DE102010052466A1

DE102010052466A1 - Membranträger, dessen Verwendung und Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen mit einem derartigen Membranträger

Info

Publication number: DE102010052466A1
Application number: DE102010052466A
Authority: DE
Inventors: Dr. Greiner Armin; Dr. Scharfenberger Gunter; Gabriele Emmerich
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012069099A1

Abstract

Es soll ein Membranträger bereitgestellt werden, der eine besonders gute Beschichtbarkeit sowie eine besonders gute Drainage- bzw. Durchflussleistung ermöglicht bzw. gewährleistet und der für die Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen, insbesondere in der Industrie in Bereichen der Biotechnologie, Lebensmittel, Medizin und/oder Abwasseraufbereitung etc., Verwendung finden kann sowie der für ein Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen eingesetzt werden kann. Dazu umfasst der Membranträger von flüssig applizierten Polymermembranen als Trägermaterial zumindest ein wasserlösliches Polymer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Membranträger von flüssig applizierten Polymermembranen, die Verwendung eines derartigen Membranträgers und ein Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen mit einem derartigen Membranträger.
Stand der Technik
Herkömmliche Membranträger sind vorzugweise Vliesstoffe und bestehen zu 100 Gew.-% aus nicht wasserlöslichen Faserpolymeren, wie zum Beispiel aus Polyolefinen, Polyamiden oder aus Polyestern, wie in der DE 10 2005 015 550 B4 offenbart.
Speziell bei Filtrationsmembranen bzw. bei flüssig applizierten Polymermembranen stellt sich die Aufgabe, dass der Membranträger eine offene Struktur besitzen muss, da ansonsten beim Filtrationsvorgang kein Durchfluss erzielt wird.
Die Struktur des Membranträgers muss jedoch andererseits so dicht gewählt sein, dass die zur Membranherstellung applizierte Membranpolymerlösung nicht durch den Membranträger hindurch tritt oder zumindest nicht zu tief in den Membranträger eindringt.
Diese dichte Struktur bekannter Membranträger wirkt sich allerdings im späteren Filterprodukt nachteilig auf den Durchfluss und die Drainage hinter der eigentlichen Membran aus. Darüber hinaus wird mehr Polymerlösung benötigt um eine bestimmte Schichtdicke über dem Membranträger zu gewährleisten, was kommerzielle oder filtertechnische Nachteile bewirkt.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Membranträger bereitzustellen, der die Nachteile bekannter Membranträger bei der Membranherstellung zumindest minimiert und der insbesondere eine besonders gute Beschichtbarkeit sowie eine besonders gute Drainage- bzw. Durchflussleistung ermöglicht bzw. gewährleistet.
Des Weiteren soll dieser Membranträger für die Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen, insbesondere in der Industrie in Bereichen der Biotechnologie, Lebensmittel, Medizin und/oder Abwasseraufbereitung etc., Verwendung finden.
Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen unter Einsatz des erfindungsgemäßen Membranträgers angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Membranträger von flüssig applizierten Polymermembranen, der als Trägermaterial zumindest ein wasserlösliches Polymer umfasst.
Unter wasserlöslichen Polymeren werden hier solche Polymere verstanden, die sich in einem Temperaturbereich von 10°C bis 100°C in jedem Verhältnis mit Wasser ohne Ausbildung einer Phasengrenze lösen. Ferner ist die Wasserlöslichkeit nicht mit der Hydrophilie gleichzusetzen. Hydrophile Substanzen sind zwar in der Regel wasserlösliche Stoffe. Es gibt allerdings auch hydrophile Substanzen, die nicht wasserlöslich sind, zum Beispiel Hydrogele. Die Hydrophilie bezieht sich nur auf das Anziehen von Wasser und weder auf die Löslichkeit noch auf die Fähigkeit, Wasser zu binden.
Vorteilhafterweise ist der Membranträger bzw. das Trägermaterial der Membran als Textil, insbesondere als Vliesstoff, Gewebe oder Gewirk, ausgestaltet, als Folie, als Film und/oder als Schwamm.
Als wasserlösliches Polymer ist gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Polyvinylalkohol, teilweise verseiftes bzw. hydrolysiertes Polyvinylacetat, Polyvinylpyrrolidon, wasserlösliches Cellulosederivat, Polyethylenglykol, Polyacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylamin, Polyethylenimin und/oder ein Copolymer aus den genannten eingesetzt.
Der Membranträger weist insbesondere aus prozesstechnischen Gründen vorteilhafterweise eine Ausrüstung mit 0,1 Gew.-% bis 70 Gew.-% wasserlöslichem Polymer, insbesondere bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mit 0,2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, auf.
Eine Ausrüstung mit 100 Gew.-% wasserlöslichen Polymeren, insbesondere von wasserlöslichen Polymerfasern, ist aufgrund der mechanischen Aufgaben des Membranträgers im Filtrationsprozess wenig praktikabel.
In bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Membranträger das zumindest eine wasserlösliche Polymer als Beimischung, Imprägnierung und/oder Beschichtung, insbesondere im Bereich zwischen 0,1 g/m² und 50 g/m², besonders bevorzugt zwischen 0,15 g/m² und 20 g/m².
Vorzugsweise können die wasserlöslichen Polymere, beispielsweise als Faserpolymere, inhomogen oder graduell über den Querschnitt verteilt sein, das heißt einen graduellen Konzentrationsverlauf über den Querschnitt aufweisen. Alternativ können die wasserlöslichen Polymere auch an einer der Oberflächen lokalisiert sein.
Von Bedeutung ist, dass durch die Menge und/oder die Art bzw. Ausgestaltung der Ausrüstung mit wasserlöslichem Polymer die Ausrüstung derart gesteuert werden kann, dass die Membranpolymerlösung nicht durch den Träger durchtritt oder nicht zu tief eindringt und somit nicht ausläuft.
Die Membranpolymerlösung weist bevorzugt drei Komponenten auf. Eine Komponente kann dabei ein Lösungsmittel, wie Dimethylformamid, N-Methyl-2-pyrrolidon oder Dimethylacetamid, umfassen. Eine weitere Komponente umfasst bevorzugt ein wasserlösliches Polymer der oben genannten Art. Eine dritte Komponente ist vorzugsweise wasserunlöslich, wie zum Beispiel Polyvinylidenfluorid.
Der erfindungsgemäße Membranträger eignet sich besonders für die Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen.
Wie oben genannt, ist der Membranträger vorteilhafterweise als Textil, insbesondere als Vliesstoff, Gewebe oder Gewirk, ausgestaltet, als Folie, als Film oder als Schwamm.
Bevorzugte Vliesstoff-Membranträger können prinzipiell nach allen gängigen Vliesstoffherstellungsverfahren, wie Nassvlies, Trockenvlies oder Spinnvlies, vorzugsweise aus Stapelfasern im Trockenlegeprozess, produziert werden. Ein Nasslegeprozess ist prinzipiell denkbar, solange sichergestellt werden kann, dass sich die Fasern nicht vor der Membranherstellung auflösen.
Darüber hinaus wird die Verwendung von Spinnvliesstoffen in vielen Bereichen möglich, wo bisher nur nassgelegte Vliesstoffe mit Fasertitern von unter 1 dtex verwendet wurden. Spinnvliesstoffe sind besonders preisgünstig, eignen sich aber aufgrund der inhomogenen Faserverteilung bisher nur begrenzt zur Membranherstellung.
Das Kardierverfahren ist in der Regel für Fasern unter 1 dtex nur schwierig beherrschbar und kommerziell nicht effektiv, da die Kardierleistung mit der Feinheit der Fasern abnimmt.
Für Nassvliesstoffe sind Fasertiter bis minimal 0,1 dtex verwendbar.
Kommerziell bieten die erfindungsgemäßen Membranträger die Möglichkeit, auf feinste Fasern unter 1 dtex zu verzichten oder die Luftdurchlässigkeit bei Verwendung von feinsten Fasern noch weiter zu reduzieren.
Bevorzugt werden für den erfindungsgemäßen Membranträger Fasern mit einem Titer von 0,5 bis 10 dtex eingesetzt.
Verwendung kann der erfindungsgemäße Membranträger für die Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen in der Industrie in Bereichen der Biotechnologie, Lebensmittel, Medizin und/oder der Abwasseraufbereitung finden.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen angeben, bei dem dem erfindungsgemäßen Membranträger zumindest ein wasserlösliches Polymer als wasserlösliche Ausrüstung durch Beimischung, Imprägnierung und/oder Beschichtung zugefügt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen erfolgt die bevorzugte wasserlösliche Ausrüstung des Membranträgers vorzugsweise durch Beschichten, Bedrucken, Besprühen, Tränken bzw. Imprägnieren, Laminieren, einen Rakelprozess oder einen Walzenprozess, insbesondere mittels Kardieren oder mit einem Foulard
Vorteilhafterweise wird das wasserlösliche Polymer während der Membranherstellung, insbesondere nach Applikation der Membranpolymerlösung im wässrigen Fällbad der Membrankoagulation, und/oder nach der Membranherstellung aus dem Membranträger heraus gelöst bzw. entfernt. Dies erfolgt beispielsweise durch Behandlung der Membran mit Wasser oder mit einer Hypochloritlösung, wodurch insbesondere durch die Dauer der Behandlung die Porengröße eingestellt bzw. insbesondere die Porösität des Membranträgers erhöht werden kann.
Um eine verbesserte Porösität und/oder Drainage der Membran zu gewährleisten, umfasst die Ausrüstung mit wasserlöslichen Polymeren vorzugsweise zumindest teilweise dieselben Polymere wie die applizierte Membranpolymerlösung.
Durch den Einbau dieser Polymere in einen Membranträger entstehen keine zusätzlichen Prozessschritte während der Membranherstellung, da die wasserlöslichen Polymere der Membranpolymerlösung im Koagulationsbad sowieso entfernt werden müssen. Hierbei löst sich eine entsprechende wasserlösliche Beimischung, Beschichtung oder Imprägnierung des Membranträgers ebenfalls auf.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Membranträgers sind eine einstellbare, höhere Porösität durch bzw. nach Entfernen der Ausrüstung im Vergleich zu herkömmlichen Membranträgern.
Neben der angestrebten höheren Porosität erlaubt es die Erfindung, den Membranträger gezielt auf andere Notwendigkeiten, wie zum Beispiel mechanische Eigenschaften auszurichten, ohne dass ein Durchtreten der Membranpolymerlösung oder ein zu tiefes Eindringen der Membranpolymerlösung befürchtet werden muss.
Ausführung der Erfindung
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Beispiele näher erläutert.
1) Beispiele für thermisch gebundene, kardierte Vliesstoffe unter Beimischung von wasserlöslichen Fasern als erfindungsgemäße Membranträger
Als wasserlösliche Faser auf Basis von Polyvinylalkohol wurde in den Faserrezepturen 1a) bis 1e) zum Beispiel Kuralon K-II, WN 2 mit 2,2 dtex (Marke der Firma Kuraray) verwendet.
Membranträger mit der Faserrezeptur 1a)

– 40 Gew.-% Polyesterfaser unverstreckt (zum Beispiel Tergal T190 mit 5,5 dtex der Firma Tergal Fibers, Frankreich)
– 55 Gew.-% Polyesterfaser verstreckt (zum Beispiel Trevira 290 mit 1,7 dtex der Firma Trevira GmbH)
– 5 Gew.-% wasserlösliche Polyvinylalkoholfaser

Membranträger mit der Faserrezeptur 1b)

– 40 Gew.-% Polyphenylensulfidfaser unverstreckt (zum Beispiel Nexylene^® PPS S970 mit 5 dtex der Firma Nexis Fibers, Schweiz)
– 55 Gew.-% Polyphenylensulfidfaser verstreckt (zum Beispiel Nexylene^® PPS S902 mit 2 dtex der Firma Nexis Fibers, Schweiz)
– 5 Gew.-% wasserlösliche Polyvinylalkoholfaser

Membranträger mit der Faserrezeptur 1c)

– 95 Gew.-% Bikomponentenfaser aus Polyester (zum Beispiel Trevira^® T262 mit 2,2 dtex der Firma Trevira GmbH),
– 5 Gew.-% wasserlösliche Polyvinylalkoholfaser

Membranträger mit der Faserrezeptur 1d)

– 95 Gew.-% Bikomponentenfaser aus Polyolefin (zum Beispiel Danaklon^® ESC mit 3,3 dtex der Firma Fibervisions, Dänemark)
– 5 Gew.-% wasserlösliche Polyvinylalkoholfaser

Membranträger mit der Faserrezeptur 1e)

– 95 Gew.-% Bikomponentenfaser aus Polyamid (zum Beispiel Grilon^®, PA6/PA66 BA 310 mit 3,3 dtex der Fa. EMS-Chemie GmbH & Co. KG)
– 5 Gew.-% wasserlösliche Polyvinylalkoholfaser

2) Beispiele für im Foulard oder durch Beschichtung wasserlöslich ausgerüstete Vliesstoffe als erfindungsgemäße Membranträger
In den Beispielen 2a) bis 2d) wurde für die wasserlösliche Ausrüstung der Vliesstoffe Vinarol DT (Marke der Firma Clariant) eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein teilweise verseiftes Polyvinylacetat. Die Prüfung der Luftdurchlässigkeit erfolgte gemäß DIN EN ISO 9237 mit einem Gerät der Firma Textest bei einem Differenzdruck von 200 Pa.
2a) Spinnvliesstoff-Membranträger mit wasserlöslicher Ausrüstung (Foulard)
Eingesetzt wird ein Polypropylen Spinnvliesstoff (zum Beispiel Viledon^® Novatexx 2010 von Freudenberg) mit einem Flächengewicht von 50 g/m² und einer Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa Differenzdruck von 2000–3000 l/m²s. Durch Ausrüstung im Foulard mit einer 3 Gew.-%igen wässrigen Vinarol DT-Lösung wird eine Auflage bzw. Beschichtung zwischen 2 und 3 g/m² realisiert. Diese Ausrüstung führt zu einer Reduktion der Luftdurchlässigkeit auf Werte von 700–1200 l/m²s.
2b) Kardierter Trockenvliesstoff-Membranträger mit wasserlöslicher Ausrüstung (Foulard)
Eingesetzt wird ein kardierter Trockenvliesstoff aus Polyethylenterephthalat (zum Beispiel Viledon^® Novatexx 2413 N von Freudenberg, 60% Trevira 290 mit 1,7 dtex und 40% Tergal T190 mit 5,5 dtex) mit einem Flächengewicht von 100 g/m² und einer Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa Differenzdruck von 250–350 l/m²s.
Durch Ausrüstung im Foulard mit einer 10 Gew.-%igen wässrigen Vinarol DT-Lösung und anschließender Trocknung wird eine Auflage bzw. Beschichtung zwischen 5 und 6 g/m² realisiert. Diese Ausrüstung führt zu einer Reduktion der Luftdurchlässigkeit auf Werte von 100–150 l/m²s. Waschversuche mit kaltem und warmem Wasser (50°C) mit unbewegten Mustern, das heißt allein durch Lagerung in Wasser, zeigen, dass nach dem Auswaschen des Polyvinylalkohols wieder ähnlich Werte der Luftdurchlässigkeit resultieren wie vor der Ausrüstung (ca. 250 l/m²s). Das heißt, Vinarol DT- konnte zu fast 100% nur durch Lagerung in Wasser herausgelöst werden.
2c) Kardierter Trockenvliesstoff-Membranträger mit wasserlöslicher Ausrüstung (einseitiger Beschichtung)
Eingesetzt wird ein kardierter Trockenvliesstoff aus Polyethylenterephthalat (zum Beispiel Viledon^® Novatexx 2413 N von Freudenberg, 60% Trevira 290 mit 1,7 dtex und 40% Tergal T190 mit 5,5 dtex) mit einem Flächengewicht von 100 g/m² und einer Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa Differenzdruck von 250–350 l/m²s. Durch einseitiges Auftragen bzw. Streichen mit einer 20 Gew.-%igen wässrigen Vinarol DT-Lösung und anschließender Trocknung wird eine Auflage bzw. Beschichtung zwischen 15 und 20 g/m² realisiert. Diese Ausrüstung führt zu einer Reduktion der Luftdurchlässigkeit auf Werte von 4–15 l/m²s. Mit einer 30 Gew.-%igen wässrigen Vinarol DT-Lösung und einer Auflage von größer 20 g/m² wird die Luftdurchlässigkeit auf Werte unter 1 l/m²s. reduziert.
2d) Nassgelegter Vliesstoff-Membranträger mit wasserlöslicher Ausrüstung (Foulard)
Eingesetzt wird ein nassgelegter Vliesstoff aus 100 Gew.-% Bikomponentenfaser aus Polypropylen (Kern) und Polyethylen (Mantel) (zum Beispiel Viledon^® Novatexx 2471 von Freudenberg) mit einem Flächengewicht von 90 g/m² und einer Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa Differenzdruck von 120–180 l/m²s. Eine Absenkung der Luftdurchlässigkeit durch stärkere Kalibrierung der Dicke ist technisch ohne punktuelle Verglasung, das heißt ohne Aufschmelzen, der Faserstruktur nicht möglich.
Durch Ausrüstung im Foulard mit verschiedenen Konzentrationen an einer wässrigen Vinarol DT-Lösung sind analog zu 2a) bis 2c) alle beliebigen Luftdurchlässigkeiten bis zur vollständigen Versiegelung darstellbar.
Dies erlaubt die Verwendung dieses Trägermaterials speziell bei der Applikation von sehr dünnflüssigen Membranpolymerlösungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005015550 B4 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 9237 [0037]

Claims

Membranträger von flüssig applizierten Polymermembranen, der als Trägermaterial zumindest ein wasserlösliches Polymer umfasst.
Membranträger nach Anspruch 1, der als Textil, insbesondere als Vliesstoff, Gewebe oder Gewirk, ausgestaltet ist, oder als Folie, Film oder als Schwamm.
Membranträger nach Anspruch 1 oder 2, wobei als wasserlösliches Polymer ein Polyvinylalkohol, teilweise verseiftes bzw. hydrolysiertes Polyvinylacetat, Polyvinylpyrrolidon, wasserlösliches Cellulosederivat, Polyethylenglykol, Polyacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylamin, Polyethylenimin und/oder zumindest ein Copolymer aus den genannten Polymeren eingesetzt ist.
Membranträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Ausrüstung mit 0,1 Gew.-% bis 70 Gew.-% wasserlöslichem Polymer, bevorzugt bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mit 0,2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, umfasst.
Membranträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Ausrüstung mit wasserlöslichem Polymer als Beimischung, Imprägnierung und/oder Beschichtung, insbesondere im Bereich zwischen 1 g/m² und 50 g/m², vorzugsweise zwischen 0,15 g/m² und 20 g/m², umfasst.
Membranträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wasserlösliche Polymer inhomogen oder graduell über den Querschnitt verteilt ist.
Verwendung eines Membranträgers nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen, insbesondere in der Industrie in Bereichen der Biotechnologie, Lebensmittel, Medizin und/oder der Abwasseraufbereitung.
Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen, bei dem dem Membranträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das wasserlösliche Polymer als wasserlösliche Ausrüstung durch Beimischung, Imprägnierung und/oder Beschichtung zugefügt wird.
Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen nach Anspruch 8, bei dem die wasserlösliche Ausrüstung des Membranträgers durch Bedrucken, Besprühen, Tränken, Laminieren, einen Rakelprozess oder einen Walzenprozess erfolgt.
Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen nach Anspruch 8 oder 9, bei dem für die wasserlösliche Ausrüstung zumindest teilweise dieselben Polymere wie für die applizierte Membranpolymerlösung eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung flüssig applizierter Polymermembranen nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das wasserlösliche Polymer während der Membranherstellung, insbesondere nach Applikation der Membranpolymerlösung im wässrigen Fällbad der Membrankoagulation, und/oder nach der Membranherstellung aus dem Membranträger heraus gelöst bzw. entfernt wird.