DE102016003335A1

DE102016003335A1 - Verfahren und Anlage für den Bereich der Membranfiltration, vorwiegend im Mikro- und Ultrafiltrationsbereich, mit der eine sehr hohe Aufkonzentrierung des Retentats, bei kontinuierlicher, automatischer Arbeitsweise erzielt wird.

Info

Publication number: DE102016003335A1
Application number: DE102016003335.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Innovative Technology GbR Vertretungsberechti De
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Filtrationsvorrichtung zum Aufteilen einer partikelbeladenen Flüssigkeit in ein partikelreduziertes Permeat und in ein partikelangereichertes Retentat mit einer von der Flüssigkeit in einer Stromrichtung durchströmbaren oder durchströmten Filtrationsmembran (1), die eine Permeatseite (3) der Filtrationsvorrichtung von einer Retentatseite (2) der Filtrationseinrichtung trennt, wobei die Filtrationsmembran (1) insbesondere zu einer Filterung der Flüssigkeit im Mikro- oder Ultrafiltrationsbereich ausgebildet ist, und mit einer Pumpenvorrichtung, mittels derer ein Druck der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) und auf der Retentatseite (2) festlegbar ist, wobei sich der Druck der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) von dem Druck der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) betragsmäßig unterscheidet, und mit einem Zulauf (5) für die Flüssigkeit, einer Ableitung (6) für das Permeat und einer Ableitung (13) für das Retentat. Diese Filtrationseinrichtung ist gekennzeichnet, dass mittels der Pumpenvorrichtung die Stromrichtung der Flüssigkeit durch die Filtrationsmembran (1) zeitlich wiederholt umkehrbar ist, wobei in einer zeitlichen Mittelung der Druck der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) betragsmäßig größer ist als auf der Permeatseite.

Description

Allgemeine Beschreibung der Membranfiltration:
Die Membranfiltration ist ein Filterverfahren zur Trennung von Partikeln, suspendierter oder auch gelöster Stoffe nach Größe und Molekulargewicht.
Die Membran trennt die Rohwasserseite von der Filtratseite. Durch erzeugen einer Druckdifferenz durchdringt das Lösemittel und die enthaltenen Substanzen die kleiner als die Poren der Membrane sind die Membran, während größere Partikel und Moleküle zurückgehalten werden.
Die auf der Rohwasserseite der Membran zurückgehaltene Lösung mit den enthaltenen Substanzen bezeichnet man als Retentat. Das Lösunsmittel mit den Substanzen die die Membran durchdringen bezeichnet man als Filtrat oder Permeat.
Durch die bestimmte Auswahl der Filtermembran mit der entsprechenden Trenngrenze, Struktur und Porengröße, können gezielt bestimmte Inhaltsstoffe im Lösungsmittel zurück gehalten werden, während andere im Filtrat erhalten bleiben.
Durch die Zurückhaltung der größeren Partikel und Moleküle auf der Retendatseite und dem Durchdringen des Lösungsmittels mit den Niedermolekularen Stoffe durch die Membran, erfolgt so auf der Rohwasserseite eine immer stärkere Aufkonzentrierung.
Unterteilung der Membranfiltrationsverfahren
Man unterscheidet folgende 4 Arten der Membranfiltration nach Trenngrenze:

1. Umkehrosmose Porengröße/Partikelgröße unter 0,001 μm

2. Nanofiltration 0,001 bis 0,01 μm

3. Ultrafiltration 0,01 bis 0,1 μm

4. Mikrofiltration über 0,1 μm bis 10 μm
Stand der Technik:
Dem Stand der Technik nach wird zwischen Statischer-Betriebsweise (Dead-End) und Dynamischer-Betriebsweise (Cross-Flow) unterschieden.
Dead-End-Filtration
Bei der statischen Filtration strömt das zu filternde Medium senkrecht zur Membranfläche, wobei das Filtrat die Membrane durchdringt, jedoch die größeren Partikel und Moleküle zurückgehalten werden und so eine Deckschicht bilden die schnell anwächst. In gleicher Weise wie die Deckschicht anwächst, sinkt der Filtratfluß durch die Membran. Die Filtrierung wird so schnell unwirtschaftlich oder kommt ganz zum Erliegen. Die Membran muß dann Rückgespült, oder auch chemisch und mechanisch gereinigt werden. Es ist daher nur ein diskontiunierlicher Chargen Betrieb möglich.
Cross-Flow-Filtration
Bei der Cross-Flow-Filtration wird das zu filternde Medium mit hoher Fließgeschwindigkeit parallel an der Membranfläche vorbei geführt. Bei der Mikrofiltration beträgt die Fließgeschwindigkeit meist 2 bis 5 m/sec. Bei einem Druck von ca. 1,5 bis 4 bar. Bei dieser Fließgeschwindigkeit und dem Druck durchdringt ein Teil als Filtrat die Membran quer zur Hauptfließrichtung. Die schnelle Überströmung der Filtermembran in Längsrichtung, soll dem Aufbau einer Deckschicht entgegenwirken. Eine vollkommene Verhinderung gelingt jedoch nicht. So muß auch beim Cross-Flow Betrieb in Intervallen Rückgespüle werden.
Problem der Deckschichtbildung und dem damit verbundenen Leistungsabfall
Die Deckschichtbildung und dem damit verbundene Leistungsabfall, bis hin zur Unterbrechung der Filterleistung während des notwendigen Rückspülens ist ein großes Problem der Membranfiltertechnik.
Es wurden schon zahlreiche Versuche unternommen der Deckschichtbildung entgegen zu wirken. Meistens wird ein periodisches Rückspülen der Membran mit Filtrat entgegen der normalen Filterrichtung angewendet.
Bekannt sind auch Verfahren, bei denen Scherkräfte das Ablösen der Deckschicht bewirken, die durch Rührer, Rotation des Filterelements (Rotationsscheibenfilter), oder eine oszillierende Bewegung des Filterelementes erzeugt werden. Auch durch Beschallung mit Ultraschall wird versucht der Belagbildung entgegen zu wirken.
Weiterhin ist bekannt, durch eine pulsierende Förderbewegung (z. B. Resonante Pulsationsfiltration) der Deckschichtbildung entgegen zu wirken.
Grenzen der Aufkonzentrierung
Bei vielen Anwendungen der Membranfiltration wird eine möglichst hohe Aufkonzentrierung des Retentats angestrebt. Mit der Konzentration des Retentates steigt aber auch die Viskosität.
Um die bei der Cross-Flow-Filtration erforderliche Überströmgeschwindigkeit der Membranfläche von ca. 2 bis 5 m/sec. zu erzielen, werden meist Kreiselpumpen eingesetzt. Schon bei einer Aufkonzentrierung des Rohwassers (Retentat) von annähernd 10% TS ist aber hier die Grenze beim Einsatz einer Kreiselpumpe erreicht. Ab dieser Viskosität sinkt die Förderleistung und der -Druck, und der Energiebedarf steigt enorm.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung war es, eine wesentlich höhere Aufkonzentrierung zu ermöglichen, bei der der Aufbau einer Deckschicht verhindert wird um eine nahezu gleichbleibende Filtratleistung zu erzielen, bei kontinuierlichem automatischem Betrieb.
Diese Aufgabe wurde mit der hier beschriebenen Erfindung vollkommen gelöst. Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik bekannten Betriebsweisen „Dead-End” (Filterdruck senkrecht zur Membranfläche) oder „Cross-Flow” (tangentiale Überströmung der Membranfläche), wird hier eine Oszillierende Bewegung quer zur Filter-Membran erzeugt. Beim Vorwärtshub wird auf der Retentat-/Rohwasser-Seite der Filtermembran ein Druck aufgebaut und auf der Rückseite der Filter-Membran ein Unterdruck. Beim Rückwärtshub wird der Druck genau entgegengesetzt auf der Filtratseite aufgebaut und der Unterdruck auf der Rohwasserseite. Dies in stetigem oszillierenden Wechsel. Entscheidend ist, dass die zu filtrierende Menge die von der Rohwasserseite durch die Filter-Membran bewegt wird, immer größer ist als die Filtrat-Menge die entgegengesetzt von der Filtrat-Seite zum Rückspülen der Filterporen bewegt wird.

Das Ausschleussen des Filtrates und Einsaugen des Rohwassers erfolgt bei jedem Filterhub automatisch über eine Ventilsteuerung. Das Ausschleussen von Konzentrat/Retentat erfolgt periodisch über das Konzentrat-Auslassventil. Dies kann z. B. über einen Hubzähler der die Filterhübe zählt gesteuert werden. Vorteile dieser Erfindung: Kompakte, robuste, einfache Konstruktion

Platzbedarf:	nur ca. 50% gegenüber einer Cross-Flow-Mikrofiltrationsanlage (mit der gleichen Leistung)
Energiebedarf:	nur ca. 30% gegenüber einer Cross-Flow-Mikrofiltrationsanlage (mit der gleichen Leistung)

Um mit dem „Cross-Flow” Mikrofilterverfahren eine Filtratleistung von z. B. 10 l/h zu erhalten, wird eine Fließgeschwindigkeit von 3–5 m/sec. bei ca. 2–4 bar benötigt.
Hierzu müssen ca. 330 l/h Rohwasser bewegt werden. Bei der hier beschriebenen Erfindung mit einer oszillierenden Filterbewegung müssen dagegen weniger wie 33 l/h bewegt werden um die gleiche Filtratleistung von 10 l/h zu erhalten.

Aufkonzentrierung: 50–100% höhere Aufkonzentrierung des Retentats gegeüber herkömmliche Membranverfahren

je nach Medium problemlos auf ca. 15–20% TS und darüber
Der Filterdruck und die Filterbewegung des zu filtrierenden Mediums durch die Filtermembran, wird mittels der Pumpenmembran geradlinig auf kürzestem Wege erzielt.
Funktionsbeschreibung der Erfindung gemäß Darstellung in Zeichnung 1
Die Filter-Membran 1 trennt die Rohwasserseite 2 von der Filtratseite 3
Mittels einer Pumpen-Membran 4 wird beim Vorwärtshub ein Druck auf der Rohwasserseite der Filter-Membran aufgebaut und gleichzeitig auf der Filtratseite ein Unterdruck/Sog.
Beim Rückwärtshub wird der Druck nun genau entgegengesetzt auf der Filtratseite aufgebaut und der Unterdruck/Sog auf der Rohwasserseite.
Über die Pumpen-Membran wird das Filtermedium in eine oszillierende Bewegung versetzt.
Das Filtrat führt so senkrecht durch die Membran eine oszillierende Bewegung aus. Bei der Bewegung von der Rohwasseseite zur Filtratseite erfolgt das filtrieren. Höher molekulare Stoffe bzw. Anteile die größer als die Membranporen sind werden auf der Rohwasserseite zurückgehalten. Beim Rückwärtshub bewegt sich das Filtrat von der Filtratseite durch die Filtermembran zur Rohwasserseite und bewirkt so ein Rückspülen der Membranporen.
Eine Filtratleistung kommt dadurch zustande, dass beim Rückwärtshub nur ca. 10–40% der pro Vorwärtshub erzeugten Filtratmenge zum Rückspülen verwendet wird. Die restlichen 60–90% Filtrat werden abgeleitet und durch Zuführung von Rohwasser ersetzt.
Das Öffnen und Schließen der Rohwasserzuführung 5 und der Filtratableitung 6 erfolgt über Ventile die mittels Nockenscheibe 8 und dem Ventilstössel 7 gesteuert werde. Die Pumpmembran 4 wird mittels der Exzenterscheibe 10 und Pumpenstössel 11 in eine oszillierende Bewgung versetzt. Der Antrieb der Exzenterscheibe 10 und der Nockenscheibe 8 erfolgt durch einen Getriebemotor 9
In Zeichnung 2 ist eine mögliche Ausführungsvariante mit mehreren verschiedenen Exzenterscheiben, sowie mehreren verschiedenen Nockenscheiben dargestellt. Über jeweils einen Stellmotor können so verschiedene Hublängen, sowie auch verschiedene Ventilsteuerungen gewählt werden.
Bezugszeichenliste
Legende zur Zeichnung Nr. 1

1: Mikrofiltrationsmembran
2: Rohwasserseite (Filtermembran)
3: Filtratseite
4: Pumpenmembran
5: Rohwasser-Zuführung
6: Filtrat-Ableitung
7: Ventilstössel zum Öffnen und Schliessen der Rohwasser-Zuführung 5 und der Filtrat-Ableitung 6
8: Nockenscheibe
9: Getriebemotor (Antrieb der Exzenterscheibe 10 und der Nockenscheibe 8)
10: Exzenterscheibe
11: Stössel zum Bewegen der Pumpenmembran
12: Filtrat-Verbindungskanal
13: Konzentrat-Auslass
14: Käfig für Exzenterscheiben
15: Gewindespindel zum Verschieben der Exzenterscheiben
16: Schrittmotor zum Verschieben der Exzenterscheiben
17: Schrittmotor zum Verschieben der Nockenscheiben
18: Käfig für Nockenscheiben
19: Gewindespindel zum Verschieben der Nockenscheiben

Claims

Filtrationsvorrichtung zum Aufteilen einer partikelbeladenen Flüssigkeit in ein partikelreduziertes Permeat und ein partikelangereichertes Retentat mit einer von der Flüssigkeit in einer Stromrichtung durchströmbaren oder durchströmten Filtrationsmembran (1), die eine Permeatseite der Filtrationsvorrichtung von einer Retentatseite der Filtrationsvorrichtung trennt, wobei die Filtrationsmembran (1) insbesondere zu einer Filtrierung der Flüssigkeit im Mikro- oder Ultrafiltrationsbereich ausgebildet ist, und mit einer Pumpenvorrichtung, mittels derer ein Druck der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) und auf der Retentatseite (2) festlegbar ist, wobei sich der Druck der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) von dem Druck der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) betragsmäßig unterscheidet, und mit einem Zulauf (5) für die Flüssigkeit, einer Ableitung (6) für das Permeat und einer Ableitung (13) für das Retentat, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Pumpenvorrichtung die Stromrichtung der Flüssigkeit durch die Filtrationsmembran (1) zeitlich wiederholt umkehrbar ist, wobei in einer zeitlichen Mittelung der Druck der Flüssigkeit auf der Retentatseite betragsmäßig größer ist als auf der Permeatseite.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Stromrichtung der Flüssigkeit bei einem Durchströmen der Filtrationsmembran (1) in etwa parallel zu einer Einströmrichtung der Flüssigkeit in die Filtrationsvorrichtung ist.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Druck der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) und der Druck der Flüssigkeit auf Retentatseite (2) mittels der Pumpen vorrichtung allein erzeugber sind.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Pumpenvorrichtung eine Pumpenmembran (4) umfasst, welche mittels eines Antriebsmittels in eine oszillierende Bewegung versetzbar ist.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Antriebsmittel eine Exzenterscheibe (10) und einen Pumpenstößel (11) umfasst, die dazu ausgebildet und vorgesehen sind, die Pumpenmembran in eine oszillierende Bewegung zu versetzen.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Ableitung (6) für das Permeat und der Zulauf (5) für die Flüssigkeit mittels Ventilen verschließbar sind, die vorzugsweise mittels eines Ventilstößels (7) von einer Öffnungsstellung in eine Schließstellung und umgekehrt bringbar sind.
Filtrationsvorrichtung bei der Ventilstößel (7) mittels einer Nockenscheibe (8) bewegbar ist.
Filtrationsvorrichtung nach wenigstens den Ansprüchen 3, 5 und 7, bei der die Exzenterscheibe (10) und die Nockenscheibe (8) auf einer Welle angeordnet sind, welche durch das Antriebsmittel, vorzugsweise ein Getriebemotor (9), angetrieben ist, um die Ventile von einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung und umgekehrt zu bringen und um den Druck der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) und den Druck der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) zu erzeugen.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das Retentat periodisch nach einer Anzahl von Umkehrungen der Stromrichtung der Flüssigkeit durch die Filtrationsmembran (1) über die Ableitung des Retentats ableitbar ist.
Verfahren zum Trennen einer partikelbeladenen Flüssigkeit in ein partikelreduzierts Permeat und ein partikelangereichertes Retentat mittels einer Filtrationsvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, folgende Schritte umfassend: a) Öffnen des Zulaufs (5) für die zu filternde Flüssigkeit, sodass die Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) im Wesentlichen orthogonal auf die Filtrationsmembran (1) strömt b) Öffnen der Ableitung (6) für das Permeat, sodass das Permeat aus der Filtrationsvorrichtung ausströmt, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufs (5) für die Flüssigkeit, wobei das Öffnen des Zulaufs (5) und der Ableitung (6) mittels der Ventile und des Ventilstößels (7) erfolgt, c) Erzeugen eines Drucks der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) durch die Pumpenvorrichtung, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufs (5) für das Lösemittel, höchst vorzugsweise gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufs (5) der Flüssigkeit und dem Öffnen der Ableitung (6) für das Permeat, d) Erzeugen eines Druckes der Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) durch die Pumpenvorrichtung, welcher Druck betragsmäßig kleiner ist als der Druck der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2), vorzugsweise gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufs (5) für die Flüssigkeit, höchst vorzugsweise gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufs (5) der Flüssigkeit und dem Öffnen der Ableitung (6) für das Permeat, besonders bevorzugt gleichzeitig mit dem Öffnen des Zulaufs (5) der Flüssigkeit, dem Öffnen der Ableitung (6) für das Permeat und dem Erzeugen des Drucks der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2); e) Nach Ablauf eines bestimmten ersten Zeitintervalls Schließen des Zulaufs (5) für die zu filternde Flüssigkeit, f) Schließen der Ableitung (6) für das Permeat, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Schließen des Zulaufs (5) für die Flüssigkeit, wobei das Schließen des Zulaufs (5) und der Ableitung (6) mittels der Ventile und des Ventilstößels (7) erfolgt, g) Erzeugen eines Druckes die Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) durch die Pumpenvorrichtung, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Schließen des Zulaufs (5) für die Flüssigkeit, höchst vorzugsweise gleichzeitig mit dem Schließen des Zulaufs (5) die Flüssigkeit und dem Schließen der Ableitung (6) für das Permeat h) Erzeugen eines Drucks die Flüssigkeit auf der Permeatseite (3) durch die Pumpenvorrichtung, welcher Druck betragsmäßig größer ist als der Druck der Flüssigkeit auf der Retentaseite (2), sodass sich die Stromrichtung der Flüssigkeit durch die Filtrationsmembran (1) im Vergleich zu den Verfahrensschritten (a) bis (d) umkehrt, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Schließen des Zulaufs (5) für die Flüssigkeit, höchst vorzugsweise gleichzeitig mit dem Schließen des Zulaufs (5) der Flüssigkeit und dem Schließen der Ableitung (6) für das Permeat und dem Erzeugen des Drucks der Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) i) Abwarten während eines bestimmten zweiten Zeitintervals, wobei das erste und zweite Zeitinterval beragsmäßig gleich sind oder sich voneinander unterscheiden, j) Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis i), wobei der Druck die Flüssigkeit auf der Retentatseite (2) in einer zeitlichen Mittelung über Wiederholungen der Verfahrensschritte a) bis i) betragsmäßig größer ist als auf der Permeatseite (3), k) Nach einer bestimmten Anzahl an Wiederholungen der Verfahrensschritte a) bis j) Öffnen der Ableitung (13) für das Retentat und ggf. Wiederholung der Verfahrensschritte a) bis j).