DE102013222895A1 - Device for microfiltration of a fluid - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung (1) zur Mikrofiltrierung eines Fluids (2) mit zumindest einer Mikrofiltereinheit, welche Mikrofiltereinheit (3) eine Mehrzahl Poren (5a, 5b, 5c) umfasst und von dem Fluid (2) durchströmbar ist, und zumindest einer UV-Lichtquelle (4), wobei die Mikrofiltereinheit (3) zur Entkeimung der Poren (5a, 5b, 5c) mit UV-Strahlung der UV-Lichtquelle (4) beaufschlagbar ist und das Fluid (2) zur Entkeimung mit der UV-Strahlung der UV-Lichtquelle (4) beaufschlagbar ist. Wesentlich ist, dass die UV-Lichtquelle (4) als UV-LED-Element ausgebildet ist und die Mikrofiltereinheit (3) einen Wellenleitbereich für UV-Strahlung mit einem Brechungsindex n ≥ 1,36 aufweist, welcher Wellenleitbereich zumindest die Poren (5a, 5b, 5c) umfasst, wobei das UV-LED-Element (4) und die Mikrofiltereinheit (3) derart zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet sind, dass die UV-Strahlung von dem UV-LED-Element (4) in den Wellenleitbereich der Mikrofilterreinheit (3) zumindest mittelbar einkoppelbar ist.A device (1) for microfiltration of a fluid (2) with at least one microfilter unit is proposed, which microfilter unit (3) comprises a plurality of pores (5a, 5b, 5c) and through which the fluid (2) can flow, and at least one UV filter. Light source (4), wherein the microfilter unit (3) for sterilizing the pores (5a, 5b, 5c) with UV radiation of the UV light source (4) can be acted upon and the fluid (2) for sterilization with the UV radiation of the UV Light source (4) can be acted upon. It is essential that the UV light source (4) is designed as a UV LED element and the microfilter unit (3) has a waveguide region for UV radiation with a refractive index n ≥ 1.36, which waveguide region at least the pores (5a, 5b , 5c), wherein the UV LED element (4) and the microfilter unit (3) are arranged and configured in such a way that the UV radiation from the UV LED element (4) into the waveguide region of the microfiltration unit (3 ) is at least indirectly einkoppelbar.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The invention relates to a device for microfiltration of a fluid according to the preamble of
Eine solche Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids umfasst zumindest eine Mikrofiltereinheit mit einer Mehrzahl Poren, welche von dem Fluid durchströmt wird, und zumindest eine UV-Lichtquelle, wobei die Mikrofiltereinheit zur Entkeimung der Poren und das Fluid zur Entkeimung mit UV-Strahlung der UV-Lichtquelle beaufschlagbar sind.Such a device for microfiltration of a fluid comprises at least one microfilter unit with a plurality of pores, through which the fluid flows, and at least one UV light source, the microfilter unit for sterilizing the pores and the fluid for sterilization with UV radiation of the UV light source can be acted upon.
Vorrichtungen der genannten Art werden typischerweise zur Aufbereitung von Abwasser in Kläranlagen bzw. zur Entkeimung von Trinkwasser eingesetzt. Bei der Entkeimung werden organische Rückstände, wie Bakterien, Viren oder Amöben, durch Bestrahlung mit UV-Licht im UVC-Bereich (Wellenlängenbereich um 260 nm) durch Aufbrechen der Nukleinbasen des DNA-Strangs abgetötet.Devices of the type mentioned are typically used for the treatment of wastewater in sewage treatment plants or for the sterilization of drinking water. During degermination, organic residues, such as bacteria, viruses or amoebae, are killed by irradiation with UV light in the UVC range (wavelength range around 260 nm) by breaking up the nucleic bases of the DNA strand.
Aus dem Stand der Technik sind großvolumige Vorrichtungen mit Gasentladungslampen, wie zum Beispiel Quecksilberdampflampen oder Amalgamlampen, bekannt, die in einem Volumenstrom des Fluids zur Beaufschlagung des Fluids mit UV-Strahlung angeordnet sind.Large-volume devices with gas discharge lamps, for example mercury vapor lamps or amalgam lamps, which are arranged in a volume flow of the fluid for the admission of the fluid with UV radiation, are known from the prior art.
Nachteilig an den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ist, dass die Vorrichtungen aufgrund der notwendigen Hochspannung zum Betrieb der Lampen groß und aufgrund des Einsatzes der Gasentladungslampen hochempfindlich sind. Aus den genannten Gründen sind diese Vorrichtungen auch nur bedingt mobil einsetzbar. Ebenso nachteilig ist, dass bei den vorbekannten Vorrichtungen eine Vorfilterung zur Filtrierung von Schwebstoffen oder Agglomeraten erfolgen muss.A disadvantage of the devices of the prior art is that the devices are large due to the high voltage required for the operation of the lamps and highly sensitive due to the use of the gas discharge lamps. For the reasons mentioned, these devices are also limited mobile use. It is also disadvantageous that in the previously known devices, a prefiltration must be carried out for the filtration of suspended matter or agglomerates.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids vorzuschlagen, die eine robuste Konstruktion ermöglicht und die dezentrale und/oder mobile Mikrofiltrierung von Fluiden ermöglicht.The present invention is therefore based on the object to propose a device for microfiltration of a fluid, which allows a robust construction and allows the decentralized and / or mobile microfiltration of fluids.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids gemäß Anspruch 12. Vorzugsweise Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 11. Vorzugsweise Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 13 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.This object is achieved by a device for microfiltration of a fluid according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids umfasst, wie an sich bekannt, zumindest eine Mikrofiltereinheit, welche Mikrofiltereinheit eine Mehrzahl Poren umfasst und von dem Fluid durchströmbar ist, und zumindest eine UV-Lichtquelle. Die Mikrofiltereinheit ist zur Entkeimung der Poren mit UV-Strahlung der UV-Lichtquelle beaufschlagbar und das Fluid ist zur Entkeimung mit der UV-Strahlung der UV-Lichtquelle beaufschlagbar.The device according to the invention for the microfiltration of a fluid comprises, as is known, at least one microfilter unit, which microfilter unit comprises a plurality of pores and through which the fluid can flow, and at least one UV light source. The microfilter unit can be acted upon for sterilizing the pores with UV radiation of the UV light source and the fluid is acted upon for sterilization with the UV radiation of the UV light source.
Wesentlich ist, dass die UV-Lichtquelle als UV-LED-Element ausgebildet ist und die Mikrofiltereinheit einen Wellenleitbereich für UV-Strahlung mit einem Brechungsindex n ≥ 1,36 aufweist, welcher Wellenleitbereich zumindest die Poren umfasst, wobei das UV-LED-Element und die Mikrofiltereinheit derart zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet sind, dass die UV-Strahlung von dem UV-LED-Element in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit zumindest mittelbar einkoppelbar ist.It is essential that the UV light source is designed as a UV LED element and the microfilter unit has a waveguide region for UV radiation with a refractive index n ≥ 1.36, which waveguide region comprises at least the pores, wherein the UV LED element and the microfilter unit are arranged and configured cooperatively in such a way that the UV radiation from the UV LED element can be at least indirectly coupled into the waveguiding region of the microfilter unit.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass der Einsatz von UV-LED-Elementen als UV-Lichtquelle in Kombination mit einer Führung der UV-Strahlung in dem Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit die Konstruktion einer kompakten und mobilen Vorrichtung zur Mikrofiltrierung von Fluiden ermöglicht.The invention is based on the Applicant's finding that the use of UV LED elements as a UV light source in combination with a guiding of the UV radiation in the waveguide region of the microfilter unit enables the construction of a compact and mobile device for the microfiltration of fluids.
Hierdurch ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass durch den Einsatz von UV-LEDs eine geringere Betriebsspannung als bei vorbekannten UV-Lichtquellen benötigt wird und der Einsatz hochempfindlicher Gasentladungslampen vermieden wird. Weiter vorteilhaft ist, dass durch die Führung der UV-Strahlung in der Mikrofiltereinheit die mechanische Filterung von Schwebstoffen und die UV-Entkeimung des Fluids in einem Schritt erfolgen können. Den genannten Vorteilen ist gemein, dass sie den Bauraumbedarf der Vorrichtung zur Mikrofiltrierung von Fluiden verringern und somit eine kompakte und mobile Bauform ermöglichen.This results in particular in the advantages that a lower operating voltage is required by the use of UV LEDs than in previously known UV light sources and the use of highly sensitive gas discharge lamps is avoided. It is also advantageous that by guiding the UV radiation in the microfiltration unit, the mechanical filtering of suspended matter and the UV sterilization of the fluid can take place in one step. The advantages mentioned have in common that they reduce the space requirement of the device for microfiltration of fluids and thus enable a compact and mobile design.
Im Rahmen dieser Beschreibung bedeutet ein Brechungsindex n ≥ 1,36, dass der Realteil des Brechungsindex, insbesondere in einem UVC-Spektralbereich von 250 nm bis 400 nm, größer oder gleich 1,36 ist. Der Brechungsindex des Wellenleitbereichs ist somit deutlich größer als der Brechungsindex der Umgebung (typischerweise Luft n ≈ 1 oder Wasser), sodass die Führung der UV-Strahlung in dem Wellenleitbereich durch Totalreflexion erfolgen kann.In the context of this description, a refractive index n ≥ 1.36 means that the real part of the refractive index, in particular in a UVC spectral range from 250 nm to 400 nm, is greater than or equal to 1.36. The refractive index of the waveguide region is thus significantly larger than the refractive index of the environment (typically air n≈1 or water), so that the guidance of the UV radiation in the waveguide region can be carried out by total reflection.
Im Rahmen dieser Beschreibung umfasst Entkeimung der Poren der Mikrofiltereinheit auch eine Verhinderung oder Reduzierung der Verkeimung der Poren.In the context of this description, sterilization of the pores of the microfilter unit also includes preventing or reducing the contamination of the pores.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl UV-LED-Elemente, die vorzugsweise unmittelbar an der Mikrofiltereinheit angeordnet sind, so dass die UV-Strahlung von den UV-LED-Elementen vorzugsweise unmittelbar in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit einkoppelbar ist. Die UV-LED-Elemente sind dabei vorzugsweise derart an der Mikrofiltereinheit angeordnet, dass die UV-Strahlung mit einer Hauptstrahlungsrichtung unmittelbar von dem UV-LED-Element in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit übergeht. Die UV-LED-Elemente können an unterschiedlichen Stellen der Mikrofiltereinheit angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die UV-Strahlung effizient in den Wellenleiterbereich der Mikrofiltereinheit eingekoppelt werden kann. Durch das Vorsehen einer Mehrzahl an UV-LED-Elementen an unterschiedlichen Stellen der Mikrofiltereinheit kann eine ausreichende UV-Strahlung derart sichergestellt werden, dass zumindest die Oberfläche der Poren, vorzugsweise der gesamte Wellenleitbereich von der UV-Strahlung durchdrungen wird. Somit wird an der Grenzfläche zwischen dem Fluid und dem Wellenleitbereich, auch in den Poren, eine Wechselwirkung zwischen Fluid und UV-Strahlung statt. Diese Wechselwirkung erfolgt vorzugsweise auch durch eine evaneszente Welle. Beispielsweise ergibt sich bei Saphir (n = 1.84) als Material für das Wellenleitelement und Wasser (n = 1.36) eine Eindringtiefe der evaneszenten Welle der UV-Strahlung in die Poren, abhänigig von einem Auftreffwinkel, von ungefähr einer Wellenlänge. Insbesondere bei Poren mit einem geringen Porendurchmesser liegt die Eindringtiefe der evaneszenten Welle also etwa im Bereich des Porenradius.In a preferred embodiment, the device comprises a plurality of UV LED Elements which are preferably arranged directly on the microfilter unit, so that the UV radiation from the UV LED elements is preferably coupled directly into the waveguide region of the microfilter unit. The UV LED elements are preferably arranged on the microfilter unit such that the UV radiation with a main radiation direction merges directly from the UV LED element into the waveguide region of the microfilter unit. The UV LED elements can be arranged at different locations of the microfilter unit. This has the advantage that the UV radiation can be efficiently coupled into the waveguide region of the microfilter unit. By providing a plurality of UV LED elements at different locations of the microfilter unit, sufficient UV radiation can be ensured in such a way that at least the surface of the pores, preferably the entire waveguide region, is penetrated by the UV radiation. Thus, at the interface between the fluid and the waveguiding region, also in the pores, an interaction between fluid and UV radiation takes place. This interaction is preferably also by an evanescent wave. For example, for sapphire (n = 1.84) as the material for the waveguide and water (n = 1.36), there is a penetration depth of the evanescent wave of UV radiation into the pores, depending on an angle of incidence, of approximately one wavelength. Especially with pores having a small pore diameter, the penetration depth of the evanescent wave is thus approximately in the region of the pore radius.
Vorzugsweise sind die UV-LED-Elemente einen Randbereich der Mikrofiltereinheit umlaufend ausgebildet. Dabei können die UV-LED-Elemente zum Beispiel seitlich an der Kante der Mikrofiltereinheit umlaufend angeordnet sein oder auf einer Oberfläche der Mikrofiltereinheit, vorzugsweise planar, angeordnet sein. Höchstvorzugsweise beträgt bei Anordnung der UV-LED-Elementen an umfangseitigen Kanten und/oder in einem umlaufenden Randbereich die Dichte der UV-LED-Elemente zwischen 0.1 und 10 UV-LED-Elemente/mm Umfang.Preferably, the UV LED elements are circumferentially formed on an edge region of the microfilter unit. In this case, the UV LED elements may, for example, be arranged peripherally on the edge of the microfilter unit or arranged on a surface of the microfilter unit, preferably planar. When the UV LED elements are arranged on peripheral edges and / or in a peripheral edge region, the density of the UV LED elements is preferably between 0.1 and 10 UV LED elements / mm circumference.
Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff „UV-LED-Element” eine UV-LED oder eine Anordnung von mehreren UV-LEDs. Die UV-LEDs emittieren vorzugsweise UV-Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 250–280 nm.As used herein, the term "UV LED element" refers to a UV LED or an array of multiple UV LEDs. The UV LEDs preferably emit UV radiation in a wavelength range of 250-280 nm.
Eine weitere vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das UV-LED-Element von dem Fluid räumlich getrennt ist, insbesondere durch die Mikrofiltereinheit und/oder durch ein zusätzliches Wellenleitelement für die UV-Strahlung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Verschmutzung des UV-LED-Elements zuverlässig vermeiden wird. Insbesondere kann mittels des zusätzlichen Wellenleitelements sichergestellt werden, dass die UV-Strahlung über das Wellenleitelement in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit eingekoppelt wird. Dabei kann das UV-LED-Element vorzugsweise unmittelbar an dem Wellenleitelement angeordnet sein, sodass die UV-Strahlung von dem UV-LED-Element in das Wellenleitelement eintritt. Das Wellenleitelement und die Mikrofiltereinheit sind vorzugsweise derart miteinander zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet, dass die UV-Strahlung von dem Wellenleitelement in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit eingekoppelt wird.A further preferred embodiment of the invention is characterized in that the UV-LED element is spatially separated from the fluid, in particular by the microfilter unit and / or by an additional waveguide element for the UV radiation. This has the advantage that contamination of the UV LED element is reliably avoided. In particular, it can be ensured by means of the additional waveguide element that the UV radiation is coupled via the waveguide element into the waveguide region of the microfiltration unit. In this case, the UV-LED element may preferably be arranged directly on the waveguide, so that the UV radiation from the UV-LED element enters the waveguide. The waveguide element and the microfilter unit are preferably arranged and configured to cooperate with one another such that the UV radiation from the waveguide element is coupled into the waveguide region of the microfilter unit.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein zusätzliches Wellenleitelement für die UV-Strahlung. Vorzugsweise ist das UV-LED-Element derart an dem Wellenleitelement angeordnet, dass die UV-Strahlung von dem UV-LED-Element über das Wellenleitelement in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit einkoppelbar ist. Die Einkopplung der UV-Strahlung in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit erfolgt hier mittelbar über das Wellenleitelement oder über das Wellenleitelement und das Fluid. Das zusätzliche Wellenleitelement und die Mikrofiltereinheit können vorzugsweise ein Durchflussvolumen für das zu filtrierende Fluid bilden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch an einer Grenzfläche von Wellenleitelement und dem Fluid eine Wechselwirkung und somit eine UV-Entkeimung des Fluids stattfindet. Weiter vorteilhaft ist, dass in einfacher und vorbekannter Weise mittels des Wellenleitelements Durchflusskammern für das zu filtrierende Fluid konstruiert werden können.In a further preferred embodiment, the device comprises an additional waveguide element for the UV radiation. The UV LED element is preferably arranged on the waveguide element in such a way that the UV radiation from the UV LED element can be coupled into the waveguide region of the microfilter unit via the waveguide element. The coupling of the UV radiation into the waveguide region of the microfilter unit takes place here indirectly via the waveguide element or via the waveguide element and the fluid. The additional waveguide element and the microfilter unit may preferably form a flow volume for the fluid to be filtered. This results in the advantage that an interaction and thus a UV sterilization of the fluid also takes place at an interface of the waveguide element and the fluid. It is also advantageous that flow chambers for the fluid to be filtered can be constructed in a simple and previously known manner by means of the waveguide element.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform weist die Vorrichtung Reflexionsmittel für die UV-Strahlung auf. Insbesondere bevorzugt sind die Reflexionsmittel an einer dem UV-LED-Element gegenüberliegenden Seite der Mikrofiltereinheit zur Reflexion der UV-Strahlung angeordnet. Die Reflexionsmittel können z. B. als reflektierende Beschichtung an einer Außenseite der Mikrofiltereinheit und/oder einer Außenseite des Wellenleitelements ausgebildet sein. Vorteilhafterweise verhindert die Anordnung von Reflexionsmitteln für die UV-Strahlung, dass die UV-Strahlung in einem Winkelbereich in dem keine Totalreflexion erfolgt aus dem Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit oder dem Wellenelement austritt und/oder erhöht die wiederholte Einkopplung der UV-Strahlung. Somit wird zusätzlich zu der Führung der UV-Strahlung durch Totalreflexion ein Austreten der UV-Strahlung aus dem Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit oder dem Wellenelement durch Reflexion an den Reflexionsmitteln verringert.In a further preferred embodiment, the device has reflection means for the UV radiation. Particularly preferably, the reflection means are arranged on a side of the microfilter unit opposite the UV-LED element for reflection of the UV radiation. The reflection means can z. B. be formed as a reflective coating on an outer side of the microfilter and / or an outer side of the waveguide. Advantageously, the arrangement of reflection means for the UV radiation prevents the UV radiation in an angular range in which no total reflection occurs from the waveguide region of the microfiltration unit or the wave element exits and / or increases the repeated coupling of the UV radiation. Thus, in addition to the guidance of the UV radiation by total reflection, leakage of the UV radiation from the waveguiding region of the microfiltration unit or the wave element is reduced by reflection at the reflection means.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform verläuft die Hauptabstrahlungsrichtung des UV-LED-Elements senkrecht und/oder parallel zu einer Flussrichtung des Fluids.In a further preferred embodiment, the main emission direction of the UV LED element is perpendicular and / or parallel to a flow direction of the fluid.
Eine weitere vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mikrofiltereinheit als Wellenleitbereich ausgebildet ist. Another preferred embodiment of the invention is characterized in that the microfilter unit is designed as a waveguide region.
Insbesondere bevorzugt ist die Mikrofiltereinheit aus einem Material mit einem (realen) Brechungsindex n ≥ 1,36 ausgebildet. Bevorzugt ist die Mikrofiltereinheit aus dem Material des Wellenleitbereichs, insbesondere bevorzugt einstückig ausgebildet. Vorzugswiese umfasst der Wellenleitbereich die Mikrofiltereinheit. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die UV-Strahlung in allen Bereichen der Mikrofiltereinheit geführt werden kann.Particularly preferably, the microfilter unit is formed from a material having a (real) refractive index n ≥ 1.36. Preferably, the microfilter unit is formed from the material of the waveguide region, in particular preferably in one piece. Preferably, the waveguide region comprises the microfilter unit. This has the advantage that the UV radiation can be guided in all areas of the microfiltration unit.
Vorzugsweise ist der Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit und/oder die Mikrofiltereinheit aus Quarzglas und/oder Saphir ausgebildet. Sowohl Quarzglas als auch Saphir weisen in dem UV-Spektralbereich eine optisch hohe Transmission sowie einen (realen) Brechungsindex deutlich größer als n = 1,36 auf. Weiter weisen die genannten Materialien ein inertes Verhalten gegenüber aggressiven Medien sowie eine hohe Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit auf. Insbesondere bei der Verwendung von Saphir ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass eine Vielzahl UV-LEDs auf Saphirwafern als Substratmaterial hergestellt werden. Dadurch sind die UV-LED-Elemente in einfacher und kostengünstiger Art und Weise bereits auf einem Saphirsubstrat angeordnet. Dieses Saphirsubstrat mit den UV-LED-Elementen kann in einfacher und kostengünstiger Weise als Ausgangsmaterial für die Mikrofiltereinheit eingesetzt werden.The waveguide region of the microfilter unit and / or the microfilter unit are preferably formed from quartz glass and / or sapphire. Both quartz glass and sapphire have optically high transmission in the UV spectral region and a (real) refractive index significantly greater than n = 1.36. Furthermore, the materials mentioned have an inert behavior towards aggressive media and a high resistance to corrosion and abrasion. In particular, when using sapphire there is the additional advantage that a large number of UV LEDs are produced on sapphire wafers as substrate material. As a result, the UV LED elements are already arranged in a simple and cost-effective manner on a sapphire substrate. This sapphire substrate with the UV LED elements can be used in a simple and cost-effective manner as a starting material for the microfilter unit.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zumindest zwei Mikrofiltereinheiten, wobei die Poren einer ersten Mikrofiltereinheit einen größeren Durchmesser als die Poren einer in Flussrichtung des Fluids nachfolgend angeordneten zweiten Mikrofiltereinheit aufweisen. Vorzugsweise sind an der ersten Mikrofiltereinheit zumindest ein UV-LED-Element, höchst vorzugsweise zumindest zwei UV-LED-Elemente, angeordnet. Die UV-Strahlung wird vorzugsweise unmittelbar von den UV-LED-Elementen in den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit eingekoppelt. Ein Teil der UV-Strahlung wird in dem Wellenleitbereich der ersten Mikrofiltereinheit geführt. Ein anderer Teil verlässt den Wellenleitbereich der ersten Mikrofiltereinheit und wird über ein Wellenleitelement und/oder das Fluid in den Wellenleitbereich der zweiten Mikrofiltereinheit eingekoppelt.In a further preferred embodiment, the device comprises at least two microfilter units, wherein the pores of a first microfilter unit have a larger diameter than the pores of a second microfilter unit subsequently arranged in the direction of flow of the fluid. Preferably, at least one UV LED element, most preferably at least two UV LED elements, are arranged on the first microfilter unit. The UV radiation is preferably coupled directly from the UV LED elements into the waveguiding region of the microfilter unit. A portion of the UV radiation is guided in the waveguide region of the first microfilter unit. Another part leaves the waveguide region of the first microfilter unit and is coupled via a waveguide element and / or the fluid into the waveguide region of the second microfilter unit.
Das Fluid passiert zuerst die erste Mikrofiltereinheit. Durch die Poren mit dem größeren Durchmesser werden Schwebstoffe und Agglomerate im Wesentlichen entfernt. Aufgrund des großen Durchmessers von Schwebstoffe und Agglomerate besteht das Risiko, dass die UV-Strahlung diese nicht vollständig durchdringt, sodass zur Entkeimung keine ausreichende Beaufschlagung mit UV-Strahlung sichergestellt ist. Somit wirkt die erste Mikrofiltereinheit vorzugsweise als eine Art Vorfilter, welcher Schwebstoffe eliminiert, die die UV-Strahlung gegebenenfalls nicht vollständig durchdringt. Darin eingeschlossene Keime könnten sonst die Vorrichtung zur Mikrofiltrierung intakt durchdringen. Weiterhin verhindert der Vorfilter das Verstopfen der feinen Poren des nachgelagerten Mikrofilters. Anschließend passiert das Fluid die zweite Mikrofiltereinheit mit dem kleineren Porendurchmesser. Auch hier erfolgt eine Filtrierung kleinerer Schwebstoffe und Agglomerate sowie eine UV-Entkeimung. Die Vorrichtung bildet somit vorzugsweise ein Multibarrierensystem mit unterschiedlicher Porengröße und selektiver UV-Bestrahlung. Hier können auch Mikrofiltereinheiten mit einem Wellenleitbereich und Mikrofiltereinheiten ohne einen Wellenleitbereich, d. h. rein für die mechanische Filterung, kombiniert werden. Dabei liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, dass eine zusätzliche Mikrofiltereinheit als rein mechanischer Vorfilter zur Entfernung von Schwebstoffen ausgebildet ist und an dieser Mikrofiltereinheit im Wesentlichen keine UV-Entkeimung erfolgt.The fluid first passes the first microfilter unit. The larger diameter pores substantially remove particulates and agglomerates. Due to the large diameter of suspended particles and agglomerates, there is the risk that the UV radiation does not completely penetrate them, so that sufficient disinfection with UV radiation is not ensured for the sterilization. Thus, the first microfilter unit preferably acts as a kind of pre-filter which eliminates suspended matter which may not fully penetrate the UV radiation. Germs entrapped therein could otherwise intact the microfiltration device. Furthermore, the pre-filter prevents the clogging of the fine pores of the downstream microfilter. Subsequently, the fluid passes through the second microfilter unit with the smaller pore diameter. Here, too, a filtration of smaller suspended matter and agglomerates and a UV sterilization takes place. The device thus preferably forms a multibarrier system with different pore size and selective UV irradiation. Here also microfilter units with a waveguide area and microfilter units without a waveguide area, i. H. purely for mechanical filtering, combined. It is also within the scope of the invention that an additional microfilter unit is designed as a purely mechanical pre-filter for removing suspended solids and substantially no UV sterilization takes place at this microfilter unit.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform weisen die Poren der Mikrofiltereinheit einen Durchmesser im Bereich von 100 nm bis 100 μm, vorzugsweise im Bereich von 200 nm bis 5 μm, höchst vorzugsweise von etwa einem μm auf. Vorzugsweise weist der Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit zwischen 30 k Poren/mm2 und 150 k Poren/mm2, bevorzugt zwischen 60 k Poren/mm2 und 120 k Poren/mm2, höchstvorzugsweise ungefähr 90 k Poren/mm2 auf.In a further preferred embodiment, the pores of the microfilter unit have a diameter in the range of 100 nm to 100 .mu.m, preferably in the range of 200 nm to 5 .mu.m, most preferably of about one micron. Preferably, the waveguiding region of the microfilter unit has between 30 k pores / mm 2 and 150 k pores / mm 2 , preferably between 60 k pores / mm 2 and 120 k pores / mm 2 , most preferably approximately 90 k pores / mm 2 .
Eine weitere vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mikrofiltereinheit eine photokatalytische Schicht aufweist. Vorzugsweise ist die photokatalytische Schicht als Titandioxidschicht ausgebildet. Dies ermöglicht eine photokatalytische Entkeimung an der Grenzfläche zumindest der Wellenleitbereiche der Mikrofiltereinheit und des Fluids. Bei der photokatalytischen Entkeimung zersetzt ein Katalysator (z. B. nanokristallines Titandioxid) unter UV-Bestrahlung, vorzugsweise UVA-Strahlung, organische Moleküle und Bakterien. Beispielsweise ist bei Titandioxid UV-Strahlung in einem Wellenlängenbereich um ungefähr 385 nm erforderlich. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass in diesem Wellenlängenbereich leistungsstarke UVA-LEDs auf Basis von GaInN-Halbleitern eingesetzt werden können. Diese UVA-LEDs sind mit einer Effizienz von über 20% verfügbar. Weiter vorteilhaft ist, dass aufgrund des eingesetzten Wellenlängenbereichs kostengünstigere Wellenleitermaterialien, wie Glas, Glasfasermatten und/oder UVA-transparente Kunststoffe, wie PMMA eingesetzt werden können. Beim Einsatz von Kunststoffen ergibt sich als ein zusätzlicher Vorteil, dass die Poren der Mikrofiltereinheit durch einfache und vorbekannte Abformtechniken erzeugt werden können.Another preferred embodiment of the invention is characterized in that the microfilter unit has a photocatalytic layer. Preferably, the photocatalytic layer is formed as a titanium dioxide layer. This enables a photocatalytic degermination at the interface of at least the waveguiding regions of the microfiltration unit and of the fluid. In photocatalytic sterilization, a catalyst (eg nanocrystalline titanium dioxide) decomposes under UV irradiation, preferably UVA radiation, organic molecules and bacteria. For example, titanium dioxide requires UV radiation in a wavelength range of about 385 nm. This has the advantage that powerful UVA LEDs based on GaInN semiconductors can be used in this wavelength range. These UVA LEDs are available with an efficiency of over 20%. Another advantage is that due to the wavelength range used cheaper waveguide materials, such as glass, glass fiber mats and / or UVA-transparent plastics, such as PMMA can be used. When using plastics results as an additional advantage that the pores of the Microfilter unit can be produced by simple and well-known impression techniques.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Energieversorgung für das UV-LED-Element. Durch die Verwendung von UV-LEDs genügt eine DC-Niederspannungsversorgung zum Betreiben der Vorrichtung. Bevorzugt ist die Vorrichtung als mobile Vorrichtung ausgestaltet. Die Vorrichtung kann somit auch in mobilen Anwendungsgebieten, wie z. B. im Outdoorbereich eingesetzt werden.In a further preferred embodiment, the device comprises a power supply for the UV-LED element. By using UV LEDs, a DC low voltage supply is sufficient to operate the device. Preferably, the device is designed as a mobile device. The device can thus also in mobile applications, such. B. be used outdoors.
Die zuvor beschriebene Aufgabe ist weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Mikrofiltrierung eines Fluids umfasst folgende Verfahrensschritte:
- A Bereitstellen eines UV-transparenten Substrats mit einem Brechungsindex n ≥ 1,36;
- B Definition der Poren in der Mikrofiltereinheit mittels Laserbearbeitung des Substrats;
- C Durchführen eines Ätzvorgangs,
- A providing a UV-transparent substrate having a refractive index n ≥ 1.36;
- B definition of the pores in the microfilter unit by means of laser processing of the substrate;
- C performing an etching process,
Mit diesem Verfahren lassen sich vorteilhafterweise feine, zylindrische und/oder konische Poren herstellen, die einen geringen Durchmesser bei einer großen Längserstreckung aufweisen. Die Laserbearbeitung erfolgt mittels eines stark fokussierten Ultrakurzpulslasers, z. B. mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Pulsdauer von 10 ps. Der Ätzvorgang in Verfahrensschritt C kann z. B. mittels Flusssäure erfolgen.With this method can be advantageously produce fine, cylindrical and / or conical pores, which have a small diameter at a large longitudinal extent. The laser processing is carried out by means of a highly focused ultrashort pulse laser, z. B. with a wavelength of 355 nm and a pulse duration of 10 ps. The etching in process step C may, for. B. by means of hydrofluoric acid.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Poren einen Durchmesser im Bereich von 100 nm bis 100 μm, vorzugsweise im Bereich von 200 nm bis 5 μm, höchst vorzugsweise von etwa einem μm auf und eine Länge im Bereich von 10 μm bis 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 μm bis 1000 μm, höchst vorzugsweise im Bereich von 10 μm bis 300 μm auf.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the pores have a diameter in the range of 100 nm to 100 μm, preferably in the range of 200 nm to 5 μm, most preferably of approximately one μm and a length in the range of 10 μm to 10 mm. preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, most preferably in the range of 10 μm to 300 μm.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform kann eine Mehrzahl von UV-LEDs bzw. eine Matrix von UV-LEDs auf die Mikrofiltereinheit, vorzugsweise den Wellenleitbereich der Mikrofiltereinheit und/oder das Wellenleitelement gebondet werden. Hierbei ergibt sich der Vorteil einer direkten Lichteinkopplung ohne Luftspalt und Reflektionsverluste.In a further preferred embodiment, a plurality of UV LEDs or a matrix of UV LEDs can be bonded to the microfilter unit, preferably the waveguide region of the microfilter unit and / or the waveguide element. This results in the advantage of direct light coupling without air gap and reflection losses.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist ebenfalls die vorgenannten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.The inventive method also has the aforementioned advantages of the device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise mittels des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.The device according to the invention is preferably produced by means of the method according to the invention described above or a preferred embodiment of the method according to the invention. The method according to the invention is preferably designed to form a device according to the invention or a preferred embodiment thereof.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen Fluide in kompakten, effizienten und robusten Vorrichtungen zur Mikrofiltrierung von Fluiden gefiltert werden sollen.The apparatus and method of the invention are basically suitable for applications where fluids are to be filtered in compact, efficient, and robust microfiltration devices.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sind daher vorzugsweise ausgebildet zur mobilen und dezentralen Wasseraufbereitung, z. B. in Fahrzeugen, in Entwicklungshilfe- und Krisengebieten, oder im Outdoorbereich. Dabei kann die Mikrofiltrierung zur Wasseraufbereitung direkt an der Wasserentnahmestelle oder bei der Benutzung erfolgen.The inventive device and / or the inventive method are therefore preferably designed for mobile and decentralized water treatment, eg. B. in vehicles, development and crisis areas, or in the outdoor area. The microfiltration for water treatment can be carried out directly at the water tapping point or during use.
Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:Further preferred features and embodiments of the device according to the invention and of the method according to the invention are explained below on the basis of exemplary embodiments and the figures. Showing:
In den
Die Flussrichtung des Fluids
Die exemplarischen UV-LED-Elemente
Die UV-Strahlung wird ausgehend von den UV-LED-Elementen
Die UV-LED-Elemente
Vorliegend kann die Mikrofiltereinheit
Die Vorrichtung
Die UV-LED-Elemente
Der Abstand zwischen der ersten Mikrofiltereinheit
Die Vorrichtung
Von dem Wellenleitelement
Der Durchfluss des Fluids
Die UV-LED-Elemente
Die Herstellung der Vorrichtung
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