DE102014018481A1 - Ceramic filter membrane and filter module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine keramische Filtermembran zur Filterung eines Fluids (50), welches hergestellt ist nach folgenden Schritten A Bereitstellen einer biegsamen Trägerstruktur (1, 5, 8); B Tränken der Trägerstruktur mit einer keramikhaltigen Schlickermasse (12); und C Aushärten der Schlickermasse (12) zu der keramischen Flachfiltermembran (20), die als Flachfiltermembran ausgebildet ist, sowie eine weitere Filtermembran mit Fingerporen und ein keramisches Filtermodul.The invention relates to a ceramic filter membrane for filtering a fluid (50) which is produced according to the following steps: A providing a flexible support structure (1, 5, 8); B impregnating the carrier structure with a ceramic-containing slip mass (12); and C curing the slip mass (12) to the ceramic flat filter membrane (20), which is designed as a flat filter membrane, and a further filter membrane with finger pores and a ceramic filter module.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft zwei Varianten von Filtermembranen, sowie ein Filtermodul.The present invention relates to two variants of filter membranes, as well as a filter module.
Keramische planare Membranen, sogenannte Flachfiltermembranen, sind an sich bekannt. Diese können z. B. über Strangpressverfahren oder auch über eine aufwendige Foliengießtechnologie mit nachgeschaltetem Präge- und Laminierprozess hergestellt werden. Aus Kostengründen werden planare Membranen jedoch vorrangig aus Polymeren hergestellt, welche gegenüber keramischen Membranen deutliche Nachteile in der chemischen und thermischen Beständigkeit sowie in der mechanischen Festigkeit besitzen. Neben Flachfiltermembranen sind auch Wickelmembranen bekannt, welche allerdings aufgrund der vorgegebenen Geometrie nicht für alle Applikationen einsetzbar sind. Insbesondere wenn es um die Filterung auf engstem Raum geht, können keine Wickelmodule eingesetzt werden.Ceramic planar membranes, so-called flat filter membranes, are known per se. These can be z. B. over extrusion or even a complex Foliengießtechnologie be made with downstream embossing and laminating. For reasons of cost, however, planar membranes are predominantly made of polymers which have distinct disadvantages in terms of chemical and thermal resistance as well as mechanical strength compared to ceramic membranes. In addition to flat filter membranes and winding membranes are known, which, however, can not be used for all applications due to the given geometry. In particular, when it comes to filtering in a confined space, no winding modules can be used.
Stand der TechnikState of the art
Die
Die
Zudem sind keramische Filterelementen bekannt, welche nicht planar, sondern als Wickelmembrane ausgebildet sind.In addition, ceramic filter elements are known which are not planar, but are formed as a winding membrane.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin eine Filtermembran, die einfach herstellbar ist, und ein Filtermodul in kompakter Bauweise und mit hoher mechanischer Festigkeit bereitzustellen.Based on the aforementioned prior art, the object of the present invention is a filter membrane which is easy to produce, and to provide a filter module in a compact design and with high mechanical strength.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Filtermembran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 3 und durch ein Filtermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 11.The present invention solves this problem by a filter membrane having the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Eine erfindungsgemäße keramische Filtermembran zur Filterung eines Fluids ist nach den folgenden Schritten hergestellt
- A Bereitstellen einer biegsamen faserhaltigen Trägerstruktur;
- B Tränken der Trägerstruktur mit einer keramikhaltigen Schlickermasse;
- C Aushärten der Schlickermasse zu der keramischen Filtermembra.
- A providing a flexible fibrous carrier structure;
- B impregnating the carrier structure with a ceramic-containing slip mass;
- C curing the slip mass to the ceramic filter membrane.
Die keramische Filtermembran zeichnet sich dadurch aus, dass sie als Flachfiltermembran ausgestaltet ist.The ceramic filter membrane is characterized in that it is designed as a flat filter membrane.
Durch das Tränken des faserhaltigen Trägermaterials dringt das Schlickermaterial in die Faserstruktur ein und setzt sich auf der Oberfläche der Fasern ab. Dabei liegt die Schlicker als mehr oder weniger viskose Masse auf der Faser vor. Eine keramische Membran dieser Variante war bisher nur als Wickelmembran beschrieben, Die erfindungsgemäße Filtermembran ermöglicht in ihrer neuen Formgebung als Flachfiltermembran eine beliebige Anpassung und Ausformung der Filtermembran an Kundenvorgaben bezüglich Form und Geometrie welche Rollenform einer Wickelmembran bislang nicht möglich waren. Dabei wird die Filtermembranmembran bei der Herstellung in Form gebracht und liegt nach dem Brennen als dünnes festes keramisches Gebilde vor.By soaking the fibrous carrier material, the slurry material penetrates into the fibrous structure and settles on the surface of the fibers. The slip is present as a more or less viscous mass on the fiber. A ceramic membrane of this variant has hitherto been described only as a wound membrane. The filter membrane according to the invention, in its new shape as a flat filter membrane, allows any adaptation and shaping of the filter membrane to customer specifications with regard to shape and geometry which roll form of a wound membrane has hitherto not been possible. In this case, the filter membrane membrane is brought into shape in the production and is present after firing as a thin solid ceramic structure.
Durch die Verwendung von faserhaltigem Material der Trägerstruktur kann man beobachten, dass eine faserartige Porenform nicht nur oberflächlich, sondern aufgrund der höheren Eindringtiefe der keramikhaltigen Bestandteile in das Trägermaterial nach dem Aushärten im keramischen Material der Flachfiltermembran vorhanden bzw. zurückgeblieben ist. Dabei weist die ausgehärtete Keramik eine ähnliche mikroskopische Struktur wie die Faserstruktur des Trägermaterials auf. Da bislang keinerlei andere Methoden bekannt sind, um eine derartige Struktur in einem keramischen Material zu schaffen, kann dies bei Verwendung einer faserhaltigen Trägerstruktur ein eindeutiges Indiz für ein Produkt unter Anwendung der vorgenannten Herstellungsschritte darstellen.By using fiber-containing material of the support structure, it can be observed that a fibrous pore shape is not only superficially present but has remained behind in the ceramic material of the flat filter membrane due to the higher penetration depth of the ceramic-containing constituents into the support material. In this case, the cured ceramic has a similar microscopic structure as the fiber structure of the carrier material. Since no other methods are known to date for providing such a structure in a ceramic material, when a fibrous carrier structure is used, this can be a clear indication of a product using the aforementioned production steps.
Alternativ kann eine erfindungsgemäße keramische Filtermembran Fingerporen aufweisen. Eine Filtermembran mit Fingerporen ist bislang nicht bekannt und stellt eine Alternative zur vorgenannten keramischen Filtermembran mit der faserartigen Struktur dar.Alternatively, a ceramic filter membrane according to the invention may have finger pores. A filter membrane with finger pores has hitherto not been known and represents an alternative to the aforementioned ceramic filter membrane with the fibrous structure.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die keramische Filtermembran mit den Fingerporen kann durch eine sogenannte Phaseninversion hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte:
- A Bereitstellen einer biegsamen porösen Trägerstruktur;
- B Tränken der Trägerstruktur mit einer keramikhaltigen Schlickermasse;
- C Verringerung der Löslichkeit von keramikhaltigen Bestandteilen in der Schlickermasse; und
- D Aushärten der Schlickermasse zu der keramischen Filtermembran.
- A providing a flexible porous support structure;
- B impregnating the carrier structure with a ceramic-containing slip mass;
- C reducing the solubility of ceramic-containing ingredients in the slip mass; and
- D hardening of the slip mass to the ceramic filter membrane.
Eine poröse Trägerstruktur kann aus Fasern bestehen, wobei eine Faserstruktur mit Faserzwischenräumen im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als poröse Trägerstruktur verstanden wird.A porous support structure may consist of fibers, wherein a fiber structure with fiber spaces in the sense of the present invention is also understood as a porous support structure.
Eine keramikhaltige Schlickermasse kann dabei vorzugsweise Polymer-Bestandteile aufweisen, welche homogen in einem Lösemittel gelöst sind. Diese Polymer-Bestandteile wiederum weisen Keramikpartikel auf, die in den Polymer-Bestandteilen dispergiert oder homogen verteilt sind. Bei der Phaseninversion wird vorzugsweise die Löslichkeit dieser keramikhaltigen Polymer-Bestandteile abgesenkt, wodurch es zu einer Ausfällung dieser keramikhaltigen Polymer-Bestandteile kommt.A ceramic-containing slip mass may preferably have polymer constituents which are homogeneously dissolved in a solvent. These polymer constituents in turn have ceramic particles which are dispersed in the polymer constituents or homogeneously distributed. In phase inversion, the solubility of these ceramic-containing polymer constituents is preferably lowered, resulting in precipitation of these ceramic-containing polymer constituents.
Das Polymermaterial der Polymer-Bestandteile sind vorzugsweise ausgesucht aus folgenden Materialien: Zellulose, Polyvinylalkohol und/oder Polyvinylpyrrolidon oder andere wasserlösliche gängige polymere Bindemittel.The polymer material of the polymer components are preferably selected from the following materials: cellulose, polyvinyl alcohol and / or polyvinylpyrrolidone or other water-soluble common polymeric binders.
Durch eine Absenkung der Löslichkeit der keramischen Bestandteile können insbesondere diese vorgenannten Polymerbestandteile aus dem Schlicker in die Poren oder Faserzwischenräume der Trägerstruktur einsickern. Durch das Einsickern der Bestandteile, insbesondere der keramikhaltigen Polymerbestandteile, vor dem Aushärten in die poröse Trägerstruktur, bleibt nach dem Aushärten in Schritt D eine keramische Flachfiltermembran mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher Porosität zurück.By lowering the solubility of the ceramic constituents, in particular, these abovementioned polymer constituents can infiltrate from the slip into the pores or fiber interspaces of the support structure. By infiltrating the constituents, in particular the ceramic-containing polymer constituents, before curing into the porous support structure, after hardening in step D, a ceramic flat filter membrane with high mechanical strength and high porosity remains.
Die Verringerung der Löslichkeit der keramikhaltigen Polymer-Bestandteile in der Schlickermasse kann insbesondere durch Zugabe eines Nichtlösemittels erfolgt, in welchem die keramikhaltigen Polymer-Bestandteile unlöslich sind. Dabei kann es sich z. B. um Wasser handeln.The reduction of the solubility of the ceramic-containing polymer constituents in the slip mass can be achieved in particular by adding a non-solvent in which the ceramic-containing polymer constituents are insoluble. It may be z. B. act water.
Die keramikhaltigen Polymer-Bestandteile der Schlickermasse können sowohl im Fall der Flachfiltermembran als auch der Filtermembran mit den Fingerporen zu mindestens 10 Gew.-%, insbesondere 40 bis 75 Gew.-%, oxidkeramikhaltige, carbidkeramikhaltige und/oder nitridkeramikhaltige Bestandteile aufweisen.The ceramic-containing polymer constituents of the slip mass can have at least 10% by weight, in particular 40 to 75% by weight, of oxide-ceramic-containing, carbide-ceramic-containing and / or nitride-ceramic constituents both in the case of the flat filter membrane and the filter membrane with the finger pores.
Das Material der Trägerstruktur ist, insbesondere bei Temperaturen von unter 2000°C, brennbar. Nach dem Entfernen der Trägerstruktur bleiben in der Keramik Hohlräume zurück, welche der Strukturierung der Trägerstruktur entsprechen.The material of the support structure is, especially at temperatures below 2000 ° C, combustible. After removal of the carrier structure remain in the ceramic cavities, which correspond to the structuring of the support structure.
Die keramische Filtermembran kann vorzugsweise eine Höhe von weniger als 5 mm, insbesondere eine Höhe von weniger als 1 mm, aufweisen. Dies entspricht einer bevorzugten Dimensionierung einer Flachfiltermembran. Die Höhe ist dabei die geringste Dimension verglichen zur Länge oder zur Breite der Flachfiltermembran.The ceramic filter membrane may preferably have a height of less than 5 mm, in particular a height of less than 1 mm. This corresponds to a preferred dimensioning of a flat filter membrane. The height is the smallest dimension compared to the length or the width of the flat filter membrane.
Die keramische Filtermembran kann vorteilhaft eine fluidleitende Struktur, insbesondere eine einlagige Reihe von nebeneinander angeordneten Kanälen, aufweisen. Dies kann besonders bevorzugt eine einlagige Reihe von nebeneinander angeordneten Kanälen sein. Einige oder alle Kanäle sind bevorzugt endständig verschlossen. Die besagten Kanäle können in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante einen maximalen Kanaldurchmesser von weniger als 1 mm aufweisen.The ceramic filter membrane can advantageously have a fluid-conducting structure, in particular a single-layer row of channels arranged next to one another. This may particularly preferably be a single-layer row of side-by-side channels. Some or all channels are preferably terminally closed. Said channels may in a particularly preferred embodiment have a maximum channel diameter of less than 1 mm.
Ein erfindungsgemäßes Filtermodul umfasst eine keramische Filtermembran und eine keramische Flächenstruktur, zur Beabstandung und zum Zuführen eines zu filternden Fluids und/oder zum Abführen eines Permeats aus dem Filtermodul. Die keramische Filtermembran und/oder Flächenstruktur sind dabei hergestellt durch zumindest die folgenden Schritte:
- A Bereitstellen einer biegsamen Trägerstruktur;
- B Tränken der Trägerstruktur mit einer keramikhaltigen Schlickermasse; und
- C Aushärten der Schlickermasse zu einer keramischen Flächenstruktur;
- A providing a flexible support structure;
- B impregnating the carrier structure with a ceramic-containing slip mass; and
- C curing the slip mass to a ceramic surface structure;
Dadurch kann ein Filtermodul in Flachbauweise mehrschichtig realisiert werden. Das Filtermodul zeichnet sich dabei durch eine hohe Filtereffizienz aus.As a result, a filter module in flat design can be realized in multiple layers. The filter module is characterized by a high filter efficiency.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Filtermoduls sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the filter module are the subject of the dependent claims.
Die keramische Filtermembran des Filtermoduls kann vorteilhaft eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kanälen mit Kanalbahnen in einer ersten Ausbreitungsrichtung aufweisen und die keramische Flächenstruktur kann eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kanälen in einer zweiten Ausbreitungsrichtung aufweisen. Die Flachfiltermembran kann gegenüber der Flächenstruktur so ausgerichtet sein, dass die beiden vorgenannten Ausbreitungsrichtungen um eine in Stapelrichtung verlaufende Achse zueinander versetzt, insbesondere um einen Winkel von 90° (± 5°) zueinander versetzt, sind.The ceramic filter membrane of the filter module can advantageously have a multiplicity of channels arranged side by side with channel tracks in a first propagation direction and the ceramic surface structure can have a multiplicity of channels arranged next to one another in a second propagation direction. The flat filter membrane can be aligned relative to the surface structure so that the two aforementioned propagation directions about a stacking direction extending axis offset from each other, in particular by an angle of 90 ° (± 5 °) offset from each other, are.
Die Höhe der keramischen Filtermembran des Filtermoduls in Stapelrichtung kann zumindest doppelt so groß sein wie die Höhe der Flächenstruktur in Stapelrichtung.The height of the ceramic filter membrane of the filter module in the stacking direction can be at least twice as large as the height of the surface structure in the stacking direction.
Die Filtermembran des Filtermoduls als eine Flachfiltermembran nach Anspruch 1 oder als eine Filtermembran nach Anspruch 3 ausgebildet ist.The filter membrane of the filter module is formed as a flat filter membrane according to claim 1 or as a filter membrane according to
Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung der erfindungsgemäßen Filtermembranen gemäß Anspruch 1 oder 3 und insbesondere bei deren Anordnung in einem Filtermodul gemäß Anspruch 11, zur Filterung von Prozesswasser, zur Trinkwasseraufbereitung, zur Oberflächenwasseraufbereitung, zur Abwasserbehandlung und Recycling, für Filtrationsanwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der chemischen Industrie und der Bio- und Medizintechnik, insbesondere zur Blutfiltration, und in Automobilanwendungen, insbesondere zur Wasser/Öl Trennung.According to the invention, the use of the filter membranes of the invention according to
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it:
In der Membrantechnik kommen unterschiedliche Filtermembranen zum Einsatz, welche sich u. a. nach Geometrien oder auch nach Materialien unterscheiden lassen. So sind u. a. Flachfiltermembranen bekannt, welche als Flächengebilde ausgebildet sind. Neben Flachfiltermembranen sind auch Hohlfasermembranen oder Wickelmembrane (gewickeltes Flächengebilde) bekannt. Die nachfolgend beschriebene erste Filtermembran ist erfindungsgemäß als Flachfiltermembran ausgestaltet. Dabei werden die eingangs im Stand der Technik dargestellten gezackten oder gewellten Flachfiltermembranen zunächst eben hergestellt und anschließend gestaltet z. B. in Wellen- oder Trapezformen geprägt.In membrane technology different filter membranes are used, which u. a. can be differentiated according to geometries or materials. So are u. a. Flat filter membranes known, which are formed as a sheet. In addition to flat-filter membranes, hollow-fiber membranes or wound membranes (wound sheet) are also known. The first filter membrane described below is designed according to the invention as a flat filter membrane. The initially shown in the prior art serrated or wavy flat filter membranes are initially made flat and then designed z. B. embossed in wave or trapezoidal shapes.
Die erste erfindungsgemäß als Flachfiltermembran ausgebildete Filtermembran kann demgegenüber derart hergestellt werden, dass eine freie Formgebung je nach gewünschter Kundengeometrie erfolgen kann. Die Flachfiltermembran kann zudem einen wellenförmigen, trapezförmigen, rechteckförmigen oder zickzackförmigen Querschnitt aufweisen, ohne dass es hierfür eines gesonderten Formgebungsschrittes bedarf. Die Flachfiltermembran kann sowohl als ebenes oder gebogenes Flächengebilde ausgebildet sein. Die Biegung oder die Biegungen des Flächengebildes als auch der Querschnitt können unregelmäßig sein und bei der Herstellung variabel angepasst werden.The first filter membrane designed according to the invention as a flat filter membrane, on the other hand, can be produced in such a way that free shaping can take place depending on the desired customer geometry. The flat filter membrane can also have a wave-shaped, trapezoidal, rectangular or zigzag-shaped cross section, without requiring a separate shaping step for this purpose. The flat filter membrane can be formed both as a flat or curved sheet. The bending or bends of the fabric as well as the cross section may be irregular and may be variably adjusted during manufacture.
So kann eine Flachfiltermembran, welches als unregelmäßig gebogenes Flächengebilde mit einem gewellten oder gefalteten Querschnitt ausgebildet ist, durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte realisiert werden. Eine Flachfiltermembran zeichnet sich durch ein Breiten zu Höhenverhältnis von größer als 5:1, insbesondere größer als 7:1 aus. Sie kann gebogen sein, weist jedoch keine volle Wickelung auf.Thus, a flat filter membrane, which is formed as an irregularly curved sheet having a corrugated or folded cross-section, can be realized by the method steps according to the invention. A flat filter membrane is characterized by a width to height ratio of greater than 5: 1, in particular greater than 7: 1. It can be bent, but does not have a full winding.
Die Herstellung der ersten Filtermembran erfolgt durch Auftrag eines keramikhaltigen Schlickers auf eine flexible Trägerstruktur unter Ausbildung eines Zwischenproduktes.The first filter membrane is produced by applying a ceramic-containing slip to a flexible support structure to form an intermediate product.
Der Schlicker enthält, vorzugsweise als Hauptbestandteil, eine anorganische Substanz, aus welcher im Verlauf der Herstellung die keramikhaltige Membranschicht gebildet wird. Eine bevorzugte anorganische Substanz kann eine oxidkeramikhaltige Substanz, insbesondere Al2O3, ZrO2, TiO2, Y2O3 und/oder SiO2 oder eine nichtoxidkeramikhaltige Substanz sein. Grundsätzlich können als anorganische Substanz alle vorgenannten keramikhaltigen Verbindungen eingesetzt werden. Weitere partikuläre Bestandteile können wie bei den vorbeschriebenen Beispielen für Schlicker ebenfalls enthalten sein. The slurry contains, preferably as the main constituent, an inorganic substance from which the ceramic-containing membrane layer is formed in the course of production. A preferred inorganic substance may be an oxide ceramic-containing substance, in particular Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3 and / or SiO 2 or a substance containing no oxide ceramics. In principle, all the aforementioned ceramic-containing compounds can be used as the inorganic substance. Other particulate ingredients may also be included as in the above-described examples of slip.
Die vorgenannte anorganische Substanz kann gelöst, kolloidal oder in Form einer Aufschlämmung in einem Lösungsmittel, so z. B. Wasser, vorliegen. Das Wasser ist in diesem Zusammenhang als Lösungsmittel oder Trägermittel zu verstehen und nicht als Bestandteil des Schlickers.The aforesaid inorganic substance may be dissolved, colloidally or in the form of a slurry in a solvent, e.g. As water present. The water is to be understood in this context as a solvent or carrier and not as part of the slurry.
Neben der vorgenannten anorganischen Substanz kann zudem noch ein Polymer im Schlicker enthalten sein, welches vorzugsweise homogen gelöst ist. Das Polymer ist vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Polymerverbindungen, insbesondere Zellulose, Polyvinylalkohol und/oder Polyvinylpyrrolidon oder andere wasserlösliche gängige polymere Bindemittel.In addition to the aforementioned inorganic substance, a polymer may additionally be present in the slip, which is preferably homogeneously dissolved. The polymer is preferably one or more of the following polymer compounds, in particular cellulose, polyvinyl alcohol and / or polyvinylpyrrolidone or other water-soluble common polymeric binders.
Die flexible Trägerstruktur, auf welche der Schlicker aufgetragen wird, ist dabei faserartig ausgebildet. Eine beispielhafte Faserstruktur ist in
Anschließend wird das Zwischenprodukt einem Härtungsprozess ausgesetzt, wobei zumindest das Keramikmaterial mit einer faserartigen Struktur zurückbleibt. Dies kann z. B. in einem Brennofen erfolgen. Dabei wird die Trägerstruktur vorzugsweise verbrannt.Subsequently, the intermediate product is subjected to a curing process leaving at least the ceramic material with a fibrous structure. This can be z. B. done in a kiln. In this case, the support structure is preferably burned.
Die vorgenannten Trägerstrukturen können besonders bevorzugt aus einem brennbaren Material, besonders bevorzugt aus einem organischen und/oder synthetischen Material, bevorzugt mit oder aus, insbesondere natürlichen, Fasern, insbesondere aus Zellulose oder Baumwolle, vorzugsweise aus Papier und/oder aus wenigstens einem Polymer hergestellt wird. Die vorgenannten Trägerstrukturen können auch einzelne Materiallagen aus einem brennbaren Gewebe, Netz und/oder Vlies aufweisen.The abovementioned support structures can particularly preferably be produced from a combustible material, more preferably from an organic and / or synthetic material, preferably with or from, in particular natural, fibers, in particular cellulose or cotton, preferably paper and / or at least one polymer , The abovementioned carrier structures can also have individual material layers made of a combustible fabric, mesh and / or nonwoven.
Eine Filtermembran mit vergleichbarer Struktur ist aus der
Besonders geeignet ist eine Flachfiltermembran zur Filterung von Fluiden mit hohem Gehalt an anorganischen oder organischen Feststoffen oder mit hoher Viskosität. Hier können Wickelmembrane teilweise verstopfen.Particularly suitable is a flat filter membrane for filtering fluids with a high content of inorganic or organic solids or with high viscosity. Here winding membranes can partially clog.
Die Form der keramischen Flachfiltermembran im ausgehärteten Zustand hängt u. a. von der Form der Trägerstruktur ab. Daher sind in
Die Grundstruktur der Trägerstruktur besteht aus einer Flachlage bzw. ebenen Lage, auf die eine strukturierte bzw. profilierte Lage aufgebracht wird. Die Verbindung der strukturierten z. B. gewellten und flachen Lagen kann mittels eines keramischen Klebers, der auf die Wellenberge einer entsprechenden Welllage aufgebracht wird, realisiert. Auch alternative Verbindungsmethoden wie z. B. Stanzen oder Verschmelzen, z. B. bei Polymer oder Polymerfaserlagen, können genutzt werden. Auf Basis dieser Grundstruktur lassen sich weitere Flachmembrangeometrien realisieren.The basic structure of the carrier structure consists of a flat layer or flat layer, to which a structured or profiled layer is applied. The connection of the structured z. B. wavy and flat layers can be realized by means of a ceramic adhesive which is applied to the crests of a corresponding corrugated layer. Also alternative connection methods such. B. punching or fusing, z. As in polymer or polymer fiber layers, can be used. Based on this basic structure, further flat membrane geometries can be realized.
Alternativ zur gewellten Form der Lagen
Auf die Trägerstruktur wird sodann ein keramikhaltiger Schlicker aufgetragen. Die
Die gewellte Mittellage
Auf die Trägerstruktur wird sodann der keramikhaltige Schlicker aufgetragen. Die
Eine Anströmung des zu filternden Fluids
Selbstverständlich kann auch das zu reinigende Fluid in die entgegengesetzte Richtung durch die Filtermembran bei entsprechenden Druckverhältnissen geleitet und gefiltert werden. In
Nachfolgend wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zudem eine zweite Filtermembran beschrieben, die nach einem bevorzugten Verfahren hergestellt wird. Dabei kann es sich sowohl um eine beliebige Filtermembran, so z. B. um eine Flachfiltermembran oder aber auch um eine Wickelmembran handeln. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Filtermembran erfolgt durch einen sogenannten Phaseninversionsprozess.In the following, a second filter membrane is also described in the context of the present invention, which is produced by a preferred method. It may be both an arbitrary filter membrane, such. B. to act a flat filter membrane or even around a winding membrane. The filter membrane according to the invention is produced by a so-called phase inversion process.
Dabei wird zunächst eine Trägerstruktur mit einem keramikhaltigen Schlicker beschichtet. Dieser Schlicker ist phaseninversionsfähig.First, a support structure is coated with a ceramic-containing slip. This slip is phase inducible.
Als Trägerstruktur ist vorzugsweise ein poröses Material zu wählen. Das Material kann beispielsweise faserartig ausgebildet sein, wobei die Faserzwischenräume im Sinne der vorliegenden Erfindung als Poren zu verstehen sind. Die vorgenannten Trägerstrukturen können besonders bevorzugt aus einem brennbaren Material, besonders bevorzugt aus einem organischen und/oder synthetischen Material, bevorzugt mit oder aus, insbesondere natürlichen, Fasern, insbesondere aus Zellulose oder Baumwolle, vorzugsweise aus Papier und/oder aus wenigstens einem Polymer hergestellt wird. Die vorgenannten Trägerstrukturen können auch einzelne Materiallagen aus einem brennbaren Gewebe, Netz und/oder Vlies aufweisen.The carrier structure is preferably a porous material. The material may be fibrous, for example, wherein the fiber interstices in the context of the present invention are to be understood as pores. The abovementioned support structures can particularly preferably be produced from a combustible material, more preferably from an organic and / or synthetic material, preferably with or from, in particular natural, fibers, in particular cellulose or cotton, preferably paper and / or at least one polymer , The abovementioned carrier structures can also have individual material layers made of a combustible fabric, mesh and / or nonwoven.
Die Trägerstruktur ist jedoch nicht auf faserartiges Material beschränkt sondern kann auch ein anderes poröses Material sein.However, the support structure is not limited to fibrous material but may be another porous material.
Der keramikhaltige Schlicker enthält eine anorganische Substanz, aus welcher im Verlauf der Herstellung die keramikhaltige Membranschicht gebildet wird. Eine bevorzugte anorganische Substanz kann eine oxidkeramikhaltige Substanz, insbesondere Al2O3, ZrO2, TiO2, Y2O3 und/oder SiO2 oder eine nichtoxidkeramikhaltige Substanz, insbesondere eine carbidische oder nitridische Verbindung, z. B. SiC, Si3N4 oder BC, sein. Grundsätzlich können als anorganische Substanz alle vorgenannten keramikhaltigen Verbindungen eingesetzt werden. Weitere partikuläre Bestandteile können wie bei den vorbeschriebenen Beispielen für Schlicker ebenfalls enthalten sein.The ceramic-containing slip contains an inorganic substance from which the ceramic-containing membrane layer is formed in the course of production. A preferred inorganic substance may be an oxide-ceramic-containing substance, in particular Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3 and / or SiO 2 or a non-oxide-ceramic substance, in particular a carbidic or nitridic compound, eg. SiC, Si 3 N 4 or BC. In principle, all the aforementioned ceramic-containing compounds can be used as the inorganic substance. Other particulate ingredients may also be included as in the above-described examples of slip.
Neben der vorgenannten anorganischen Substanz ist zudem noch ein Polymer im Schlicker enthalten, welches vorzugsweise homogen gelöst ist. Das Polymer ist vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Verbindungen ausgesucht aus folgenden Polymerverbindungsklassen: Polysulfon, Pulyethersulfon, Polyvinylbutyral, Polyamid, Polyacrylnitril, Zelluloseester und/oder Polyethylen.In addition to the aforementioned inorganic substance, a polymer is additionally contained in the slip, which is preferably dissolved homogeneously. The polymer is preferably one or more of the following compounds selected from the following polymer compound classes: polysulfone, pulylene ether sulfone, polyvinyl butyral, polyamide, polyacrylonitrile, cellulose esters and / or polyethylene.
Die vorgenannte anorganische Substanz kann, vorzugsweise in einem Lösemittel gelöst, dispergiert oder homogen verteilt, auf die Trägerstruktur aufgebracht werden. Anschließend wird ein Nichtlösemittel zugegeben. Diese Zugabe führt zur Ausfällung von Polymerbestandteilen aus dem Schlicker, welche in der Trägerstruktur ausfallen und sich sodann verfestigen. Innerhalb dieser Polymerbestandteile befindet sich die vorgenannte anorganische Substanz, welche vorzugsweise in der Polymermatrix homogen verteilt ist.The aforesaid inorganic substance may be applied to the support structure, preferably dispersed in a solvent, dispersed or distributed homogeneously. Subsequently, a non-solvent is added. This addition precipitates polymer components from the slurry which precipitate in the support structure and then solidify. Within these polymer constituents is the aforementioned inorganic substance, which is preferably homogeneously distributed in the polymer matrix.
Beispielsweise kann der Schlicker in Form von Polymerbestandteilen, in welchen die vorgenannte anorganischen Substanz verteilt ist. in einem unpolaren Lösungsmittel emulgiert vorliegen. Dieses unpolare Lösungsmittel, beispielsweise Ethanol und/oder NMP, ist Bestandteil des Schlickers. Der Schlicker wird auf die Trägerstruktur aufgetragen und infiltriert die Trägerstruktur. Sodann wird ein Nichtlösemittel aufgetragen. Dieses Nichtlösemittel kann z. B. Wasser sein. Durch Zugabe dieses Nichtlösemittels erfolgt eine Phaseninversion, wodurch die Polymerbestandteile mit der anorganischen Substanz ausfallen und sich in der Trägerstruktur verfestigen. Die Polymermatrix fixiert und umschließt somit bei der Phaseninversion die keramischen Bestandteile am und/oder im Trägermaterial.For example, the slurry may be in the form of polymer components in which the aforementioned inorganic substance is distributed. be emulsified in a nonpolar solvent. This Non-polar solvents, for example ethanol and / or NMP, are part of the slip. The slurry is applied to the support structure and infiltrates the support structure. Then a non-solvent is applied. This non-solvent can, for. B. be water. By adding this non-solvent, phase inversion occurs whereby the polymer components precipitate with the inorganic substance and solidify in the support structure. The polymer matrix thus fixes and encloses the ceramic constituents on and / or in the carrier material during phase inversion.
Infolge der Phaseninversion bildet sich eine keramikhaltige Oberfläche mit sogenannten Fingerporen aus. Während bei der vorbeschiebenen ersten Filtermembran, bei welcher eine Beschichtung der Fasern der Trägersubstanz erfolgt, auch nach dem Brennvorgang eine Faserstruktur oberflächlich erkennbar ist, zeigt die Oberfläche der zweiten Filtermembran Löcher aufgrund der Fingerporen. Diese Oberflächenstruktur ist beispielsweise als Draufsicht in
Sofern als Trägermaterial ein Fasermaterial genutzt wird werden die Faserzwischenräume durch die Phaseninversion mit dem anorganischen Material gefüllt. Beim Herstellungsverfahren, welches der ersten Filtermembran, also der Flachfiltermembran, zugrunde liegt, ist dies nicht der Fall, sondern die Faserzwischenräume bleiben im Wesentlichen ungefüllt.If a fiber material is used as the carrier material, the fiber interspaces are filled by the phase inversion with the inorganic material. In the production process, which is based on the first filter membrane, ie the flat filter membrane, this is not the case, but the fiber interstices remain substantially unfilled.
Anschließend kann das Trägermaterial in einem Brennvorgang entfernt werden, wodurch zudem der keramikhaltige Schlicker zu einer Keramik ausgehärtet wird.Subsequently, the carrier material can be removed in a firing process, whereby in addition the ceramic-containing slip is cured to a ceramic.
Neben der unterschiedlichen Oberflächenausgestaltung der ersten und der zweiten Filtermembran hat die Herstellung durch einen Phaseninversionsprozess auch produktionstechnische Vorteile. Während bei der Herstellung der ersten Filtermembran nach dem Schlickerauftrag und vor dem Brennvorgang ein sensibler Trocknungsprozess notwendig war, kann bei der Herstellung der zweiten Filtermembran eine Trocknung schneller und unkomplizierter erfolgen.In addition to the different surface design of the first and the second filter membrane has the production through a phase inversion process also production technical advantages. While a sensitive drying process was necessary in the production of the first filter membrane after the slip application and before the firing process, a drying can be carried out faster and less complicated in the production of the second filter membrane.
Dies liegt daran, dass sich bei der Trocknung im ersten Fall die keramische Konzentration beständig ändert. Es können während der Trocknung lokale Konzentrationsballungen entstehen, in welchen sich mehr anorganische Substanz bildet als in anderen Bereichen. Bei der Phaseninversion liegt aufgrund des vorangegangenen Fällungsschrittes hingegen bereits eine vorgefestigte keramikhaltige Struktur vor, welche sich bei der Trocknung nur noch in geringem Maße verändert. Dadurch kann durch die Phaseninversion der zuvor qualitätsentscheidende Schritt der Trocknung wesentlich vereinfacht und zeiteffizient gehandhabt werden.This is because when drying in the first case, the ceramic concentration changes constantly. During concentration, local concentration agglomerations may form in which more inorganic substance is formed than in other areas. In the case of phase inversion, on the other hand, due to the preceding precipitation step, there is already a pre-consolidated, ceramic-containing structure which only changes to a slight extent during drying. As a result of the phase inversion, the previously quality-determining step of drying can be considerably simplified and handled in a time-efficient manner.
Zudem kann vorzugsweise der Schlicker eine weitere Verbindungen aufweisen, welche die Lösungseigenschaft der anorganischen Substanz beeinflusst. Diese Substanz kann vorzugsweise eine Polymerverbindung sein, welche die Löslichkeit der anorganischen Substanz im Lösungsmittel erhöht. Eine solche Substanz kann vorzugsweise ein übliches Emulgier- und/oder Dispergiermittel, wie z. B. Polyvinylpyrrolidone (K90) oder ein Polyvinylalkohol sein.In addition, the slip may preferably have a further compound which influences the solution property of the inorganic substance. This substance may preferably be a polymer compound which increases the solubility of the inorganic substance in the solvent. Such a substance may preferably contain a conventional emulsifying and / or dispersing agent, such as. As polyvinylpyrrolidone (K90) or a polyvinyl alcohol.
Mit dem vorgenannten Verfahren ist es möglich, vorgeformte Strukturen, insbesondere Trägerstrukturen auf Basis von Kunststoffen, Zellulose etc., beliebiger Geometrie mit einem phaseninversionsfähigen keramikhaltigen Schlicker zu beschichten bzw. zu infiltrieren und durch einen nachgeschalteten Phaseninversionsprozess die eigentliche Filterstruktur zu erzeugen. Durch den bei Keramiken notwendigen Brennvorgang, kann die Trägerstruktur rückstandsfrei ausgebrannt und die verbleibende keramikhaltige Struktur formgetreu verfestigt werden. Eine derartige Struktur einer Filterkeramik ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.With the abovementioned method, it is possible to coat or infiltrate preformed structures, in particular support structures based on plastics, cellulose, etc., of any geometry with a phase-inversion-capable ceramic-containing slurry and to produce the actual filter structure by means of a downstream phase inversion process. As a result of the firing process required for ceramics, the support structure can be burnt out without leaving any residue and the remaining ceramic-containing structure can be faithfully solidified. Such a structure of a filter ceramic is not known from the prior art.
Durch Anwendung der Phaseninversion können sowohl einzelne Materiallagen als Teile des Gesamtfiltermoduls (z. B. einzelne Wellbahnen) als auch gesamte Filtermodule, insbesondere auch Flachfiltermodule, realisiert werden.By applying the phase inversion, it is possible to realize both individual material layers as parts of the overall filter module (eg individual corrugated webs) as well as entire filter modules, in particular also flat filter modules.
Alle beliebigen Strukturen die durch Templates realisierbar und für keramikhaltigen Schlicker zugänglich sind, können realisiert werden. Eine aufwendiger und komplizierter Trocknungsprozeß kann bei der Phaseninversionskeramisierung im Vergleich zu herkömmlichen Keramisierung entfallen, da die Keramikpartikel aufgrund ihrer Fixierung in der durch die Phaseninversion verfestigten Polymermatrix nicht ausgeschwemmt werden können. Dadurch ist das Gesamtgefüge aufgrund der verfestigten Polymermatrix kaum anfällig für Trocknungsdefekte (wie z. B. Risse). Somit können auch Filterelemente in Form von Wabenkörpern (als Template z. B. Papierwickel) einfach und schnell sowie mit hoher Prozesssicherheit hergestellt werden.Any structures which can be realized by means of templates and are accessible for ceramic-containing slip can be realized. A complicated and complicated drying process can be omitted in the phase inversion ceramic compared to conventional ceramization, since the ceramic particles not due to their fixation in the solidified by the phase inversion polymer matrix can be flushed out. As a result, the overall structure due to the solidified polymer matrix is hardly susceptible to drying defects (such as cracks). Thus, filter elements in the form of honeycomb bodies (as a template, for example, paper wraps) can be produced simply and quickly, as well as with high process reliability.
Die Form der keramikhaltigen zweiten Filtermembran hängt im ausgehärteten Zustand u. a. von der Form der Trägerstruktur ab und kann analog zur ersten Filtermembran auch als Flachfiltermembran ausgebildet sein. Die in
Die Grundstruktur der Trägerstruktur und die Verbindungen der Lagen können analog wie bei der Herstellung der ersten Filtermembran ausgebildet sein. Die Trägerstruktur kann wie in
Die makroskopische Form und Ausgestaltung einzelner Zwischenprodukte, Permeatplatten und/oder einer entsprechenden zweiten Filtermembran, z. B. in gebogener Form und mit einer oder mehreren Welllagen kann analog zu den Ausgestaltungen der
Die unterschiedlichen Varianten der erste Filtermembran als auch die zweite Filtermembran können zur Herstellung eines Filtermoduls genutzt werden, welches nachfolgend anhand der
Dabei sind die Kanäle
Die Filtermembran
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Filtermoduls
In die Kanäle
Verschieden aufgebaute Trägerstrukturen können auch zu anderen Aufbauten von Filtermodulen führen.Variously constructed support structures can also lead to other structures of filter modules.
Die Zwischenstruktur der
In
Das Filtermodul
Die Filtermembrane können untereinander oder mit einer oder mehreren Flächenstrukturen bzw. Permeatplatten mittels eines wärmebeständigen Klebers verbunden werden. Der Kleber kann vorzugsweise auf Al2O3 basieren. Zusätzlich können partikuläre anorganische Zuschlagstoffe, Dispergiermittel und Polymere, so z. B. Polyvinylpyrrolidone in der keramikhaltigen Klebstoffzusammensetzung enthalten sein. Wasser ist vorzugsweise ein weiterer Bestandteil des Klebers.The filter membranes can be connected to one another or to one or more surface structures or permeate plates by means of a heat-resistant adhesive. The adhesive may preferably be based on Al 2 O 3 . In addition, particulate inorganic additives, dispersants and polymers, such as. For example, polyvinylpyrrolidones may be included in the ceramic-containing adhesive composition. Water is preferably another component of the adhesive.
Der Kleber kann neben der Verbindung der einzelnen Lagen einer Trägerstruktur auch zum endständigen Verschließen der Kanäle
Der Aufbau der Materiallage kann allerdings auch mehrere keramische Schichten aufweisen, so z. B. eine oxidkeramische Schicht und zum zu filternden Fluid hin eine carbidische oder nitridische Schicht besonders bevorzugt aus Siliziumcarbid und/oder Aluminiumnitrid. Diese kann dünner als die oxidkeramische Schicht sein und auf der oxidkeramischen Schicht zum zu filternden Fluid hin angeordnet sein.However, the structure of the material layer may also have a plurality of ceramic layers, such. For example, an oxide-ceramic layer and the fluid to be filtered out a carbidic or nitridic layer particularly preferably of silicon carbide and / or aluminum nitride. This can be thinner than the oxide-ceramic layer and be arranged on the oxide-ceramic layer toward the fluid to be filtered out.
Bei dem keramikhaltigen Schlicker, welcher bei der Herstellung der ersten und der zweiten Filtermembran eingesetzt wird, kann es sich vorzugsweise um einen Schlicker handeln, welcher eine im Wesentlichen oxidkeramische Membran und/oder eine carbid- und/oder eine nitridkeramische Membran ausbildet. Der keramikhaltige Schlicker kann beispielsweise mittels eines Tauch- oder Sprühverfahrens aufgebracht werden. Das oxidkeramische Material der ausgehärteten Filtermembran und/oder der Permeatplatte kann vorzugsweise aus folgenden Stoffen ausgesucht sein: Al2O3, ZrO2, TiO2, Y2O3 und/oder SiO2. Diese oxid-, carbid- und/oder nitridkeramische Materialien oder Mischungen dieser Materialien weisen eine vorteilhafte Festigkeit auf, so dass die Filtermembran und ggf. auch der Permeatplatte, eine gute Festigkeit und Druckstabilität hat. Weiterhin kann das Material der Filtermembran und/oder der Permeatplatte Zuschlagstoffe aufweisen, vorzugsweise in Form von alkali- und/oder erdalkalioxidischen Verbindungen.The ceramic-containing slip used in the production of the first and the second filter membrane may preferably be a slip which forms a substantially oxide-ceramic membrane and / or a carbide and / or a nitride ceramic membrane. The ceramic-containing slip can be applied, for example, by means of a dipping or spraying process. The oxide-ceramic material of the hardened filter membrane and / or the permeate plate can preferably be selected from the following materials: Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Y 2 O 3 and / or SiO 2 . These oxide, carbide and / or nitride ceramic materials or mixtures of these materials have an advantageous strength, so that the filter membrane and possibly also the permeate plate has good strength and pressure stability. Furthermore, the material of the filter membrane and / or the permeate plate may comprise additives, preferably in the form of alkali and / or alkaline earth metal compounds.
Das flüssige oder pastöse keramikhaltige Schlickermaterial zur Bildung der Membranschicht kann zudem keramische Partikel enthalten. Das keramische Material zur Bildung der Membranschicht kann bevorzugt eine mittlere Partikel- bzw. Korngrösse im Bereich von etwa 0,5 bis 10,0 μm, insbesondere kleiner als 5 μm, aufweisen.The liquid or pasty ceramic-containing slip material for forming the membrane layer may also contain ceramic particles. The ceramic material for forming the membrane layer may preferably have an average particle or particle size in the range of about 0.5 to 10.0 μm, in particular less than 5 μm.
Das flüssige oder pastöse keramikhaltige Material, beispielsweise in Form eines Keramikschlickers, kann als Bestandteile, insbesondere Partikel, beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2), Titanoxid (TiO2), Siliziumoxid (SiO2), Siliziumcarbid (SiC), Silikate, Zeolithe oder Mischungen daraus enthalten. Dadurch können die Brenntemperaturen gesenkt werden, so dass auch Brenntemperaturen unterhalb von 1000°C, vorzugsweise unterhalb von 500°C erreicht werden können. Vorzugsweise sind die vorgenannten Partikel im Schlickermaterial in einem Umfang von weniger oder gleich 20 Gew.-% enthalten.The liquid or pasty ceramic-containing material, for example in the form of a ceramic slip, can be used as constituents, in particular particles, for example of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), silicon carbide ( SiC), silicates, zeolites or mixtures thereof. As a result, the firing temperatures can be reduced, so that firing temperatures below 1000 ° C, preferably below 500 ° C can be achieved. The abovementioned particles are preferably contained in the slip material to an extent of less than or equal to 20% by weight.
Die entsprechende Flachfiltermembran
Die entsprechende Permeatplatte
Eine Materiallage der ersten oder zweiten Filtermembran im ausgehärteten Zustand kann vorzugsweise eine Wandstärke von 0,02 bis 1,5 mm aufweisen. Die Schichtdicken und deren Aufbau lassen sich beispielsweise mittels GDOES-Spektroskopie (Glimmentladungsspektroskopie) analysieren. Geringfügige Schwankungsbreiten einzelner Geräte unterschiedlicher Hersteller sind bereits in den Bereichsangaben berücksichtigt.A material layer of the first or second filter membrane in the cured state may preferably have a wall thickness of 0.02 to 1.5 mm. The layer thicknesses and their structure can be analyzed, for example, by means of GDOES spectroscopy (glow discharge spectroscopy). Slight fluctuation margins of individual devices from different manufacturers are already included in the range specifications.
Eine vorgenannte erste oder zweite Filtermembran und ein daraus aufgebautes Filtermodul, können zur Filterung von sogenanntem Produced Water, von Prozesswasser, zur Wasseraufbereitung, zur Oberflächenwasseraufbereitung, zur Abwasserbehandlung und Recycling, für Filtrationsanwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der chemischen Industrie und der Bio- und Medizintechnik, insbesondere zur Blutfiltration, und in Automobilanwendungen, insbesondere zur Wasser/Öl Trennung verwendet werden. An aforementioned first or second filter membrane and a filter module constructed therefrom can be used for filtering produced water, process water, water treatment, surface water treatment, wastewater treatment and recycling, filtration applications in the food and beverage industry, and the chemical industry and biotechnology. and medical technology, in particular for blood filtration, and be used in automotive applications, in particular for water / oil separation.
Produced water ist ein feststehender Begriff der Öl- und Gasindustrie. Er bezeichnet Wasser, welches bei der Öl- und Erdgasgewinnung, so z. B. auch beim Fracking, anfällt. Dieses kann vereinzelt auch höhere Viskositäten aufweisen als normales Wasser. Auch bei Ölgewinnung, z. B. bei Ölbohrungen und bei der Förderung von Erdöl fallen Unmengen an verunreinigtem Wasser an. Dies wird ebenfalls in Fachkreisen als produced water bezeichnet.Produced water is a well-established term in the oil and gas industry. He called water, which in the oil and gas production, such. B. also fracking incurred. This can occasionally have higher viscosities than normal water. Even with oil extraction, z. As in oil wells and in the extraction of oil accumulate huge amounts of contaminated water. This is also referred to in professional circles as produced water.
Die Porosität der Faserwandung bzw. der Filtermembran kann nach Wahl der Materialien eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Porosität der ersten Schicht, also der Trägerschicht, 25–50% betragen und die Porosität der zweiten Schicht, also der Trennschicht, 20–60% betragen. Quecksilberporosimeter, welche im Bereich auch unterhalb von 10 nm Porengröße messen und daher zur Porengrößenbestimmung geeignet sind, sind von verschiedenen Herstellern, z. B. Quantachrome Instruments und Micromeritics, bekannt.The porosity of the fiber wall or the filter membrane can be adjusted according to the choice of materials. In a preferred embodiment, the porosity of the first layer, that is to say the carrier layer, may be 25-50% and the porosity of the second layer, ie the separating layer, may be 20-60%. Mercury porosimeters, which measure in the range below 10 nm pore size and are therefore suitable for pore size determination, are from various manufacturers, eg. B. Quantachrome Instruments and Micromeritics known.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung einer ersten Filtermembran als Flachfiltermembran mittels einer flexiblen Trägerstruktur durch kostengünstige Formgebungsprozesse in die gewünschte planare bzw. strukturierte Geometrie gebracht werden kann, mit einem keramikhaltigen Schlicker infiltriert und anschließend ausgehärtet werden kann. Dabei wird die durch die Trägerstruktur bzw. das Template vorgegebene Form während des gesamten Herstellungsprozesses beibehalten. Schwindungen durch den Brennvorgang bleiben bei dieser Betrachtung unberücksichtigt. Damit ergibt sich ein gegenüber den bekannten keramikhaltigen Verfahren kostengünstiger Herstellungsprozess für keramische Flachmembranen.The present invention enables the provision of a first filter membrane as a flat filter membrane by means of a flexible support structure can be brought by cost-effective shaping processes in the desired planar or structured geometry, infiltrated with a ceramic-containing slip and then cured. In this case, the predetermined by the support structure or the template shape is maintained throughout the manufacturing process. Shrinkage caused by the burning process is ignored in this analysis. This results in a cost-effective manufacturing process for ceramic flat membranes compared to the known ceramic-containing method.
Die Flachfiltermembran als auch zweite Filtermembran, also die Membran erhältlich durch Phaseninversion, kann als Mikrofiltrationsmembran genutzt werden. Bei Verwendung als Ultrafiltrationsmembran oder als Nanofiltrationsmembran sind weitere Beschichtungssysteme auf Basis von Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid und/oder Titandioxid notwendig. Hierfür ist z. B. die Porengröße der erhaltenen Keramikschicht über die Zusammensetzung des Schlickers und/oder über das Material der Trägerstruktur einstellbar.The flat filter membrane as well as the second filter membrane, ie the membrane obtainable by phase inversion, can be used as a microfiltration membrane. When used as an ultrafiltration membrane or as a nanofiltration membrane, further coating systems based on aluminum oxide, zirconium oxide, silicon oxide, silicon carbide and / or titanium dioxide are necessary. For this purpose is z. B. the pore size of the resulting ceramic layer on the composition of the slurry and / or on the material of the support structure adjustable.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht darüber hinaus die Bereitstellung einer zweiten Filtermembran in beliebiger Anordnung, so z. B. als Flachfiltermembran oder als Wickelmembran. Die zweite Filtermembran ist gegenüber der ersten Flachfiltermembran einfacher herstellbar und weist eine neuartige mikroskopische Oberflächenstruktur auf.The present invention also allows the provision of a second filter membrane in any arrangement, such. B. as a flat filter membrane or as a wound membrane. The second filter membrane is easier to produce than the first flat filter membrane and has a novel microscopic surface structure.
Die vorgenannten keramische Filtermembrane und die daraus zusammengesetzten keramische Filtermodule sind insgesamt kostengünstiger und einfacher herstellbar im Vergleich zu anderen bekannten keramikhaltigen Herstellungsverfahren.The aforementioned ceramic filter membrane and the ceramic filter modules composed thereof are overall less expensive and easier to produce compared to other known ceramic-containing production method.
Für zweite keramische Filtermembran kann gegenüber der ersten keramischen Filtermembran insbesondere auch verbesserte mechanische Festigkeit erreicht werden.For the second ceramic filter membrane, in particular also improved mechanical strength can be achieved compared to the first ceramic filter membrane.
Aufgrund des Phaseninversionsprozesses mit der Bildung der Fingerporen kann gegenüber der ersten keramischen Filtermembran ein Polymermaterial mit feinkörnigeren Keramikbestandteilen, besonders bevorzugt zwischen 0,4 bis 2 μm, genutzt werden, wodurch die Sintertemperatur in der Herstellung abgesenkt werden kann und eine höhere mechanische Festigkeit erreicht wird. Man kann allerdings auch auf ein Pulver mit grobkörnigeren Bestandteilen zwischen 2 bis 20 μm zurückgreifen. Bei der ersten Filtermembran wird bei Verwendung des Polymermaterial mit den feinkörnigeren Keramikbestandteilen nur die Trägerfasern beschichtet, jedoch kommt es hierbei zu keiner homogenen Porenbildung.Due to the phase inversion process with the formation of the finger pores, a polymer material with finer-grained ceramic constituents, more preferably between 0.4 to 2 μm, can be used over the first ceramic filter membrane, whereby the sintering temperature can be lowered during manufacture and a higher mechanical strength is achieved. However, one can also resort to a powder with coarse-grained constituents between 2 to 20 microns. In the case of the first filter membrane, when using the polymer material with the finer-grained ceramic constituents, only the carrier fibers are coated, but in this case no homogeneous pore formation occurs.
Aufgrund einer hohen Flexibilität entsprechender Trägerstrukturen sind zudem auch sehr kleine Wellstrukturen mit Wellendurchmesser < 1 mm prägbar, wodurch sich die Filterfläche der vorbeschriebenen ersten und zweiten Filtermembran deutlich erhöhen lässt. Gleiches gilt für Zickzack-, Trapez- oder Rechteckstrukturen. Derartig kleine dimensionierte Strukturen ließen sich mit den bisherigen Verfahren nicht realisieren. Daher sind derartig klein-dimensionierte Strukturen ein Indiz dafür, dass es sich um eine erfindungsgemäße Filtermembran und ein erfindungsgemäßes Filtermodul handelt.Due to a high flexibility of corresponding support structures also very small corrugated structures with a shaft diameter <1 mm are also embossed, which can significantly increase the filter area of the above-described first and second filter membrane. The same applies to zigzag, trapezoidal or rectangular structures. Such small sized structures could not be realized with the previous methods. Therefore, such small-sized structures are an indication that it is a filter membrane according to the invention and a filter module according to the invention.
Die erfindungsgemäße Filtermembran kann während seiner Herstellung einer freien Formgebung, z. B. als gebogene Flachfiltermembran wie in
Ein deutliches Indiz für die in der Erfindung vorgestellte Herstellungsvariante ist zudem, dass der Abdruck der Trägerstruktur, sofern diese selbst eine Struktur aufweist, im keramikhaltigen Material der Filtermembran zurückweist. Bei der vorbeschriebenen ersten Filtermembran kann dies bereits mittels einer mikroskopischen Aufnahme der Oberfläche festgestellt werden, bei der vorbeschriebenen zweiten Filtermembran empfiehlt sich ein Schnittbild der Struktur. Derartige Strukturen, z. B. als eine Faseroberfläche für Papier oder Vlies, in dem ausgehärteten keramikhaltigen Membranmaterial sind in den Herstellungsverfahren aus dem Stand der Technik nicht bekannt und daher ebenfalls Indiz für eine erfindungsgemäße Filtermembran und ein erfindungsgemäßes Filtermodul. Kein Vorliegen einer Struktur in der keramikhaltigen Membran ist zugleich selbstverständlich nicht als Indiz für das Nicht-Vorliegen insbesondere der zweiten vorbeschriebenen Filtermembran zu verstehen, da die Flachfiltermembran auch mit einer Trägerstruktur aus anderen porösen Materialien hergestellt werden kann. A clear indication of the production variant presented in the invention is also that the impression of the support structure, if this itself has a structure, in the ceramic-containing material of the filter membrane rejects. In the case of the above-described first filter membrane, this can already be determined by means of a microscopic image of the surface; in the case of the above-described second filter membrane, a sectional image of the structure is recommended. Such structures, eg. Example, as a fiber surface for paper or nonwoven, in the cured ceramic-containing membrane material are not known in the manufacturing processes of the prior art and therefore also an indication of a filter membrane according to the invention and a filter module according to the invention. No presence of a structure in the ceramic-containing membrane is of course not to be understood as an indication of the non-existence in particular of the second above-described filter membrane, since the flat filter membrane can also be prepared with a support structure of other porous materials.
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