorgesehen.
  • Die Durchgangsöffnungen 54b stellen somit beispielsweise den Einlass zwischen der ersten und zweiten Schicht dar und korrespondieren mit dem als Auslass zwischen der ersten und zweiten Schicht dienenden Durchgangsöffnung 54c. Das Fluid strömt somit durch die Durchlassöffnung 54b in den zwischen der ersten und zweiten Schicht ausgebildeten Strömungskanal ein, durchströmt in dem Strömungskanal im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine diagonale Hauptströmungsrichtung und tritt durch die Öffnung 54c wieder aus.
  • Entsprechend stellt die Durchgangsöffnung 54d einen Einlass für den Strömungskanal dar, der zwischen der zweiten und dritten Schicht vorgesehen ist. Den Auslass des Strömungskanals, der zwischen der zweiten und dritten Schicht vorgesehen ist, bildet die Auslassöffnung 54a.
  • Die Ein- und Auslassöffnungen 54b und 54c, die für den zwischen der ersten und zweiten Schicht ausgebildeten Strömungskanal vorgesehen sind, können gleichzeitig auch bei mehrlagigen Modulen für den zwischen der dritten und vierten Schicht vorgesehenen Strömungskanal dienen usw. Entsprechendes gilt für die Öffnungen 54a, 54d, durch die Fluid auch zu einem Strömungskanal geführt werden kann, der zwischen der vierten und fünften Schicht angeordnet ist.
  • Wie sich schematisch aus 10 ergibt, strömt das Fluid (Zulauf/Feed und/oder Permeat), beispielsweise über eine Schicht eines ersten porösen Trägermaterials 41a, auf der ein Polymer (C) angeordnet ist, und zwischen einer nicht dargestellten oberhalb der Schicht 41a angeordneten weiteren Schicht eines ersten porösen Trägermaterials 41b, auf der ein Polymer (C) angeordnet ist, hindurch. Die Schicht 41a ist mit den Punkten 16 mit der darüber liegenden Schicht 41b verbunden. Hierbei erfolgt die punktförmige Verbindung an entsprechenden Vertiefungen bzw. Tälern der Schicht 41b. Die Schichten 41a, 41b sind von der wellenförmigen Struktur identisch ausgebildet und zueinander versetzt angeordnet. Jede Schicht weist somit kuppelförmige Erhebungen 11a und zwischen den Erhebungen 11a angeordnete entsprechende Vertiefungen 11b auf. Ein in Richtung eines Pfeils 27 durch die wellenförmige Struktur strömendes Fluid wird somit durch die einzelnen Erhebungen 11a, wie durch die Pfeile dargestellt, verzweigt. Ferner treten hierdurch innerhalb des Fluids Verwirbelungen und Turbulenzen auf.
  • Aus 11 ist schematisch die Anordnung benachbarter dreidimensional angeordneter Schichten 41a, 41b, auf denen ein Polymer (C) angeordnet ist, ersichtlich, wobei zwischen den benachbarten Schichten 41a, 41b jeweils Strömungskanäle 55 für den Zulauf (Feed) und Strömungskanäle 56 für das Permeat ausgebildet sind. Hierbei ist die Strömungsrichtung des Zulaufs (Feed) durch die Strömungskanäle 55 durch helle Pfeile 27, 28 und die des Permeats, das durch die Strömungskanäle 56 durch dunkle Pfeile 26, 29 dargestellt.
  • Die vorstehend beschriebenen Schichten erster poröser Trägermaterialien können in einem Gehäuse angeordnet werden, wobei das Gehäuse beispielsweise vier mit den entsprechenden Durchlassöffnungen verbundene Zuführleitungen und vier mit den jeweils anderen Durchlassöffnungen verbundene Abführleitungen aufweist. Hierbei kann es sich sodann um ein quaderförmiges Gehäuse handeln, welches entsprechend den Durchlassöffnungen vorgesehene runde Öffnungen aufweist.
  • In weiteren Ausführungsformen, wie beispielsweise in den 12 und 13 dargestellt, kann ein Modul 10 auch an den Stirnseiten offen sein. Die einzelnen Schichten eines ersten porösen Trägermaterials 41a, 41b, auf denen ein Polymer (C) angeordnet ist, die in den 12, 13 nur durch Striche angeordnet sind, sind somit am Rand nicht vollständig abdichtend miteinander verbunden. Jeweils jede zweite Schicht ist nicht mit der nächsten Schicht verbunden, so dass jeder zweite Kanal nach außen an einer Stirnseite 9 des Moduls 10 offen ist. Eines der Fluide, beispielsweise das Permeat, kann somit, wie durch die dunklen Pfeile 26, 29 dargestellt, an einer der beiden Stirnseiten 9 in die Strömungskanäle eintreten und auf der gegenüberliegenden Seite wieder austreten. Das durch die anderen Strömungskanäle strömende Fluid, beispielsweise der Zulauf (Feed), wird, wie vorstehend beschrieben, durch Öffnungen 8 des Moduls 10 sowie durch die entsprechenden Durchgangsöffnungen zwischen den Schichten in die anderen Strömungskanäle geleitet. Die Strömung des zweiten Fluids erfolgt somit wie durch die Pfeile 27, 28 angedeutet. Hierbei können in einander gegenüberliegende Seiten 7 des Moduls 20, die vorzugsweise senkrecht zu den Stirnseiten 9 verlaufen, die entsprechenden Öffnungen 8 angeordnet sein. An einer gegenüberliegenden Öffnung 8 wird versuchsweise das Fluid zugeführt und an den beiden anderen Öffnungen 8, die ebenfalls einander gegenüberliegende sind, abgeführt.
  • Die weitere bevorzugte Ausführungsform (13) entspricht im Wesentlichen der in 12 dargestellten Ausführungsform. Diese weist lediglich den Unterschied auf, dass zum Zu- bzw. Abführen eines der Fluide in Richtung der Pfeile 27, 28 jeweils nur eine Öffnung 8 im Modul 10 vorgesehen ist.
  • In sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Strömungsrichtungen der beiden Fluide vorzugsweise einander im Wesentlichen entgegengesetzt verlaufen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005011471 [0079, 0079]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Budd et al. beschrieben (Chem. Commun, 2004, S. 203; Adv. Mater. 2004, Vol. 16, S. 456 [0032]

Claims (41)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Moduls (10), umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung eines Gehäuses, in dem wenigstens eine Schicht eines ersten porösen Trägermaterials (41), die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, angeordnet ist, b) Einbringen einer Flüssigkeit, umfassend eine Verbindung (A) in das erste poröse Trägermaterial (41), c) Überströmen des ersten porösen Trägermaterials (41) mit einem Fluid, umfassend eine Verbindung (B), die in der Lage ist, mit Verbindung (A) zu einem Polymer (C) zu reagieren, und wobei das Fluid im Wesentlichen nicht mit der Flüssigkeit mischbar ist, so dass sich zwischen der Flüssigkeit und dem Fluid eine Phasengrenze ausbildet, und d) Umsetzen von Verbindung (A) mit Verbindung (B) unter Bildung eines Polymers (C).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das die Verbindung (B) enthaltende Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit, vorzugsweise ein Gas ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zwei oder mehr Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) parallel zueinander angeordnet sind.
  4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der mittlere Porendurchmesser des ersten porösen Trägermaterials (41) von 0,01 μm bis 100 μm, beispielsweise von 1,0 μm bis 100 μm oder von 0,01 μm bis 0,2 μm beträgt.
  5. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das in Schritt d) erhaltende Polymer (C) eine Membran auf dem ersten porösen Trägermaterial (41) bildet, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen Dicke von 0,02 μm bis 1 μm.
  6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen je zwei Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) eine Schicht eines zweiten porösen Trägermaterials (42) angeordnet ist.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der mittlere Porendurchmesser des zweiten porösen Trägermaterials (42) von 5 μm bis 1000 μm beträgt.
  8. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) voneinander beabstandet sind.
  9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Schicht des ersten porösen Trägermaterials (41) in einem ersten Trägerelement (50) angeordnet ist, der den Rand der Schicht umfasst, und, falls vorhanden, jede Schicht des zweiten porösen Trägermaterials (42) in einem zweiten Trägerelement (50) angeordnet ist, der den Rand der Schicht umfasst, wobei die parallel angeordneten ersten und zweiten Trägerelemente (50) das Gehäuse bilden.
  10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Trägerelement (50) eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung aufweist, wobei die erste Aussparung der zweiten Aussparung vorzugsweise gegenüberliegt, und wobei das zweite Trägerelement (50) eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung aufweist, wobei die erste Aussparung der zweiten Aussparung vorzugsweise gegenüberliegt, und wobei die erste Aussparung des ersten Trägerelements (50) um 45° bis 120°, vorzugsweise um 90° versetzt zur ersten Aussparung des zweiten Trägerelements (50) angeordnet ist.
  11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Aussparung des ersten Trägerelements (50) und/oder die erste und/oder die zweite Aussparung des zweiten Trägerelements (50) durch geeignete Mittel (51) unabhängig voneinander teilweise oder vollständig verschließbar ist.
  12. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der ersten und/oder der zweiten Aussparung des ersten Trägerelements (50) und/oder der ersten und/oder der zweiten Aussparung des zweiten Trägerelements (50) eine Anschlussöffnung angeordnet ist, wobei die Aussparungen unabhängig voneinander teilweise oder vollständig verschlossen sein können.
  13. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Einbringen der Flüssigkeit in das erste poröse Trägermaterial (41) im Schritt b) die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit durch Kapillarwirkung in das erste poröse Trägermaterial (41) durch die erste Aussparung des ersten Trägerelements (41) gesaugt wird.
  14. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Verbindung (B) enthaltende Fluid im Schritt c) durch das zweite poröse Trägermaterial (42) oder zwischen den beabstandeten Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) strömen gelassen wird.
  15. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Modul erste Strömungskanäle (55) zum Durchströmen mit einem ersten Fluid sowie zweite vorzugsweise parallel zu den ersten Strömungskanälen (55) verlaufende Strömungskanäle (56) zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid aufweist, wobei das erste poröse Trägermaterial (41) zwischen den Strömungskanälen (55, 56) angeordnet ist, wobei die Strömungskanäle (55, 56) durch mehrere aneinander angrenzende Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) gebildet sind.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) in Kanallängsrichtung zur Ausbildung der Strömungskanäle (55, 56), vorzugsweise ohne Stützschichten oder Abstandshalter, entlang von Verbindungsbereichen (57) miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt und/oder verklebt sind.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) eine selbsttragende Struktur bilden.
  18. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 17, wobei die Strömungskanäle (55, 56) in Kanallängsrichtung eine konstante Querschnittfläche aufweisen.
  19. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 18, wobei zwischen zwei benachbarten Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41) nur erste oder nur zweite Strömungskanäle (55, 56) ausgebildet sind.
  20. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 19, wobei das Modul (10) ein, vorzugsweise zwei Anschlusselemente zum Verbinden mehrerer, insbesondere aller ersten Strömungskanäle (55) und zum gesonderten Verbinden mehrerer, insbesondere aller zweiter Strömungskanäle (56) zu Zu- bzw. Abführkanälen aufweist.
  21. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 20, wobei die Strömungskanäle (55, 56) einen wabenförmigen Querschnitt aufweisen.
  22. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 21, wobei zum Einbringen der Flüssigkeit in das erste poröse Trägermaterial (41) im Schritt b) die die Verbindung (A) enthaltende Flüssigkeit durch die ersten Strömungskanäle (55) strömen gelassen wird, um durch Kapillarwirkung in das erste poröse Trägermaterial (41) gesaugt zu werden.
  23. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 22, wobei das die Verbindung (B) enthaltende Fluid im Schritt c) durch die zweiten Strömungskanäle (56) strömen gelassen wird.
  24. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 23, wobei das erste poröse Trägermaterial (41) eine Dicke von 10 μm bis 100 μm aufweist.
  25. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 15 bis 24, wobei das erste poröse Trägermaterial (41) eine zur Mikrofiltration und/oder Ultrafiltration geeignete Folie ist.
  26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Moduls mit mehreren Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41a, 41b), zwischen denen jeweils Strömungskanäle (55, 56) ausgebildet sind, wobei die Schichten (41a, 41b) an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16, 17) zur Ausbildung eines dreidimensionalen Moduls (10) miteinander verbunden sind.
  27. Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei der Schritt a) die folgenden Schritte umfasst: Verbinden von zwei aneinanderliegenden Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41a, 41b) an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16), Verbinden einer dritten Schicht des ersten porösen Trägermaterials mit einer der beiden ersten Schichten (41a, 41b) an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16), die zumindest teilweise einen Abstand zu den punkförmigen Verbindungsstellen (17) zwischen den ersten beiden Schichten (41a, 41b) aufweisen und Auseinanderbewegen der Schichten (41a, 41b) zur Ausbildung von Strömungskanälen (55, 56) zwischen den Schichten (41a, 41b).
  28. Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem im Schritt a) weitere Schichten (41a, 41b) über zumindest teilweise punktförmige Verbindungsstellen (16, 17) mit den vorherigen Schichten (41a, 41b) stapelförmig verbunden werden.
  29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmigen Verbindungsstellen (16, 17) zwischen den Schichten (41a, 41b) des ersten porösen Trägermaterials alternierend angeordnet sind.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27–29, bei welchem das Verbinden durch Verkleben und/oder Verschweißen erfolgt.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27–30, wobei der Schritt a) die zusätzlichen Schritte umfasst: Aufbringen von Klebstoffpunkten auf der ersten Schicht (41a) des ersten porösen Trägermaterials, Auflegen der zweiten Schicht (41b) des ersten porösen Trägermaterials auf die erste Schicht (41a) des ersten porösen Trägermaterials zum Herstellen der punktförmigen Verbindungsstellen und Wiederholen dieser Schritte mit mindestens einer weiteren Schicht (41a, 41b).
  32. Verfahren nach Anspruch 31, mit dem zusätzlichen Schritt: Einbringen von Durchgangsöffnungen (54a, 54b, 54c, 54d) in die insbesondere flächig aufeinanderliegenden Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41a, 41b), insbesondere durch Ausstanzen.
  33. Verfahren nach einem der Ansprüche 27–32, mit dem Schritt: abwechselndes Abdichten benachbarter Schichten des ersten porösen Trägermaterials (41a, 41b), wobei die Abdichtungen (12, 13) die Durchlassöffnungen (54a, 54b, 54c, 54d) umgeben.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 27–33, bei welchem das Auseinanderbewegen der Schichten (41a, 41b) durch Aufblasen erfolgt.
  35. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 34, wobei das erste poröse Trägermaterial (41) hydrophile Eigenschaften aufweist und vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Al2O3-Schaum, Al2O3-Vliesmatten, Glasfasermatten und Vliesen aus hydrophilen Kunststoffen wie oberflächenmodifiziertes PVDF, die Flüssigkeit ein Lösungsmittel, beispielsweise Dichlormethan und wenigstens ein aromatisches Tricarbonsäurechlorid, beispielsweise 1,3,5-Benzoltricarbonyltrichlorid umfasst, das Fluid ein vorzugsweise inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, und wenigstens ein aromatisches Di- und/oder Triamin, beispielsweise Piperazin, umfasst und das zweite poröse Trägermaterial (42), falls vorhanden, hydrophobe Eigenschaften aufweist und vorzugsweise ein aus der Gruppe ausgewähltes Vlies ist, bestehend aus Polytetrafluorethylen, PVDF, Polypropylen, Polyethylen und hydrophobierten anorganische Materialien.
  36. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 34, wobei das in Schritt d) erhaltende Polymer (C) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus, Block-Copolymeren, wie 1000PEO56PBT44, Polyimiden, insbesondere Polyetherimiden, wie Kapton®, Polyamiden, insbesondere Polyamid 6 (Nylon 6) und Polyamide, die herstellbar sind durch Umsetzen eines aromatischen Tricarbonsäurechlorids, wie Trimesoylchlorid mit einem Amin, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Piperazin, Polyethylenimin, 1,6-Hexandiamin, α,α'-Diaminoxylen, 1,3-Diaminobenzol, 1,4-Diaminobenzol und 2,4-Diaminotoluol, Polyharnstoffen, Polyethenharnstoff, Polyfuranen, Polycarbonaten, Polysulfonen, Polyethersulfonen, sulfonierten Polyethersulfonen, Polydimethylsiloxan, sulfonierten Polyetheretherketonen sowie Leiter-Polymeren, erhältlich durch die Umsetzung von Tetrahydroxy-Monomeren und aktivierten aromatischen Tetrafluoro-Monomeren.
  37. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt e) Entfernen der Flüssigkeit aus dem Modul (10).
  38. Modul (10), aufweisend wenigstens eine trennaktive Membran, die auf einem ersten porösen Trägermaterial (41) angeordnet ist, und ein Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass das erste poröse Trägermaterial (41) einen ersten Strömungskanal für das Permeat bildet, wobei kein weiterer Strömungskanal für das Permeat erforderlich ist.
  39. Modul (10), herstellbar gemäß einem in einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 37 definierten Verfahren.
  40. Verwendung des Moduls (10) gemäß Anspruch 38 oder 39 zur Wasserreinigung für die Elektronikindustrie, Kesselspeisewasserreinigung, Trinkwassergewinnung aus Brackwasser und Meerwasser, Abwasserreinigung, Sterilisation von Fluiden, Rückgewinnung von Farbstoffen, Latex oder Polyvinylalkohol, zur Öl-Wasser-Trennung in pharmazeutischen Trennungen, in biotechnischen Trennungen, zur Gas- und Dampfpermeation, in Feuchtetausch- und elektrolytischen Prozessen, in konzentrationsgetriebenen Stoffaustauschprozessen wie Extraktion oder Absorption, zur Be- und Entfeuchtung von Gasströmen in der Klimatechnik sowie in der Peripherie von Brennstoffzellen und/oder zur Dialyse.
  41. Verwendung des Moduls (10) gemäß Anspruch 38 oder 39 zur Sauerstoffanreicherung und/oder Inertgas (N2-)Erzeugung durch Trennung von O2 und N2, zur H2 Rückgewinnung in Raffinerien durch Trennung von H2 und Kohlenwasserstoffen, zur Anpassung der Synthesegaskonzentration durch Trennung von H2 und CO, zur Trennung von H2 und N2 im Ammoniakabgas, zur Sauergasbehandlung und Gewinnung von Biogas durch Trennung von CO2 und Kohlenwasserstoffen, zur Erdgastrocknung durch Trennung von H2O und Kohlenwasserstoffen, zur Sauergasbehandlung durch Trennung von H2S und Kohlenwasserstoffen, zur Heliumabtrennung von Kohlenwasserstoffen und N2 zur Kohlenwasserstoffrückgewinnung und Abluftreinigung durch Trennung von Kohlenwasserstoffen aus Luft und/oder zur Trocknung von Luft durch Abtrennung von H2O daraus.
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