DE102017112492A1 - Microfiltration membrane, fumigation membrane and use of films of polymeric material - Google Patents
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Abstract
Bei einer Membran aus einer Trägerschicht und einer mit der Trägerschicht verbundene Trennschicht besteht die Trennschicht aus einem porösen Polymer. Die von der Trägerschicht weg weisende Oberfläche der Trennschicht besitzt durch vorübergehenden Kontakt mit einem fluorhaltigen Gas eine gegenüber dem übrigen Bereich der Trennschicht veränderte chemische Struktur, bei der einzelne Wasserstoffatome des Polymers durch Fluoratome ersetzt sind.Die Membran weist eine verbesserte Barrierewirkung und verringerte Neigung zum Anhaften an die Membranoberfläche gegenüber Fremdstoffen auf.In the case of a membrane comprising a carrier layer and a separating layer connected to the carrier layer, the separating layer consists of a porous polymer. The surface of the separation layer facing away from the support layer has, by temporary contact with a fluorine-containing gas, a chemical structure altered from the remainder of the separation layer in which individual hydrogen atoms of the polymer have been replaced by fluorine atoms. The membrane has an improved barrier effect and a reduced tendency to adhere to the membrane surface against foreign matter.
Description
Die Erfindung betrifft eine Mikrofiltrationsmembran, eine Begasungsmembran und Folien aus Polymerwerkstoff.The invention relates to a microfiltration membrane, a gassing membrane and films of polymeric material.
Bei der Behandlung von Abwasser in Kläranlagen werden Membrane als Trennschicht eingesetzt. Beim Filtern dienen Membrane als Filtartionsmedium zwischen einem Luftführungsraum und dem Abwasser, bei Belüftern dienen Membrane als Trennschicht zwischen einem Luftzuführungsraum und dem Abwasser.In the treatment of wastewater in sewage treatment plants, membranes are used as a separating layer. When filtering membranes are used as Filtartionsmedium between an air duct space and the wastewater, in aerators membrane serve as a separation layer between an air supply space and the wastewater.
Eine Mikrofiltrationsmembran wird in einer Flüssigkeit zur mechanischen Trennung von Fremdstoffen verwendet. Die Mikrofiltarionsmembran kann als Flachemembran oder als Hohlfaser gestaltet sein. Flachmembranen bestehen aus mehreren Polymerschichten, die im Randbereich gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Dabei sind die Polymerschichten so gestaltet, dass zwischen den beiden dem Abwasser zugewandten Schichten ein Hohlraum entsteht. Hohlfasern weisen dem Grunde nach eine Luftkammer zwischen den abwasserzugewandten Polymerschichten auf. Die Mikrofiltrationsmembranen werden in Kassetten gebündelt und an ein Unterdrucksystem angeschlossen. Im Filterprozess wird durch einen Unterdruck Wasser durch die Memrban gesaugt. Die in der Membran vorhandenen Poren weisen eine dem Filtrationszweck entsprechende Größe auf und halten Partikel zurück, die größer als die Porengröße sind. Allerdings können sich durch den Druck Partikel, die nur geringfügig größer als die Porengröße sind oder eine zerklüftete Oberfläche aufweisen, in den Poren verklemmen und so die Poren nach und nach verstopfen. Dieser Effekt führt zu einer Verringerung der Filterleistung bzw. erfordert eine Steigerung des Differenzdrucks über der Membran, um die abnehmende Filterleistung zu kompensieren. Darüber hinaus können sich durch Adhäsionskräfte auch Ablagerungen auf der Retentatseite der Membran bilden, die die Poren überwuchern und auch ohne Eindringen in die Poren eine Barriere für den Zugang zu den Poren bilden und auf diese Weise die gleichen Auswirkungen wie verstopfte Poren haben.A microfiltration membrane is used in a liquid for mechanical separation of foreign matter. The microfiltration membrane can be designed as a flat membrane or as a hollow fiber. Flat membranes consist of several polymer layers that are gas- and liquid-tight in the marginal area. The polymer layers are designed so that a cavity is created between the two layers facing the waste water. Hollow fibers basically have an air chamber between the polymer layers facing the waste water. The microfiltration membranes are bundled in cassettes and connected to a vacuum system. In the filtering process, water is sucked through the Memrban by a vacuum. The pores present in the membrane have a size corresponding to the filtration purpose and retain particles larger than the pore size. However, particles that are only slightly larger than the pore size or that have a fissured surface can get stuck in the pores as a result of the pressure, gradually clogging the pores. This effect leads to a reduction in the filter performance or requires an increase in the differential pressure across the membrane in order to compensate for the decreasing filter performance. In addition, adhesions can also form deposits on the retentate side of the membrane which overgrow the pores and, without penetration into the pores, form a barrier to access the pores and in this way have the same effects as clogged pores.
Die ursprüngliche Filterleistung wieder herzustellen, ist es nötig, die Verstopfungen und gegebenenfalls die Ablagerungen zu entfernen, was durch Rückspülen der Membranen von der Permeatseite zur Retentatseite geschehen kann. Dieser Vorgang unterbricht jedoch die Filterfunktion.To restore the original filter performance, it is necessary to remove the blockages and possibly the deposits, which can be done by backwashing the membranes from the permeate side to the retentate side. However, this process interrupts the filter function.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Neigung zum Verstopfen der Poren und zur Bildung von Ablagerungen zu verringern, um die Zeitabstände für ein Rückspülen der Membranen zu vergrößern.The object of the invention is to reduce the tendency to clog the pores and to form deposits in order to increase the time intervals for a backwashing of the membranes.
Diese Aufgabe wird bei einer Mikrofiltrationsmembran durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved in a microfiltration membrane by the features of claim 1.
Durch die Behandlung der Oberfläche der Trennschicht der Mikrofiltrationsmembran mit einem fluorhaltigen Gas entsteht eine Veränderung der chemischen Struktur des Polymers. Dabei werden einzelne Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt. Die Oberfläche der Trennschicht verändert so ihre Polarität und ihre Oberflächenenergie gegenüber dem Zustand ohne Fluorierung. Weist diese veränderte Oberfläche der Trennschicht zur Retentatseite, so wirkt sie antihaftend für eine Reihe von unpolaren Fremdstoffen, insbesondere für Öle und Fette. Diesen Fremdstoffen wird erschwert, in die Poren einzudringen und sich dort festzusetzen oder sich an sonstigen Stellen an der Oberfläche abzulagern. Als weitere Konsequenz wird verhindert, dass sich andere Fremdstoffe an derartigen Ablagerungen anhaften können. Weiter hat sich gezeigt, dass Membranwerkstoffe, die von sich aus eine stumpfe oder klebrige Oberfläche aufweisen, durch Fluorieren eine glattere, antihaftende Oberflächeneigenschaft erhalten, die ebenfalls ein Anhaften von Fremdstoffen in den Poren und an der übrigen Oberfläche erschwert.The treatment of the surface of the separating layer of the microfiltration membrane with a fluorine-containing gas produces a change in the chemical structure of the polymer. In this case, individual hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms. The surface of the separation layer thus changes its polarity and its surface energy compared to the state without fluorination. If this altered surface of the separating layer points towards the retentate side, it has an anti-adhesive effect on a number of non-polar foreign substances, in particular for oils and fats. This foreign matter is difficult to penetrate into the pores and settle there or deposit on other sites on the surface. As a further consequence, it is prevented that other foreign substances can adhere to such deposits. Further, it has been found that membrane materials which inherently have a dull or sticky surface are given a smoother, non-stick surface property by fluorination, which also impedes adhesion of foreign matter in the pores and on the remainder of the surface.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Mikrofiltrationsmembran eine flache, folienartige Ausführung oder eine aus Hohlfasern bestehende Ausführung sein.According to a development, the microfiltration membrane can be a flat, foil-like design or a design consisting of hollow fibers.
Eine Begasungsmembran wird in einem Belüftern zur Trennung eines Luftzuführungsraums vom Abwasser eingesetzt. Zur Injektion von Luft in Abwasser wird komprimierte Luft über Luftzuführungsräume zugeführt und tritt durch Poren der Begasungsmembran in das Abwasser über. In Begasungspausen sorgt der hydrostatische Druck des Abwassers für ein Schrumpfen der Begasungsmembran und gleichzeitiges Schließen der Poren. Dadurch wird verhindert, dass Abwasser in die Luftzuführungsräume eindringen kann. Da in den Begasungspausen ähnlich wie bei Mikrofiltrationsmembranen ein Differenzdruck über der Trennschicht der Membran herrscht, können ebenfalls Fremdstoffe, deren Durchmesser etwa in der Größenordnung der Porenöffnungen liegt, in die sich schließenden Poren eindringen und festsetzen. Ebenfalls können sich an der restlichen Oberfläche durch Adhäsionsablagerungen bilden. Zwar werden in einer anschließenden Begasungspausen ähnlich einer Rückspülung die in den Poren sitzenden oder an der Oberfläche der Membran anhaftenden Fremdstoffe zum großen Teil wieder beseitigt, durch verbleibende Reste können im Laufe der Zeit aber bleibende Verstopfungen der Poren und Ablagerungen an der Oberfläche verbleiben. Dies kann dazu führen, dass ein erhöhter Druck der komprimierten Luft erforderlich ist, um den Lufteintrag ins Abwasser aufrecht zu erhalten. Dadurch wird die den Belastung auf die Membrane erhöht, wodurch diese schneller altern und Risse bilden können. Dies wiederum führt zu einem ungleichmäßigen Eintrag von Luft ins Abwasser. A gassing membrane is used in a aerator to separate an air supply space from the wastewater. For the injection of air into waste water, compressed air is supplied via air supply spaces and passes through pores of the fumigation membrane into the wastewater. In gassing pauses, the hydrostatic pressure of the wastewater causes shrinkage of the fumigation membrane and simultaneous closure of the pores. This prevents wastewater from entering the air supply spaces. Since in the gassing pauses, similar to microfiltration membranes, a differential pressure prevails over the separating layer of the membrane, foreign substances whose diameter is approximately of the order of magnitude of the pore openings can also penetrate and settle in the closing pores. Also can form on the remaining surface by adhesive deposits. Although in a subsequent Begasungspausen similar to a backwash the foreign matter stuck in the pores or adhering to the surface of the membrane are largely eliminated again, but remaining residues can remain over time clogging the pores and deposits on the surface. This can lead to an increased pressure of the compressed air being required to maintain the air entry into the wastewater. This will increase the burden increases the membrane, allowing them to age faster and crack. This in turn leads to an uneven entry of air into the sewage.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Neigung zum Verstopfen der Poren und zur Bildung von Ablagerungen zu verringern, um die elastischen Eigenschaften der Membranen über einen längeren Zeitraum zu bewahren und ein frühes Altern zu verhindern.The object of the invention is to reduce the tendency to clog pores and to form deposits in order to preserve the elastic properties of the membranes over a longer period of time and to prevent early aging.
Diese Aufgabe wird bei einer Begasungsmembran durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst.This object is achieved with a gassing membrane by the features of claim 3.
Wie bereits im Zusammenhang mit der Mikrofiltrationsmembran ausgeführt, entsteht durch die Behandlung der Oberfläche der Trennschicht der Begasungsmembran mit einem fluorhaltigen Gas eine Veränderung der chemischen Struktur des Polymers. Dabei werden einzelne Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt. Die Oberfläche der Trennschicht verändert so ihre Polarität und ihre Oberflächenenergie gegenüber dem Zustand ohne Fluorierung. Weist diese veränderte Oberfläche der Trennschicht zur Abwasserseite, so wirkt sie antihaftend für eine Reihe von Fremdstoffen, insbesondere für Öle und Fette. Diesen Fremdstoffen wird erschwert, in die Poren einzudringen und sich dort festzusetzen oder sich an sonstigen Stellen an der Oberfläche abzulagern. Außerdem wird verhindert, dass sich andere Fremdstoffe an derartigen Ablagerungen anhaften können.As already explained in connection with the microfiltration membrane, the treatment of the surface of the separation layer of the fumigation membrane with a fluorine-containing gas produces a change in the chemical structure of the polymer. In this case, individual hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms. The surface of the separation layer thus changes its polarity and its surface energy compared to the state without fluorination. If this modified surface of the separating layer points to the wastewater side, it has an anti-adhesive effect for a number of foreign substances, in particular for oils and fats. This foreign matter is difficult to penetrate into the pores and settle there or deposit on other sites on the surface. In addition, it is prevented that other foreign matter can adhere to such deposits.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Begasungsmembran eine schlauchförmige Ausführung oder eine flache, folienartige Ausführung sein.According to a development, the gassing membrane can be a tubular design or a flat, film-like design.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Folie aus Polymerwerkstoff, wobei eine der beiden Oberflächen der Folie durch vorübergehenden Kontakt mit einem fluorhaltigen Gas eine gegenüber dem übrigen Bereich der Folie veränderte chemische Struktur besitzt, bei der einzelne Wasserstoffatome des Polymers durch Fluoratome ersetzt sind. Durch die Veränderung der Polarität der Oberfläche und der Oberflächenenergie wirkt die Folie antihaftend für eine Reihe von Fremdstoffen, insbesondere unpolaren Ölen und Fetten. Diese Eigenschaft macht die Folie geeignet für die Verwendung als Mikrofiltrationsmembran und als Begasungsmembran. Bei dieser Verwendung werden die Eigenschaften der Folie genutzt, im Abwasser befindliche Fremdstoffe am Eindringen in Poren der Folie oder am anhaften an der Oberfläche der Folie zu hindern.The invention also relates to the use of a film of polymeric material, wherein one of the two surfaces of the film by temporary contact with a fluorine-containing gas has a relation to the rest of the film modified chemical structure in which individual hydrogen atoms of the polymer are replaced by fluorine atoms. By changing the polarity of the surface and the surface energy, the film is non-sticky for a number of foreign substances, especially non-polar oils and fats. This property makes the film suitable for use as a microfiltration membrane and as a fumigation membrane. In this use, the properties of the film are utilized to prevent contaminants in the sewage from penetrating into pores of the film or adhering to the surface of the film.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigt:
-
1 einen Querschnitt durch eine Mikrofiltrationsmembran in einem mit Fremdstoffen kontaminierten Abwasser.
-
1 a cross section through a microfiltration membrane in a contaminated with foreign substances wastewater.
In
Die so entstandene fluorierte Oberflächenschicht
Durch diese Eigenschaft werden im Abwasser vorhandene Fremdstoffe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- MikrofiltrationsmembranMicrofiltration membrane
- 1212
- TrennschichtInterface
- 1414
- Porenpore
- 1616
- Trägerschichtbacking
- 1818
- fluorierte Oberflächenschichtfluorinated surface layer
- 2020
- unfluorierte Schichtunfluorinated layer
- 2222
- Fremdstoffeforeign substances
- 2424
- Retentatseiteretentate
- 2626
- Permeatseitepermeate
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