DE102014221837A1 - Method and device for regenerating polluted membrane filters - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von Membranfiltern oder Membranfiltermodulen bei Trennverfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen und Wässern, wobei die Schadstoffe an einer Membranfilteroberfläche aufkonzentriert werden. Zur oxidativen Entfernung der Schadstoffe von den Membranfilteroberflächen werden diese bei Rückgang der Filtrationsrate vollständig mit UV-Licht bestrahlt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen von Membranfiltermodulen, bevorzugt zur vor-Ort Regenerierung, welche neben Membranfiltern oder -modul(en) eine UV-Einheit aufweist. Die Membranfilter/-module besitzen vorzugsweise eine Rohr- oder Plattengeometrie. Die vor-Ort-Regenerierung wird durch die UV-oxidative Einheit gewährleistet.The invention relates to a method for regenerating membrane filters or membrane filter modules in separation processes for the removal of pollutants from gases and waters, wherein the pollutants are concentrated on a membrane filter surface. For the oxidative removal of pollutants from the membrane filter surfaces they are completely irradiated with decreasing the filtration rate with UV light. The invention also relates to a device for removing pollutants from membrane filter modules, preferably for on-site regeneration, which in addition to membrane filters or module (s) has a UV unit. The membrane filters / modules preferably have a tube or plate geometry. On-site regeneration is ensured by the UV-oxidative unit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von Membranfiltern oder Membranfiltermodulen bei Trennverfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen und Wässern, wobei die Schadstoffe an einer Membranfilteroberfläche aufkonzentriert werden. Zur oxidativen Entfernung der Schadstoffe von den Membranfilteroberflächen werden diese bei Rückgang der Filtrationsrate vollständig mit UV-Licht bestrahlt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen von Membranfiltermodulen, bevorzugt zur vor-Ort Regenerierung, welche neben Membranfiltern oder -modul(en) eine UV-Einheit aufweist. Die Membranfilter/-module besitzen vorzugsweise eine Rohr- oder Plattengeometrie. Die vor-Ort-Regenerierung wird durch die UV-oxidative Einheit gewährleistet.The invention relates to a method for regenerating membrane filters or membrane filter modules in separation processes for the removal of pollutants from gases and waters, wherein the pollutants are concentrated on a membrane filter surface. For the oxidative removal of pollutants from the membrane filter surfaces they are completely irradiated with decreasing the filtration rate with UV light. The invention also relates to a device for removing pollutants from membrane filter modules, preferably for on-site regeneration, which in addition to membrane filters or module (s) has a UV unit. The membrane filters / modules preferably have a tube or plate geometry. On-site regeneration is ensured by the UV-oxidative unit.
Die Entfernung von Schadstoffen aus mit Schadstoffen belasteten Wässern bzw. Gasen unter Verwendung von Membranfiltermodulen ist bekannt, wobei die Membranfilter/-module von mit Schadstoffen belasteten Gasen oder Wässern durchströmt werden. Bei diesem Prozess lagern sich die Schadstoffe als Schicht auf den porösen Membranen an. Das heißt, die Schadstoffe werden an der Membranoberfläche adsorbiert bzw. aufkonzentriert. Ab einer bestimmten Beladung wirken die Schadstoff-Ablagerungen leistungsmindernd auf das Membranfiltermodul, d. h. die Filtrationsrate der Membranfilter sinkt durch die vermehrt vorhandenen Ablagerungen und geht bis auf Null zurück, so dass der Filtrationsprozess zum Erliegen kommt.The removal of pollutants from contaminated waters or gases using membrane filter modules is known, wherein the membrane filter / modules are flowed through by contaminated gases or waters pollutants. In this process, the pollutants deposit as a layer on the porous membranes. That is, the pollutants are adsorbed or concentrated at the membrane surface. From a certain loading the pollutant deposits have a performance-reducing effect on the membrane filter module, d. H. the filtration rate of the membrane filter sinks due to the increased deposits and goes back to zero, so that the filtration process comes to a standstill.
Marktverfügbar sind Membranfilter mit einem Regenerationsprozess bei der Herstellung der Filtermaterialien selbst, wobei die Grundlage die Kombination biologischer mit nicht biologischen Wirkprinzipien zur Beseitigung der Emission von Schad- und Geruchsstoffen bilden (
Ein wesentlicher Nachteil der bisher marktverfügbaren Verfahren zur Regenerierung besteht darin, dass eine Regenerierung von nicht mehr durchlässigen Membranfiltern während eines aktiven Produktionsprozesses nicht möglich ist.A major disadvantage of the hitherto market-available methods for regeneration is that a regeneration of no longer permeable membrane filters during an active production process is not possible.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Regenerierung von Membranfiltern in Trennverfahren bereitzustellen, das die Regenerierung von teilweise oder vollständig undurchlässigen Membranfiltern unkompliziert, kostengünstig und effektiv vor Ort gestattet, so dass das Membranfiltersystem einerseits Schadstoffe aus Fluiden oder Gasen adsorbiert und andererseits die an der Membranoberfläche aufgenommenen Schadstoffe mineralisiert, um so eine kontinuierliche Betriebsweise realisieren zu können.The object of the invention is therefore to provide a method for regenerating membrane filters in separation process, which allows the regeneration of partially or completely impermeable membrane filters uncomplicated, inexpensive and effective on site, so that the membrane filter system adsorbs pollutants from fluids or gases on the one hand and on the other hand Mineralized the membrane surface pollutants, so as to be able to realize a continuous operation.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und ein Membranfiltersystem gelöst, insbesondere zur vor-Ort-Regenerierung von Membranfiltermodulen, wobei UV-Strahlungseinheiten integriert sind.According to the invention the object is achieved by a method and a membrane filter system, in particular for the on-site regeneration of membrane filter modules, wherein UV radiation units are integrated.
Membranfilter sind mikroporöse Membranen, bestehend aus einer festen Matrix mit definierten Poren mit definierten Durchmessern. Sie werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, einschließlich Keramik, Metallen, Metalloxiden und Polymeren. Bezüglich ihrer Struktur können sie symmetrisch (der Porendurchmesser variiert nicht über den Membranquerschnitt) oder asymmetrisch (der Porendurchmesser steigt von der einen Seite der Membran zur anderen um den Faktor 10–1000) aufgebaut sein. Die Membranfiltration erfolgt ausschließlich durch einen Druckgradienten, wobei der Filtereffekt vom mittleren Porendurchmesser bestimmt wird. Die Membranfiltration ist eine Siebfiltration, das heißt, die Abscheidung der Schadstoffe erfolgt überwiegend auf der Membranoberfläche. Die technische Membrananordnung geschieht in sogenannten Modulen, wobei Platten-, Wickel-, Rohr-, Kapillar- und Hohlfasermodule verwendet werden können.Membrane filters are microporous membranes consisting of a solid matrix with defined pores with defined diameters. They are made from a variety of materials, including ceramics, metals, metal oxides and polymers. With regard to their structure, they can be constructed symmetrically (the pore diameter does not vary across the membrane cross-section) or asymmetrically (the pore diameter increases from one side of the membrane to the other by a factor of 10-1000). The membrane filtration is carried out exclusively by a pressure gradient, wherein the filter effect is determined by the average pore diameter. The membrane filtration is a sieve filtration, that is, the deposition of pollutants takes place predominantly on the membrane surface. The technical membrane arrangement is done in so-called modules, wherein plate, winding, tube, capillary and hollow fiber modules can be used.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kommen bevorzugt Rohr- und Plattenmodule zur Anwendung. Bei Rohrmodulen liegt die rohrförmige Membran in Schlauchform auf der Innenseite druckfester Rohre, die definierte Durchmesser aufweisen. Eine zu reinigende Lösung wird durch das Innere des Rohres gepumpt, das Filtrat durchdringt die Membran und wird in den Außenraum abgezogen. Der Druckverlust in einem Rohrmodul ist sehr gering. Wesentliche Elemente bei Plattenmodul-Konstruktionen sind die Flachmembran, die Platte zur Membranabstützung und die Platten zur Prozessflüssigkeits-seitigen Strömungsführung (Abstandshalter, Spacer). Diese werden in geeigneter Weise neben- oder übereinander zu Stapeln zusammengefügt und durchströmt. Der Strömungsverlauf z. B. in einem Rundplattenfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat von je zwei Membranen separat nach außen abgeführt wird.In the method according to the invention preferably tube and plate modules are used. In tubular modules, the tubular membrane in tube form lies on the inside of pressure-resistant tubes, which have defined diameters. A solution to be cleaned is pumped through the interior of the tube, the filtrate penetrates the membrane and is drawn off into the outside. The pressure loss in a pipe module is very low. Essential elements in plate module constructions are the flat membrane, the membrane support plate and the process fluid side flow guide plates (spacers). These are suitably juxtaposed or stacked together and flows through them. The flow path z. B. in a round plate filter characterized in that the filtrate is discharged separately from each of two membranes to the outside.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Rückgang der Trennleistung vorzugsweise bei Rückgang unter 80%, eine UV-Einheit in Betrieb genommen und die Membranfilter werden vollständig mit UV-Licht bestrahlt bis die Schadstoffe UV-oxidativ mineralisiert sind. Gemäß der Erfindung werden UV-Strahler eingesetzt, die eine UV-Bestrahlung mit einem breiten Spektrum gewährleisten, vorzugsweise erfolgt die Bestrahlung mit einer Strahlungsleistung von 20 bis 200 W/cm bei Wellenlängen von 240 bis 290 nm. Bei einer Bandbreite von 240 bis 290 nm werden in Gasen oder Wässern Mikroorganismen abgetötet und Schadstoffe und Partikel oxidiert.In the process according to the invention, when the separation efficiency drops, preferably at a decrease below 80%, a UV unit is put into operation and the membrane filters are completely irradiated with UV light until the pollutants have been mineralized by UV-oxidative. According to the invention, UV emitters are used which ensure UV irradiation with a broad spectrum, preferably the irradiation takes place with a radiation power of 20 to 200 W / cm at wavelengths of 240 to 290 nm. At a bandwidth of 240 to 290 nm are killed in gases or water microorganisms and oxidized pollutants and particles.
So wird die Membran vollständig regeneriert und ist unmittelbar wieder einsetzbar, so dass vor Ort ein kontinuierliches Reinigungsverfahren gewährleistet ist. Auch während der Phase der Aufkonzentrierung eventuell auftretende Biofilme an der Membran können so in der Regenerationsphase entfernt werden. Die gesteuerte UV Einheit ist so angeordnet, dass die gesamte mit Schadstoff beladene Oberfläche des Membranfiltermoduls vollständig bestrahlt wird.Thus, the membrane is completely regenerated and can be used immediately, so that on site a continuous cleaning process is guaranteed. Even during the phase of concentration possibly occurring biofilms on the membrane can be removed in the regeneration phase. The controlled UV unit is arranged so that the entire polluted surface of the membrane filter module is completely irradiated.
Die Filtrationsrate bzw. die Beladung der Membran wird bevorzugt über die Parameter Druckverlust an der Membran, Schichtdicke der Beladung auf der Membran und/oder Trübung der Wässer oder Gase ständig kontrolliert und bestimmt.The filtration rate or the loading of the membrane is preferably constantly controlled and determined via the parameters pressure loss at the membrane, layer thickness of the charge on the membrane and / or turbidity of the waters or gases.
Der Druckverlust kann z. B. durch eine angeschlossene Differenzdruckmesstechnik, die Dicke der Ablagerungen z. B. mittels integrierter Sensoren zur Schichtdickenmessung und die Trübung z. B. durch integrierte Trübungsmesssonden bestimmt werden. Die Trennleistung wird über einen der vorgenannten Parameter ermittelt und demzufolge überwacht. Sinkt die Trennleistung unter den oben genannten 80%, wird die UV-Strahlung ausgelöst bis eine Trennleistung größer 95% erreicht ist.The pressure loss can z. B. by a connected differential pressure measuring technique, the thickness of the deposits z. B. by means of integrated sensors for coating thickness measurement and the turbidity z. B. be determined by integrated turbidity measuring probes. The separation performance is determined by one of the aforementioned parameters and therefore monitored. If the separation efficiency falls below the above 80%, the UV radiation is triggered until a separation efficiency of more than 95% is reached.
In einer besonders effektiven Ausführungsvariante des Verfahrens wechseln sich die Phasen der Adsorption und Regenerierung in definierten Abständen ab. Die UV-Bestrahlung, die Regenerierungsphase, ist aber auch während des laufenden Reinigungsbetriebes, der Aufkonzentrierungsphase, anwendbar.In a particularly effective embodiment variant of the process, the phases of adsorption and regeneration alternate at defined intervals. However, the UV irradiation, the regeneration phase, is also applicable during the ongoing cleaning operation, the concentration phase.
Durch Zugabe von herkömmlichen Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid, Hypochlorit oder deren Derivate oder Ozon und dem Vorhandensein katalytischer Substanzen wie Metalle oder Metalloxide, z. B. Titandioxid, in der Membran kann der UV-oxidative Regenerierungsprozess beschleunigt werden.By adding conventional oxidizing agents such as hydrogen peroxide, hypochlorite or their derivatives or ozone and the presence of catalytic substances such as metals or metal oxides, eg. As titanium dioxide, in the membrane of the UV-oxidative regeneration process can be accelerated.
Die Wahl des Materials für das Membranfiltermodul richtet sich nach der Art der Schadstoffe und dem belasteten Medium. Membranfilter sind wie bereits ausgeführt mikroporöse Membranen, bestehend aus einer festen Matrix mit definierten Poren. Ein entscheidender Faktor ist die Porengröße als selektives Leistungsmerkmal und die UV-Stabilität. Die Porengröße der Membranen zur Schadstoffentfernung aus Gasen und Wässern kann zwischen 1 und 150 nm liegen.The choice of material for the membrane filter module depends on the type of pollutants and the loaded medium. Membrane filters are as already stated microporous membranes, consisting of a solid matrix with defined pores. One key factor is pore size as a selective feature and UV stability. The pore size of the membranes for pollutant removal from gases and waters can be between 1 and 150 nm.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Membranfiltersystem zur Entfernung von Schadstoffen aus Gasen oder Wässern und zur vor-Ort Regenerierung der Membranfilter. Das Membranfiltersystem weist mindestens ein Membranfilter bzw. -modul und eine UV-Einheit auf.The invention also provides a membrane filter system for removing pollutants from gases or waters and for on-site regeneration of the membrane filter. The membrane filtration system has at least one membrane filter or module and a UV unit.
Die UV-Einheit in dem Membranfiltermodul ist so angeordnet, dass eine UV-Bestrahlung der ganzen Membranfilteroberfläche gewährleistet ist. Bevorzugt sind zwei Anwendungsvorrichtungen möglich. Die eine Systemvariante integriert mindestens ein Rohrmembranfiltermodul und eine UV-Einheit. In der Regel befindet sich die UV-Einheit im Zentrum des Rohrmembranfiltermoduls. Eine andere Systemvariante weist mindestens ein Plattenmembranfiltermodul und mindestens eine UV-Einheit auf, welche über die gesamte Membranfilterfläche verteilt angeordnet ist.The UV unit in the membrane filter module is arranged so that UV irradiation of the entire membrane filter surface is ensured. Preferably, two application devices are possible. One system variant integrates at least one tube membrane filter module and one UV unit. As a rule, the UV unit is located in the center of the tube membrane filter module. Another system variant has at least one plate membrane filter module and at least one UV unit, which is distributed over the entire membrane filter surface.
Die UV-Einheit kann als UV-Strahler oder LED-System ausgeführt sein. Ihr Spektrum zeichnet sich durch eine weite und energiereiche Bandbreite aus mit den bevorzugten Wellenlängen von 240 bis 290 nm.The UV unit can be designed as a UV lamp or LED system. Their spectrum is characterized by a wide and high-energy bandwidth with the preferred wavelengths from 240 to 290 nm.
Vorzugsweise kommen UV-Mitteldruckstrahler zum Einsatz. Mitteldruckstrahler benötigen für Ihren Betrieb zwar eine hohe elektrische Leistung, können aber stufenlos geregelt werden.Preferably, UV medium-pressure lamps are used. Although medium-pressure lamps require a high electrical output for their operation, they can be regulated steplessly.
In den Ausführungsbeispielen sind die unterschiedlichen Varianten ausführlich dargestellt.In the embodiments, the different variants are shown in detail.
Die Anmeldung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.The application is further illustrated by the following examples.
Beispiel 1example 1
Das Beispiel 1 beschreibt ein Rohrmembranfiltermodul (
Beispiel 2Example 2
Ein Plattenmembranfiltermodul (
Die UV-Einheit ist solange aktiviert, bis die Membran vollständig regeneriert ist entsprechend des o. g. ausgewählten Parameters. Das gereinigte Gas (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- verunreinigtes Wassercontaminated water
- 22
- verunreinigtes Gascontaminated gas
- 33
- gereinigtes Wasserpurified water
- 44
- gereinigtes Gaspurified gas
- 55
- Membranfiltermodul (rohr- bzw. plattenförmig)Membrane filter module (tubular or plate-shaped)
- 66
- Membranmembrane
- 77
- UV-EinheitUV unit
- 88th
- Schicht der aufkonzentrierten SchadstoffeLayer of concentrated pollutants
- 99
- DifferenzdruckmesstechnikDifferential Pressure Measurement
- 1010
- Sensor zur SchichtdickenmessungSensor for coating thickness measurement
- 1111
- TrübungsmesssondeTurbidity probe
- 1212
- OxidationsmittelzugabeOxidizer addition
- 1313
- Katalysatorcatalyst
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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