DE102016009914A1

DE102016009914A1 - Hohlmembranmatte und Hohlmembranmodul

Info

Publication number: DE102016009914A1
Application number: DE102016009914.3A
Authority: DE
Inventors: Kimball Sebastiaan Roelofs; Gunther Bisle
Original assignee: Berghof Membrane Tech GmbH; Berghof Membrane Technology GmbH
Current assignee: Berghof Membrane Tech GmbH; Berghof Membrane Technology GmbH
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2036-08-19
Also published as: DE102016009914B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hohlmembranmatte und ein Hohlmembranmodul, aufweisend eine Vielzahl zueinander parallel und nebeneinander angeordneter Hohlmembranen, die sich zwischen zwei Stirnseiten entlang einer Matten-Längsachse der Hohlmembranmatte erstrecken, und wenigstens einen Klebestreifen, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die Hohlmembranen bzgl. ihrer Lage in der Hohlmembranmatte und bzgl. ihrer Ausrichtung zueinander festzulegen, wobei der Klebestreifen schräg zu einer Querachse der Hohlmembranmatte verläuft, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlmembranmatte mit einer Vielzahl von Hohlmembranen, ein Hohlmembranmodul mit einer solchen Hohlmembranmatte in einem aufgerollten Zustand, sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb eines Hohlmembranmoduls.
In der Membrantechnologie werden semi-permeable Membranen für unterschiedlichste Membranprozesse angewendet. Im Allgemeinen werden technische Membranen angewendet um Prozessströme zu filtrieren, fraktionieren, um bestimmte Komponenten aufzukonzentrieren, oder gezielt bestimmte Komponente durch die Membran zu transportieren.
Diese Membranprozesse können unterteilt werden nach Triebkraft. So gibt es druckgetriebene Prozesse mit porösen Membranen, wie beispielsweise Mikrofiltration und Ultrafiltration, um Feststoffe, Bakterien, Makromoleküle etc. abzutrennen; auch gibt es druckgetriebene Prozesse mit dichten Membranen sowie Umkehrosmose und Nanofiltration, um kleine organische Moleküle oder Salze abzutrennen. Desweiteren gibt es beispielsweise konzentrationsgetriebene Prozesse, sowie Dialyse, Membrankontaktoren und Forward Osmosis, und partialdruckgetriebene Prozesse wie Pervaporation.
Häufig verwendete Membrangeometrien sind Flachmembranen (zur Anwendung in Wickelmodulen oder Kassetten) oder rohrförmige Membranen (Hohlfasern, Kapillarmembranen und Rohrmembranen). Rohrförmige Membranen unterscheiden sich durch ihren jeweiligen Außendurchmesser. Weil diese rohrförmigen Membranen hohl sind, wird vorliegend der Begriff Hohlmembranen als Überbegriff für Kapillarmembranen und Rohrmembranen verwendet. Kapillarmembranen sind selbsttragend und werden mittels eines Spinn-prozesses gefertigt. Rohrmembranen basieren meist auf einem aus Vliesstoff geformten Vliesrohr und werden durch ein Beschichtungsverfahren hergestellt. Die Vorteile dieser Hohlmembranen sind unter anderem die definierte Rohrströmung, Reinigungsmöglichkeiten und hohe Packungsdichte. Herkömmliche Membranmaterialien für Kapillar- und Rohrmembranen sind z. B. PVDF, PES, PS, PP, PAN oder Polymerblends von diesen Polymeren.
In Membranmodulen sind die Membranen das zentrale Element. Es gibt unterschiedlichen Bauformen für verschiedene Anwendungen. So gibt es für druckbetriebene Membranprozesse Hohlmembranen, die rohrseitig durchströmt und mit Druck beaufschlagt werden. Die Mantelseite dient nur dafür um die von den Membranen durchgelassenen Komponenten abzuleiten. Das Strömungsprofil der Mantelseite ist daher eher unwichtig, der Strömungswiderstand sollte allerdings so klein wie möglich sein.
Für konzentrationsgetriebene Prozesse sind sowohl die rohrseitige als auch die Mantelseitige Strömung relevant für die Gewährleistung eines optimalen Stofftransportes. Je nach Anwendung wird das Gleichstrom- oder das Gegenstromprinzip angewendet.
In einer bekannten Anwendung solcher Hohlmembranmodule wird den Hohlmembranen an einer Stirnseite des Zylinders eine zu filtrierende Flüssigkeit zugeführt, wobei die zurückgehaltenen Komponenten rohrseitig über die Modullänge aufkonzentriert werden und die durchgelassenen Komponenten mittels druckgetriebener Filtration mantelseitig der Hohlmembranrohre im Zylinder in dessen Mantelraum transportiert wird, und an einem geeigneten Fluidanschluss an der Umfangswand des Zylinders abfließen kann.
In anderen Anwendungen werden Hohlmembranmodule dafür verwendet, ein erstes Fluid, das in den Hohlmembranen fließt, und ein zweites Fluid, das durch die Zwischenräume zwischen den Hohlmembranen in einem Mantelraum fließt, in Membrankontakt zu bringen (z. B. Membrankontaktor oder Forward Osmosis Anwendungen). Dadurch kann ein Stofftransport durch Konzentrationsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid durch die Wände der Hohlmembranen stattfinden.
Bei bestimmten bekannten Hohlmembranmodulen ist der Stofftransport dadurch beschränkt, dass in dem Mantelraum das zweite Fluid in einem weiten Bereich mit einer im Wesentlichen laminaren Strömung mit verhältnismäßig geringen turbulenten Anteilen an den Umfangswandungen der Hohlmembranen entlangströmt. Teilweise können sogar die Hohlmembranen gar nicht effizient umströmt werden, weil es keinen oder nur geringfügig Platz zwischen den Membranen gibt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Hohlmembranmatte und ein Hohlmembranmodul bereitzustellen, bei dem ein besserer und/oder effizienterer Stofftransport möglich ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Hohlmembranmatte vorgeschlagen, die eine Vielzahl zueinander parallel und/oder nebeneinander angeordneter Hohlmembranen aufweist, welche sich zwischen zwei Stirnseiten der Hohlmembranen entlang einer Matten-Längsachse der Hohlmembranmatte erstrecken. Die Hohlmembranmatte weist wenigstens einen Klebestreifen auf, der dazu eingerichtet und/oder angeordnet ist, die Hohlmembranen bezüglich ihrer Lage in der Hohlmembranmatte und bezüglich ihrer Ausrichtung zueinander festzulegen. Erfindungsgemäß verläuft der wenigstens eine Klebestreifen schräg zu einer Querachse der Hohlmembranmatte und damit vorzugsweise auch schräg zu den Längsachsen der einzelnen Hohlmembranen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hohlmembranmodul bereitgestellt, das ein Modulgehäuse mit einem, zwischen zwei Modulenden angeordneten, Mantelraum aufweist, der an seiner Umfangswandung wenigstens einen Fluidanschluss aufweist. Das Hohlmembranmodul weist zudem eine Hohlmembranmatte, insbesondere gemäß einer Ausführung der Erfindung, auf, die in einem aufgerollten Zustand in den Modul-Hohlraum aufgenommen ist. Der Begriff „Mantelraum” kann dabei in einer bevorzugten Ausführung als der Zwischenraum verstanden werden, der jenseits der äußeren Umfangswandungen der Hohlmembranen im Modulgehäuse verbleibt und durch eine innere Umfangswandung des Modulgehäuses und die Modulenden abgegrenzt wird. Er kann aber auch den von einer Umfangswandung des Modulgehäuses umfangenen Raum bezeichnen.
Die Modulenden sind jeweils zusammen mit der dem jeweiligen Modulende zugeordneten Stirnseite der Hohlmembranmatte fluiddicht zur Trennung des Mantelraums von der Umgebung des Moduls verbunden.
Die Hohlmembranen sind insbesondere zur Führung eines ersten Fluids in ihren Hohlräumen eingerichtet. Die Hohlmembranen sind dabei vorzugsweise entlang der gesamten längsaxialen Erstreckung des Mantelraums angeordnet, sodass im Wesentlichen entlang der gesamten längsaxialen Erstreckung des Mantelraums ein Stofftransport zwischen dem Mantelraum und den Hohlräumen der Hohlmembranen durch die Membranwandungen hindurch möglich ist. In diesem Sinne sind die Hohlmembranen zur Führung eines ersten Fluids durch den längsaxialen Bereich des Mantelraums hindurch eingerichtet. Bei druckgetriebenen Anwendungen wird dabei das Permeat durch die Membranen in den Mantelraum gedrückt. Bei konzentrationsgetriebenen Anwendungen fließt dabei im Mantelraum das zweite Fluid, sodass sich an den Membranwendungen das erste und das zweite Fluid zum Stofftransport begegnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlmembranmoduls bereitgestellt, wobei bei diesem Verfahren sowohl ein Hohlmembranmodul im Sinne der Erfindung als auch ggf. andere Hohlmembranmodule hergestellt werden können. Die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte sind beliebig nacheinander und/oder gleich durchführbar, wo dies sinnvoll ist. Das Herstellungsverfahren weist folgende Schritte auf: (1) Eine Vielzahl von Hohlmembranen werden zueinander parallel und voneinander, insbesondere gleich oder unterschiedlich, beabstandet angeordnet; (2) Zwei oder mehr Klebestreifen werden schräg, insbesondere in einem Winkel im Bereich von 20 Grad bis 45 Grad zu einer Senkrechten der Längsachsen der Hohlmembranen angeordnet; (3) Eine erste Klebeseite der Klebestreifen und eine erste Umfangsseite der Hohlmembranen werden miteinander als ein Hohlmembranmatte verklebt. Vorzugsweise verläuft die oben genannte Senkrechte der Längsachsen durch alle angeordneten Hohlmembranen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Hohlmembranmoduls gemäß einer Ausführung der Erfindung, insbesondere zum Betrieb eines Hohlmembranmoduls als druckbetriebene Filtration, bereitgestellt. Dabei wird aus den Hohlmembranen abfließendes Permeat, das mittels der Membranen von dem ersten Fluid abgetrennt wird, durch den Fluidanschluss in der Umfangswandung abgeleitet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Hohlmembranmoduls gemäß einer Ausführung der Erfindung, insbesondere als Gleichstrom- und/oder Gegenstrom-Membranmodul, bereitgestellt. Dabei wird ein erstes Fluid zwischen den Modulenden in den Hohlmembranen geführt, wobei in dem Mantelraum zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass ein zweites Fluid geleitet wird, und zwar in gleicher oder umgekehrter Flussrichtung bezüglich des ersten Fluides.
Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, die Hohlmembranmatte so zu gestalten, dass auch bei einer aufgerollten Hohlmembranmatte, die im Hohlmembranmodul verbaut ist, eine möglichst effiziente Strömung im Mantelraum, also in den Zwischenräumen zwischen den Hohlmembranen, gewährleistet ist. Bekannte gattungsgemäße Hohlmembranmodule basieren auf einer Hohlmembranmatte, die mit Klebestreifen quer zur Längsrichtung (sprich entlang einer Querachse) der Hohlmembranen zusammengeklebt ist, oder basieren auf ganz anderen Konzepten.
Wenn die Hohlmembranmatte mit einem Klebestreifen gänzlich in Querrichtung aufgerollt ist, ergibt sich an der Längsachsen-Position, an der ein solcher Klebestreifen angeordnet ist, eine störende Verfüllung des Mantelraums mit dem Klebestreifen, insbesondere mit dessen Trägerschicht und Klebeschicht. Dadurch wird insbesondere ein längsaxialer Fluidfluss im Mantelraum behindert, was sowohl in Filtrations-Anwendungen als auch in konzentrationsgetriebenen Anwendungen durch eine Erhöhung des mantelseitigen Strömungswiderstands negative Auswirkungen hat.
Bringt man hingegen im Sinne der Erfindung den oder die Klebestreifen schräg zu einer Querachse der Hohlmembranmatte an, ist ein Fixieren der einzelnen parallelen Hohlmembranen immer noch problemlos möglich. Nach dem Aufrollen verteilt sich aufgrund der schrägen Anordnung des Klebestreifens dessen (im Weg befindliches) Träger- bzw. Klebematerial entlang der längsaxialen Erstreckung des Mantelraums, sodass an keiner Längsachsen-Position über den gesamten Umfang der aufgerollten Hohlmembranmatte Klebestreifenmaterial angeordnet ist, sondern allenfalls an einem Teil des Umfangs.
Dies beseitigt nicht nur die axialen Flusshindernisse im Mantelraum, sondern hat zusätzlich noch einen weiteren Effekt: Durch die schräge, wegen des Aufrollens der Hohlmembranmatte spiralförmige Führung des Klebestreifens wird ein Fluid, das im Modul-Hohlraum axial entlang der Hohlmembranen geleitet wird, auf dem gesamten Flussweg durch den Mantelraum immer wieder auf Hindernisse in Form eines Klebestreifenteils treffen, die jedoch nicht bezüglich des ganzen Umfangs den Weg versperren. Hierdurch wird der Fluss stellenweise in radiale Richtung gelenkt wodurch stellenweise eine querstromartige Strömung erreicht wird, welche den Stofftransport steigert. Weiterhin entsteht in vorteilhafter Art und Weise eine deutlich turbulentere Anströmung der Außenwandungen der Hohlmembranen durch die Unregelmäßigkeiten (Klebestreifen) im Mantelraum. Vor allem für konzentrationsgetriebene Anwendungen (z. B. Membrankontaktor oder Forward Osmosis) wird der erreichbare Stofftransport für eine spezifische Konstellation eines ersten Fluids in den Membranen und eines zweiten Fluids im Mantelraum deutlich gesteigert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung verläuft der Klebestreifen gerade entlang einer Klebestreifen-Längsachse, die schräg zu der Achse der Hohlmembranmatte und/oder schräg auch zu einer Längsachse der Hohlmembranmatte verläuft. Diese ermöglicht die Verwendung von Standard-Klebestreifen.
Je nach Anwendungsfall kann es wünschenswert sein, die Strömung im Mantelraum stärker turbulent zu gestalten oder die Behinderung des Längsflusses von Fluid im Mantelraum zu minimieren. Welcher dieser Faktoren stärker im Vordergrund steht, kann gemäß einer bevorzugten Ausführung mittels des Winkels beeinflusst werden, in welchem der Klebestreifen und insbesondere dessen Klebestreifen-Längsachse, zu der Querachse der Hohlmembranmatte angeordnet ist.
Dieser Winkel kann in unterschiedlichen Ausführungen zwischen 5 Grad und 70 Grad betragen (Formulierung beinhaltet auch die Grenzwerte), wobei bei den niedrigeren Werten die Strömung stärker turbulent gestaltet und/oder quer abgelenkt wird, aber mehr Klebestreifenmaterial den Längsfluss von Fluid behindert, und wobei bei den höheren Werten die Turbulenz der Strömung weniger stark verstärkt wird, dafür aber auch weniger Klebestreifenmaterial an der Hohlmembranmatte angeordnet ist. Gute Kompromisse zwischen diesen beiden Anforderungen ergeben sich in bevorzugten Ausführungen, bei denen der Winkel ca. 20 Grad bis ca. 45 Grad beträgt.
Je nach geometrischer Ausgestaltung der Hohlmembranmatte kann der Klebestreifen gemäß bevorzugten Ausführungen eine Klebestreifen-Breite zwischen 2 Millimetern und 25 Millimetern (Formulierung beinhaltet auch die Grenzwerte), insbesondere eine Breite von ca. 6 Millimetern, aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung kann der Abstand zwischen den einzelnen Hohlmembranen durch eine Klebestreifen-Dicke der Klebestreifen eingestellt werden. In unterschiedlichen Ausführungen kann daher eine Dicke von zwischen 0,1 Millimetern und 3 Millimetern vorgesehen sein (Formulierung beinhaltet auch die Grenzwerte), in typischen Anwendungen sind Dicken zwischen 1 Millimeter und 2 Millimetern sinnvoll. Um auf Standardmaterial zurückgreifen zu können, sind bevorzugte Dicken des verwendeten Klebestreifens zur Einstellung des Abstandes zwischen den Hohlmembranen 1 Millimeter, 1,5 Millimeter oder 2 Millimeter.
In bestimmten Anwendungen kann es sinnvoll sein, dass die Hohlmembranen im Wesentlichen gleich voneinander beabstandet sind. Die gleiche Beabstandung kann sich hier insbesondere auf eine entlang der axialen Erstreckung der Hohlmembranmatte gleichbleibende Beabstandung, aber auch auf eine an einer bestimmten Axialposition zwischen allen Hohlmembranen im Wesentlichen gleiche Beabstandung, beziehen.
Bei Anwendungen, bei denen sich im Betrieb entlang der längsaxialen Erstreckung des Hohlmembranmoduls die Druckverhältnisse des zweiten Fluids ändern, kann es auch sinnvoll sein, dass die Hohlmembranen an einer ersten Stirnseite der Hohlmembranmatte weiter voneinander beabstandet sind als an einer zweiten Stirnseite, insbesondere um den sich ändernden Druckverhältnissen des zweiten Fluids entgegenzuwirken.
Je nach der Anwendung, den beteiligten Fluiden oder dem Mernbranrnaterial werden die Hohlmembranen zueinander in einem Abstand an der Matte angeordnet, der maximal dem zweifachen, insbesondere maximal dem ganzen oder maximal dem halben, Außendurchmesser der Hohlmembranen entspricht. Die Hohlmembranen können, beispielswese um eine größere Packungsdichte zu erreichen, auch aneinander anliegend (entspricht einem Abstand von Null) oder fast aneinander anliegend angeordnet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführung werden die Hohlmembranen beim Anlegen an den/die Klebestreifen ohne Abstand zueinander nebeneinander gelegt, um die Packungsdichte zu maximieren. Bei einem späteren Aufrollen der Hohlmembranmatte entsteht durch die Krümmung ein Abstand zwischen den Hohlmembranen, sodass im Betrieb eine Behinderung des Stofftransports durch anliegende Membranwände ausgeschlossen ist.
Um die Hohlmembranmatte nach dem Aufrollen unabhängig von einem Hilfsmittel im aufgerollten Zustand halten, bevor diese in dem Hohlmembranmodul aufgenommen wird, ist in einer bevorzugten Ausführung als Klebestreifen ein beidseitig klebender Klebestreifen mit einer Trägerschicht, einer ersten Klebeseite und einer zweiten Klebeseite vorgesehen.
In einer alternativen Ausführung ist der Klebestreifen als einseitig klebender Klebestreifen mit einer Trägerschicht und einer ersten Klebeseite vorgesehen, um möglichst wenig Material im Mantelraum des Hohlmembranmoduls verbauen zu müssen. Bei dieser Ausführung kann die aufgerollte Hohlmembranmatte beispielsweise in einem Umfangsnetz oder einer anderen Umfangshülse eingelegt werden, mit dem das Bündel, sprich die aufgerollte Hohlmembranmatte, in das Modulgehäuse eingeführt wird.
In Anwendungen, bei denen die gezielte Umströmung der Hohlmembranen im Mantelraum keine Rolle spielt, können gemäß einer Ausführung ein oder mehrere Klebestreifen vorgesehen sein, deren Trägerschicht und deren Klebeschicht/Klebeschichten im Wesentlichen wasserlöslich sind.
Um eine zuverlässige Festlegung der Hohlmembranen zueinander sicherzustellen, weist die Hohlmembranmatte in einer bevorzugten Ausführung zwei oder drei oder mehr Klebebänder auf, die voneinander entlang einer Längsachse der Hohlmembranmatte, insbesondere gleich oder unterschiedlich, beabstandet sind.
Zur Sicherstellung gleichmäßiger Flussverhältnisse verlaufen die Klebestreifen-Längsachsen der zwei oder drei oder mehr Klebestreifen im gleichen Winkel zu der Querachse der Hohlmembranmatte. Vorzugsweise sind alle Klebestreifen auf einer ersten Umfangsseite der Hohlmembranmatte angeordnet.
Insbesondere um einen Pottingprozess durchführen zu können, weisen gemäß einer bevorzugten Ausführung die Hohlmembranen im Wesentlichen eine einander entsprechende Länge auf, die insbesondere im Wesentlichen der Länge des Modulgehäuses entspricht.
Je nach zu filtrierendem Fluid in den Hohlmembranen können Hohlmembranen mit unterschiedlichen Innendurchmessern vorgesehen sein. Bei Anwendungen, bei denen das zu filtrierende Fluid stark z. B. mit Feststoffen belastet ist und/oder eine hohe Viskosität aufweist, ist die Hohlmembranmatte vorzugsweise mit Rohrmembranen mit einem Innendurchmesser von zwischen 3 Millimetern und 15 Millimetern ausgebildet. Wenn das zu filtrierende Fluid weniger stark belastet ist und/oder eine niedrige Viskosität aufweist werden vorzugsweise Kapillarmembranen mit einem Innendurchmesser von zwischen 0,5 Millimetern und 3 Millimetern verwendet.
Die Hohlmembranrohre können einen kreisrunden, aber auch einen ovalen Querschnitt aufweisen, welcher beispielsweise eine engere Anordnung der Hohlmembranen zueinander beim Aufrollen der Hohlmembranmatte ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Hohlmembranen um eine zu der Längsachse der Hohlmembranmatte parallele Rollachse aufgerollt und mittels eines beidseitig klebenden Klebestreifens miteinander verklebt.
Gemäß einer alternativen Ausführung sind die Hohlmembranen um eine zu der Längsachse der Hohlmembranmatte parallele Rollachse aufgerollt und mittels einer Fixierung wie beispielsweise einem Umfangsnetz oder einer anderen Umfangshülse in der aufgerollten Position gehalten.
Um den Mantelraum an den Modulenden abzugrenzen, weisen gemäß einer bevorzugten Ausführung die Modulenden, ausgehend von einer Umfangsinnenseite des Hohlmembranmoduls, eine fluiddichte Versiegelung auf, die die Zwischenräume zwischen den Hohlmembranen der zugeordneten Stirnseite der Hohlmembranmatte versiegelt, d. h. insbesondere fluiddicht abdichtet.
Um einen Betrieb des Hohlmembranmoduls für die konzentrationsbetriebene Filtration zu ermöglichen, weist in einer bevorzugten Ausführung der Fluidanschluss eine Fluidschnittstelle auf, die einen Fluideinlass und einen davon beabstandeten Fluidauslass aufweist. Einlass und Auslass sind an der Umfangswand angeordnet und zu einer Durchströmung des Mantelraums außerhalb der Hohlmembranen mit einem zweiten Fluid eingerichtet.
Vorzugsweise ist dabei der Fluideinlass der Fluidschnittstelle in der Nähe des ersten Modulendes, beispielsweise angrenzend an ein erstes längsaxiales Ende des Mantelraums, angeordnet, und der Fluidauslass der Fluidschnittstelle in der Nähe des zweiten Modulendes, beispielsweise angrenzend an ein zweites längsaxiales Ende des Mantelraums, angeordnet. Unter „angrenzend” ist vorliegend vorzugsweise zu verstehen, dass der Fluideinlass und/oder der Fluidauslass nicht weiter als 5 cm von einem längsaxial inneren Ende einer Pottingschicht entfernt in der Umfangswandung ansetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die Hohlmembranmatte um die erste Umfangsseite, auf der die Klebestreifen mit ihrer ersten Klebeseite angeklebt sind, quer zu den Membran-Längsachsen aufgerollt.
Vorzugsweise wird vor dem Aufrollen eine Schutzabdeckung von einer zweiten Klebeseite des Klebestreifens entfernt.
Gemäß einer bevorzugen Weiterbildung erfolgt das Aufrollen in einer rotierbaren Aufrolleinrichtung, insbesondere um einen rotierbaren Dorn, die insbesondere eingerichtet ist, die Hohlmembranmatte, insbesondere an einer ihrer flächigen Seiten, einzudrehen, um eine Automatisierung des Fertigungsschrittes des Aufrollens zu ermöglichen.
Zum Bestücken des Hohlmembranmoduls mit der Hohlmembranmatte wird vorzugsweise die aufgerollte Hohlmembranmatte in einen Mantelraum eines Modulgehäuses eingeführt, das im Wesentlichen die gleiche Länge wie die gerollte Hohlmembranmatte aufweist. Dabei wird die gerollte Hohlmembranmatte an ihren Stirnseiten jeweils gemeinsam mit einem zugeordneten Modulende des Hohlmembranmoduls mittels eines Potting-Verfahrens, insbesondere mit einem Pottingmaterial, wie beispielsweise einem Polyurethan- oder einem Epoxidharz, versiegelt, d. h. insbesondere fluiddicht abgedichtet. Die Hohlräume der Hohlmembranen bleiben dabei von vorne hinein frei oder werden nachträglich freigelegt.
Vorteilhafte Ausbildungen der verschiedenen Aspekte der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen, teilweise in stark schematisierter Darstellung,
1 in einer Draufsicht eine Hohlmembranmatte gemäß einer Ausführung der Erfindung mit mehreren Hohlmembranrohren und einem Klebestreifen;
2 in einer Draufsicht eine Hohlmembranmatte gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung mit mehreren Hohlmembranrohren und mehreren Klebestreifen;
3 in zwei Schnittansichten ein Hohlmembranmodul zur Anwendung bei druckgetriebener Filtration gemäß einer Ausführung der Erfindung mit einer Hohlmembranmatte gemäß 2 in einem aufgerollten Zustand; und
4 in zwei Schnittansichten ein Hohlmembranmodul zur Anwendung bei konzentrationsgetriebenen Stofftransport mit einer Hohlmembranmatte analog 2, jedoch mit normalen Hohlmembranrohren, in einem aufgerollten Zustand.
In 1 ist eine Hohlmembranmatte 1 in einer verhältnismäßig einfachen Ausführung der Erfindung mit einem Klebestreifen 2 und einer Vielzahl von als Hohlmembranrohre ausgebildeten Hohlmembranen 4 dargestellt. Die Hohlmembranen 4 sind zueinander parallel angeordnet, d. h. die Längsachsen aller Membranen 4 sind parallel zueinander und zu einer Längsachse L der Hohlmembranmatte 1 angeordnet.
Wie aus dem Detail A ersichtlich ist, sind alle Membranen 4 mit dem gleichen Außendurchmesser d_t,o und mit dem gleichen Innendurchmesser d_t,i ausgebildet. Zudem weisen alle Membranen bezüglich einer Querachse Q zueinander einen gleichen Abstand von S_m auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser d_t,o dem Abstand S_m; im Rahmen der Erfindung sind allerdings auch kleinere oder größere Abstände S_m zwischen den Membranen vorgesehen, wenn der spezifische Anwendungsfall dies erfordert.
Über alle Membranen 4 verläuft entlang seiner geraden Klebestreifenlängsachse K der Klebestreifen 2, der mit seiner ersten Klebeschicht an die Membran 4 angeklebt ist und zusätzlich eine Trägerschicht mit beispielsweise einem PU-Schaum oder einem Acrylatsystem aufweist.
Der Klebestreifen 2 ist, ebenso wie seine Längsachse K schräg zu den Längsachsen der Membranen 4 und damit auch zu der Längsachse L der Hohlmembranmatte 1 angeordnet. Diese schräge Anordnung ist insbesondere so zu verstehen, dass die Querachse Q der Hohlmembranmatte 1, die senkrecht zu der Längsachse L der Hohlmembranmatte 1 verläuft, in einem Winkel α zu der Klebestreifen-Längsachse K verläuft. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α ca. 43 Grad.
Bei der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Länge der Hohlmembranmatte Im und Breite der Hohlmatte Q_m ergibt sich durch diesen Winkel die Möglichkeit, zwei Ziele zu erreichen: Einerseits werden mit dem einzigen Klebestreifen 2 alle Membranen zueinander festgelegt. Andererseits verbleibt an den beiden Stirnseiten 6 der Hohlmembranmatte 1 jeweils ein Rand, sodass der Klebestreifen maximal entlang einer effektiv nutzbaren Länge L_m,eff erstreckt. Dies ist für die spätere Aufnahme der Hohlmembranmatte 1 in einem Hohlmembranmodul nötig, bei welchem ein Mantelraum mittels eines Potting-Verfahrens an den Stirnseiten 6 der dann aufgerollten Hohlmembranmatte versiegelt wird.
Die Hohlmembranmatte gemäß 2 unterscheidet sich von der nach 1 im Wesentlichen durch den Einsatz mehrerer Klebestreifen 2, im Ausführungsbeispiel von fünf Klebestreifen 2.1 bis 2.5. Diese fünf Klebestreifen 2.1 bis 2.5 sind parallel zueinander jeweils in einem Klebestreifenabstand S_t angeordnet. Durch die parallele Anordnung sind sie alle im gleichen Winkel α₁ zwischen ihrer jeweiligen Klebestreifen-Längsachse K und der Querachse Q der Hohlmembranmatte 1 angeordnet.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen allen benachbarten Klebestreifen 2 jeweils identisch und beträgt St. In anderen Ausführungsbeispielen sind auch unterschiedliche Abstände vorgesehen; beispielsweise kann es in spezifischen Anwendungen wegen der Gestaltung des Fluidflusses sinnvoll sein, einen der Klebestreifen, z. B. den Klebestreifen 2.3, „auszulassen”.
In der Schnittansicht B-B, die die geometrischen Proportionen des Hohlmembranrohrs 4.5 und der Klebestreifen 2.2, 2.3 und 2.4 nicht real, sondern nur zur Illustration wiedergibt, ist gezeigt, wie die Klebestreifen 2 auf den Membranen 4 aufgeklebt sind.
Erkenntlich ist, dass alle drei Klebestreifen die gleiche Breite W_T und die gleiche Dicke T_T aufweisen. Mit dieser Verwendung eines einzigen Typs Klebestreifen kann im aufgerollten Zustand der Hohlmembranmatte 1 eine gleichmäßige Beabstandung der Membranen 4 sichergestellt werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein doppelseitiges Klebeband mit einer ersten Klebeseite 8.1, einer zweiten Klebeseite 8.2 und einer Trägerschicht 10 verwendet. Die jeweils benachbarten Klebestreifen 2.2 und 2.3 sowie 2.3 und 2.4 weisen zueinander einen identischen Abstand von S_t auf.
In 3 ist ein Hohlmembranmodul 100 dargestellt, das insbesondere für druckgetriebene Filtrationsanwendungen eingerichtet ist. Dazu weist das Hohlmembranmodul 100 ein Modulgehäuse 101 auf, das mit seiner Umfangswandung 102 einen Mantelraum 104 umfängt und an der Umfangswandung 102 unten angeordnete Fluidanschlüsse 106 aufweist, die eingerichtet sind, einen Abfluss von Filtrat (= Permeat) zu ermöglichen.
In dem Mantelraum 104 ist eine Hohlmembranmatte 1, beispielsweise gemäß 2 oder gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung, aufgenommen. Vor dem Einführen der Hohlmembranmatte 1 in den Mantelraum 104 des Hohlmembranmoduls 100 wird die Hohlmembranmatte 1 gemäß einer Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Hohlmembranmoduls aufgerollt. Eine Schutzabdeckung wird von der zweiten Klebeseite 8.2 jedes der Klebestreifen 2 entfernt. Anschließend wird die Matte 1 um die zweite Klebeseite 8.2 aufgerollt, sodass mehrere Lagen von Hohlmembranen entstehen, die entlang eines spiralförmigen Querschnitts R angeordnet sind, der in der Schnittdarstellung C-C mit einer spiralförmigen Strichpunkt-Linie verdeutlicht ist.
Durch die Gestaltung mit zwei Klebeseiten 8.1 und 8.2 verbleibt die Hohlmembranmatte 1 nach dem Aufrollen im aufgerollten Zustand; die einzelnen Lagen der Rolle sind durch die Klebestreifen 2 zueinander festgelegt, d. h. aneinandergeklebt.
Die derart hergestellte Hohlmembranrolle 1 wird dann in das Modulgehäuse 101 in dessen Mantelraum 104 eingeführt, wobei die Rolle ihre radial äußersten Punkte an denjenigen Stellen hat, an denen ein Klebestreifen 2 am Ende der Spirale R angeordnet ist. Die aufgerollte Hohlmembranmatte 1 und der innere Umfangsdurchmesser des Modulgehäuses 101 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Rolle einführbar ist und im Modulgehäuse zentriert wird. Ein Spielraum ist erforderlich, um die Strömungswiderstand zum Ablass vom Filtrat zu reduzieren.
Nach dem Einführen werden die gerollte Hohlmembranmatte 1 und das Modulgehäuse 101 mittels eines Potting-Verfahrens auf der einen Seite an einem Ende 108.1 sowie der Stirnseite 6.1 und auf der anderen Seite an einem anderen Ende 108.2 sowie der Stirnseite 6.2 mit einem Potting-Material 112 eingegossen. Dabei bleiben einerseits die Innenhohlräume der Hohlmembranen 4 frei, andererseits wird der Mantelraum 104 auf beiden Seiten abgedichtet, sodass sich der bis auf die Fluidanschlüsse 106 fluiddicht abgeschlossene Mantelraum 104 ausbildet.
Im Betrieb des Hohlmembranmoduls 100 in einer druckgetriebenen Filtrationsanwendung wird beispielsweise das zu filtrierende Fluid von der einen Seite mittels einer nicht dargestellten Schnittstelle an das Hohlmembranmodul 100 herangeführt (siehe einstrahlige Pfeile). Das Fluid wird dann unter Druck durch Vielzahl von Hohlmembranen 4 geführt. Durch den im Fluid vorliegenden Druck wird am Mantelraum 104 das zu filternde Fluid durch die Wände der Hohlmembranen transportiert, und fließt – unterstützt durch die Schwerkraft und/oder mittels der Verdrängung durch nachströmendes Permeat – im Mantelraum 104 nach und nach durch die Fluidanschlüsse 106 in nicht dargestellten Leitungen seiner weiteren Verwendung zu. Diese Fluidanschlüsse können gleichseitig oder gegenüberliegend angeordnet sein.
Die Anordnung der Klebestreifen 2 im Winkel α sorgt dafür, dass im Wesentlichen an keiner Position der Längsachse L entlang des gesamten Umfangs der Abfluss des Filtrats behindert wird. Ein sukzessives Zufließen von Filtrat zu den Fluidanschlüssen 106 ist dadurch sichergestellt. Auch aus der Schnittansicht C-C ist ersichtlich, dass an der Axialposition bezüglich der Längsachse L an der Position des Schnittes nur an bestimmten Stellen der spiralförmig (Strichpunktlinie R) gerollten Hohlmembranmatte Klebestreifen angeordnet sind, und somit ein freier Fluidabfluss stattfinden kann.
In 4 ist ein Hohlmembranmodul 200 dargestellt, das sich von dem Hohlmembranmodul 100 gemäß 3 im Wesentlichen darin unterscheidet, dass es für eine Anwendung in konzentrationsgetriebenen Membranprozessen (z. B. Membrankontaktor oder Forward Osmosis) eingerichtet oder ausgestaltet ist. Dazu weist das Modulgehäuse 201 anstatt zwei unten angeordneten Fluidanschlüssen zwei Fluidanschlüsse 206.1 und 206.2 auf, die an einander entgegengesetzten Seiten in der Umfangswandung 202 angeordnet sind. Auch eine gleichseitige Anordnung wäre gemäß einer nicht dargestellten Ausführung möglich.
Die aufgerollte Hohlmembranmatte 1 und der innere Umfangsdurchmesser des Modulgehäuses 201 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Rolle einführbar ist, allerdings relativ wenig Spielraum in Radialrichtung hat, sodass ,Kurzschlussströme' vermieden werden.
Das Hohlmembranmodul 200 ist eingerichtet, ein erstes Fluid rohrseitig in den Hohlmembranen zu führen. Die bevorzugte Strömungsrichtung ist durch die einstrahligen Pfeile in 4 dargestellt. Ferner ist das Membranmodul 200 eingerichtet, ein zweites Fluid von dem als Fluideinlass verwendeten Fluidanschluss 206.1 durch den Mantelraum 104 hindurch zu dem als Fluidauslass verwendeten Fluidanschluss 206.2 zu führen. Dies ist durch die zweistrahligen Pfeile dargestellt. Ein Betrieb mit diesen Fluidströmen ermöglicht eine Anwendung des Hohlmembranmoduls als Gleichstrom-Membranmodul. In 4 ist zudem mit den dreistrahligen Pfeilen dargestellt, dass die Fluidanschlüsse 206 auch derart angeschlossen werden können, dass eine Anwendung des Hohlmembranmoduls 200 als Gegenstrom-Membranmodul möglich ist.
In beiden Fällen strömt das zweite Fluid entlang eines Großteils der Erstreckung des Mantelraum 104 entlang der Längsachse L. Damit steht im Hohlmembranmodul 200 eine große Membranfläche für den Stofftransport zur Verfügung, wobei der erreichbare Stofftransport durch die Schrägstellung der Klebestreifen 2 im Sinne der Erfindung wesentlich verbessert wird: Durch die Schrägstellung (im Winkel α; siehe 3) ergeben sich an keiner Position bezüglich der Längsachse L durchgängige Hindernisse durch Klebestreifen.
Zudem wird der Fluss stellenweise in radiale Richtung gelenkt, wodurch stellenweise eine querstromartige Strömung erreicht wird, die den Stofftransport steigert. Ferner entsteht in vorteilhafter Art und Weise eine deutlich turbulentere Anströmung der Außenwandungen der Hohlmembranen durch die Unregelmäßigkeiten (Klebestreifen) im Mantelraum.
4 zeigt zudem im Querschnitt D-D die Verwendung ovaler Hohlmembranrohre 4 mit einem ovalen Querschnitt, die an sich wie die kreisrunden Hohlmembranrohre aus 3 eingesetzt werden. Ovale Hohlmembranrohre ermöglichen eine noch dichtere Packung der Membranen.

Claims

Hohlmembranmatte (1), aufweisend – eine Vielzahl zueinander parallel und nebeneinander angeordneter Hohlmembranen (4), die sich zwischen zwei Stirnseiten (6) entlang einer Längsachse (L) der Hohlmembranmatte erstrecken, und – wenigstens einen Klebestreifen (2), der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die Hohlmembranen bzgl. ihrer Lage in der Hohlmembranmatte und bzgl. ihrer Ausrichtung zueinander festzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebestreifen schräg zu einer Querachse (Q) der Hohlmembranmatte verläuft.
Hohlmembranmatte gemäß Anspruch 1, wobei ein Winkel (α) zwischen dem Klebestreifen, insbesondere zwischen der Klebestreifen-Längsachse (K), und der Querachse der Hohlmembranmatte zwischen 5 Grad und 70 Grad, insbesondere zwischen 20 Grad und 45 Grad, beträgt.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Klebestreifen eine Dicke (T_T) zwischen 0,1 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2 mm, bevorzugt von 1 mm, 1,5 mm oder 2 mm, aufweist.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hohlmembranen an einer ersten Stirnseite der Hohlmembranmatte weiter voneinander beabstandet sind als an einer zweiten Stirnseite.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hohlmembranen zueinander einen Abstand (S_m) aufweisen, der maximal dem zweifachen, insbesondere maximal dem ganzen oder dem halben, Außendurchmesser (d_t,o) der Hohlmembranen entspricht, oder wobei die Hohlmembranen aneinander anliegen.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Klebestreifen ein beidseitig klebender Klebestreifen mit einer Trägerschicht, einer ersten Klebeseite und einer zweiten Klebeseite ist.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, wobei der Klebestreifen ein einseitig klebender Klebestreifen mit einer Trägerschicht (10) und einer ersten Klebeseite (8.1) ist.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend zwei oder drei oder mehr Klebestreifen, die voneinander entlang einer Längsachse der Hohlmembranmatte, insbesondere gleich, beabstandet sind.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hohlmembranen als Rohrmembranen mit einem Innendurchmesser (d_t,i) von zwischen 3 mm und 15 mm oder als Kapillarmembranen mit einem Innendurchmesser von zwischen 0,5 mm und 3 mm ausgebildet sind.
Hohlmembranmatte gemäß Anspruch 9, wobei die Hohlmembranrohre einen kreisrunden oder einen ovalen Querschnitt aufweisen.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hohlmembranen um eine zu der Längsachse der Hohlmembranmatte parallele Roll-Achse aufgerollt sind und mittels eines beidseitig klebenden Klebestreifens miteinander verklebt sind.
Hohlmembranmatte gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, wobei die Hohlmembranen um eine zu der Längsachse der Hohlmembranmatte parallele Roll-Achse aufgerollt sind und mittels einer Fixierung, wie beispielsweise einem Umfangsnetz oder einer anderen Umfangshülse, in der aufgerollten Position gehalten sind.
Hohlmembranmodul (100, 200), aufweisend – ein Modulgehäuse (101) mit einem, zwischen zwei Modulenden angeordneten, Mantelraum (104), der an seiner Umfangswandung (102) wenigstens einen Fluidanschluss (106) aufweist, und – eine Hohlmembranmatte (1), insbesondere gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die in einem aufgerollten Zustand in dem Mantelraum aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulenden jeweils zusammen mit der zugeordneten Stirnseite der Hohlmembranmatte fluiddicht zur Trennung des Mantelraums von der Umgebung des Moduls verbunden sind, wobei die Hohlmembranen zur Führung eines ersten Fluids eingerichtet und entlang der gesamten längsaxialen Erstreckung des Mantelraums angeordnet sind.
Hohlmembranmodul gemäß Anspruch 13, wobei der Fluidanschluss einen Fluideinlass (206.1) und einen Fluidauslass (206.2) aufweist, die jeweils an der Umfangswandung angeordnet sind, und die zu einer Durchströmung des Mantelraums außerhalb der Hohlmembranen mit einem zweiten Fluid eingerichtet sind.
Hohlmembranmodul gemäß Anspruch 14, wobei der Fluideinlass angrenzend an ein erstes längsaxiales Ende des Mantelraums angeordnet ist, und der Fluidauslass angrenzend an ein zweites längsaxiales Ende des Mantelraums angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hohlmembranmoduls gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei beliebig nacheinander und/oder gleichzeitig folgende Schritte vorgesehen sind: – eine Vielzahl von Hohlmembranen werden zueinander parallel und voneinander, insbesondere gleich, beabstandet angeordnet, – zwei oder mehr Klebestreifen werden schräg, insbesondere in einem Winkel von zwischen 20 Grad und 45 Grad zu einer Senkrechten der Längsachsen der Hohlmembranen angeordnet, – eine erste Klebeseite der Klebestreifen und eine erste Umfangsseite der Hohlmembranen werden miteinander als eine Hohlmembranmatte verklebt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Hohlmembranmatte um die erste Umfangsseite und in einer rotierbaren Aufrolleinrichtung, insbesondere um einen rotierbaren Dorn, aufgerollt wird, wobei die Aufrolleinrichtung insbesondere eingerichtet ist, die Hohlmembranmatte, insbesondere an einer ihrer flächigen Seiten, einzudrehen.