DE1517918C3 - Vorrichtung zur Reinigung von Lösungen mittels umgekehrter Osmose - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Vorrichtung zur Reinigung oder zur Anreicherung von Lösungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten auf mannigfachen

ίο Gebieten und eignet sich vorzüglich für die Entsalzung von Brackwasser oder Meerwasser.

Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Reinigung einer wässerigen Lösung mittels umgekehrter Osmose, die einen Hohldorn mit mehreren Öffnungen und eine darum herum angeordnete Membraneinheit aufweist und in der ein Zuflußkanal, in den die zu behandelnde Lösung eingeleitet und einem über dem .psmotischen Druck liegenden Druck ausgesetzt wird, sowie mehrere Reinflüssigkeitskanäle ausgebildet

sind, welche mit den Öffnungen des Hohldorns in Verbindung stehen. Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung zur Verfügung gestellt.

Die umgekehrte Osmose, die auch als Druckfiltration bezeichnet wird, unterscheidet sich von einer normalen Filtration durch die Größenordnung der abzutrennenden Verunreinigung, so daß man im Prinzip bei einer Filtervorrichtung, wie sie beispielsweise aus der deutsehen Patentschrift 732 135 bekannt ist, das Filtertuch durch eine Membran zu ersetzen hat, wenn man von der Filtration zur umgekehrten Osmose übergehen will. Die bekannte Filtervorrichtung besitzt jedoch einen relativ großen Raumbedarf.

Weiterhin ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 1 744 438 ein Dialysator bekannt, bei dem um einen hohlen Kern herum Membranen mit flüssigkeitsleitenden Unterlagen herumgewickelt sind. Sofern man davon absieht, daß sich der Vorgang der Dialyse von demjenigen der Osmose bzw. umgekehrten Osmose durxh die hinsichtlich der Konzentration und Geschwindigkeit differenzierte Diffusion verschiedener gelöster Stoffe unterscheidet, entspricht dieses bekannte Gerät im Prinzip der obengenannten Vorrichtung, von der die Erfindung ausgeht. Dieses bekannte Gerät ist jedoch verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung, insbesondere deswegen, weil es Schlauchmembranen erfordert. _y Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Reinigung bzw. zur Anreicherung von Lösungen, die aus einem gelösten Stoff in einem Lösungsmittel bestehen, mittels umgekehrter Osmose zu schaffen. Das erfindungsgemäße Gerät soll insbesondere zur Gewinnung von gereinigtem Wasser aus Brackwasser oder Meerwasser geeignet sein. Es soll ferner mit Hilfe der Rücklauf-Osmose eine Lösung, bestehend aus einem gelösten Stoff in einem Lösungsmittel, anreichern können. Hierzu soll gemäß der Erfindung eine vereinfachte Membrananordnung dienen, die sich bequem herstellen und mit wenig Aufwand und geringen Kosten austauschen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Membrangebilde mit einer Bahn aus einem halbdurchlässigen Membranmaterial den Hohl-

6g dorn umgibt und die Form mehrerer Lappen besitzt, von denen jeder spiralförmig um den Hohldorn herumgewunden ist, und daß Zuflußkanäle zwischen jedem Paar benachbarter Lappen verlaufen, während die

Rcinflüssigkeitskanäle die einzelnen Lappen durchziehen.

Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß das Membrangebilde aus durchgehenden Bahnen besteht, und zwar aus einer Bahn eines Zwischenlagematerials auf der einen Seite einer Membranbahn und einer Bahn aus einem porösen Unterlagematerial auf der anderen Seite der Membranbahn, wobei eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen dem porösen Unterlagematerial und den Öffnungen des Hohldorns besteht, und daß der Zuflußkanal von dem Zwischenlagematerial gebildet ist.

Diese Ausführungsform läßt sich besonders einfach durch ein Verfahren herstellen, daß nach der Erfindung dadurch charakterisiert ist, daß das aus drei Bahnen bestehende Membrangebilde um voneinander im Abstand radial angeordnete innere und äußere Stäbe herum auf eine Schablone gewunden wird, so daß eine den Hohldorn rundum umgebende gewickelte Konfiguration ausgebildet wird, daß auf der Schablone eine Mehrzahl stehender Rollen an Stellen angebracht werden, welche den vorgesehenen Umfang des Membrangebildes begrenzen, wobei je eine dieser Rollen zwischen je einem Paar benachbarter Lappen angeordnet wird, und daß die Stäbe von den radial äußeren Enden der Lappen »5 entfernt und dann die verbleibenden inneren Stäbe relativ zu den Rollen gedreht werden, so daß dadurch die Lappen radial innerhalb der Rollen verlaufen und spiralförmig um den Hohldorn zu einer zylindrischen Konfiguration des vorgesehenen Umfangs gewunden werden.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen hervor. Es zeigt

F i g. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung mit einer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeten Membrananordnung in perspektivischer Ansicht, wobei einige Teile weggebrochen sind,

F i g. 2 eine Ansicht von oben auf das Membrangebilde im Anfangsstadium der Fertigung einer erfindungsgemäßen Membrananordnung,

F i g. 3 das Membrangebilde der F i g. 2 in perspektivischer Ansicht, die gewisse Konstruktionseinzelheiten besser erkennen läßt.

In F i g. 1 der Zeichnungen ist eine Wasserreinigungsvorrichtung 10 gezeigt, die eine Membrananordnung 14, einen druckfesten Behälter 18 zur Aufnahme der Membrananordnung und einen Auslaß 22 für das Reinwasser aufweist. Die Konstruktion der Membrananordnung 14 ist eingehender in den F i g. 2 und 3 veranschaulicht.

Die Membrananordnung 14 umschließt einen zentralen Hohldorn 26, der auch als Sammelgefäß oder Rohr für die Reinwasserableitung dient. Ein Membrangebilde 28, das mehrere sich radialwärts erstreckende Lappen 29 aufweist, ist rings um den Hohldorn 26 angeordnet; die Lappen 29 werden spiralig um den Hohldorn 26 gewunden, so daß ein Wickelkörper entsteht, bevor die Membrananordnung 14 in den Behälter 18 gebracht wird.

Das Membrangebilde 28 besteht aus aufeinanderliegenden Bahnen eines Zwischenlagematerials 30, einer halbdurchlässigen Membran 34 und eines Unterlagematerials 38. Bei der Fertigung einer solchen Membrananordnung kommt ein Membrangebilde 28 zustande, das mehrfach gefaltet wird, so daß eine Anzahl von Lappen entsteht; dadurch wird eine relativ große Membranoberfläche dargeboten, durch die das Reinwasser diffundieren kann. Da jeder Lappen 29 relativ kurz ist, wird die Strecke, durch die das Reinwasser fließt, möglichst verkürzt, so daß auch der Druckabfall klein gehalten werden kann.

Vorzugsweise hat die halbdurchlässige Membran 34, die in dem mehrfach gefalteten Membrangebilde 28 enthalten ist, die Form einer relativ dünnen Bahn aus einem Material, das bekannte Durchlässigkeitseigenschaften hat. Wenn eine Entsalzung beabsichtigt ist, ist es vorteilhaft, die Membran aus einem Stoff herzustellen, der Salz in hohem Maße zurückweist. Ein Beispiel eines derartigen Materials, das sich für diese Zwecke als besonders vorteilhaft erwiesen hat, ist Zelluloseacetat, wie dies in den USA.-Patentschriften 3 133 132 und 3 133137 von Loeb unter anderem beschrieben ist. Für manche Fälle lassen sich auch zahlreiche andere Materialien verwenden, die ebenfalls Salz gut abweisen; jedoch muß man mit niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten des Reinwassers rechnen.

Das Unterlagematerial 38 besteht vorzugsweise aus einem relativ billigen Werkstoff, der ausreichend gute Porosität hat, um das Reinwasser ungehindert durch ihn strömen zu lassen. Außerdem muß das Unterlagematerial 38 in der Lage sein, den angelegten Drücken standzuhalten, ohne zusammenzufallen oder übermäßig zu kriechen. Weiter soll das Unterlagematerial 38 vorzugsweise ausreichend biegsam sein, um sich von Vorratsrollen abziehen, zusammenfalten und zu dem Wikkelkörper winden zu lassen, ohne dabei zu reißen, weil es für eine wirksame Funktion möglichst in einer ununterbrochenen Bahn erhalten bleiben soll.

Manche Materialien backen zusammen, wenn sie einem relativ hohen Druck ausgesetzt werden, und dies setzt ihre Porosität herab. Dieser Umstand sollte bei der Auswahl eines zweckmäßigen Unterlagematerials erwogen werden. Graphitzeug ist ein Werkstoff, der für gewisse Fälle als Unterlagematerial in Betracht zu ziehen ist, jedoch ist es normalerweise zu teuer. Auch einige Arten von Glasfilz kommen in Frage und haben sich in manchen Fällen als zweckmäßig erwiesen. Weiter wurden Siliziumkarbidgrieß oder Sandpartikeln in der richtigen Größe, wobei die Körnchen in einem zweckmäßigen Binder zusammengehalten waren, auf einem Blatt aus Kunststoff-Filz aufgebracht und zeigten sich so für gewisse Zwecke als brauchbar.

Wenn man Drücke bis höchstens 35 at voraussetzen kann, können mannigfache Kunststoff-Fibermaterialien vorteilhaft verwendet werden. Beispiele für solche Materialien sind Nylon-Polyester, Kunstseide, Rayon-Viskose und Akrylharzfasern, die von den zu verarbeitenden Flüssigkeiten nicht angegriffen werden und von dem speziellen verwendeten Klebemittel benetzt werden.

Das Unterlagematerial 38 dient als Strömungskanal für das Reinwasser, das durch die Membran 34 diffundiert ist; demgemäß erstreckt es sich durch das ganze Membrangebilde 28. Da das Membrangebilde 28 mehrfach gefaltet ist, wie schon erwähnt, stellt der Teil des Unterlagematerials 38 in jedem einzelnen Lappen einen eigenen Strömungskanal für das gereinigte Wasser dar, der zu dem Hohldorn 26 führt. Auf diese Weise sind mehrere relativ kurze Strömungskanäle für das Reinwasser vorgesehen.

Das Zwischenlagematerial 30 dagegen, das die benachbarten Lappen des Membrangebildes 28 trennt, dient als Kanal für das zu reinigende Speisewasser. Beim Betrieb der Vorrichtung wird das Speisewasser durch die Zwischenlage 30 in einer zur Achse des Hohl-

dorns 26 parallelen Richtung und senkrecht zur Strömungsrichtung des Reinwassers zugeführt; letzteres fließt spiralförmig durch die gewundene Unterlage 38 zum zentralen Hohldorn 26. Das Zwischenlagematerial 30 hat vorzugsweise die Form eines relativ billigen, gitterartigen Gefüges, beispielsweise mag es ein Webgitter sein, das dem Speisewasser beim Durchlaufen der Membrananordnung 14 einen geringen Widerstand bietet.

Der zentrale Hohldorn 26 ist in seiner Wand mit mehreren Schlitzen oder Öffnungen 40 versehen, die längs seines Umfangs angeordnet sind. Die inneren Scheitelpunkte 42 der Membranlappen werden in ihrer Lage, angeschmiegt an den zentralen Hohldorn 26, durch geeignete Befestigungsglieder 46 gehalten. So kommt eine Strömungsverbindung zwischen den Öffnungen 40 und der Unterlage 36, in der das Reinwasser angeliefert wird, zustande; das Reinwasser fließt durch die Öffnungen 40 in das Innere des Hohldorns 26 und wird von dort durch den Ableitungsteil 22 entnommen. Vorzugsweise ist der Hohldorn 26 an seinem oberen Ende mit einem geeigneten Stöpsel 48 verschlossen, so daß das im Inneren des Hohldorns sich ansammelnde gereinigte Wasser zum anderen Ende des Hohldorns geleitet und dem Speisewasser der Zutritt zu dem Hohldorn 26 versperrt wird. Der Hohldorn 26 besteht aus einem korrosionsfesten Material, etwa aus ZeIIuIosebutyrat oder aus extrudiertem Akrylharz.

Die oben beschriebene spezielle Konstruktion läßt sich auf bequeme Weise fertigen. Die Materialbahnen, aus denen das Membrangebilde 28 besteht, sind zunächst auf Vorratsrollen 49, 50 und 51 aufgewickelt (s. F₁ i g. 2); von dort werden sie bei der Fertigung des Memb/angebildes einfach abgezogen. Dies geschieht gleichzeitig von allen drei Rollen, wobei zunächst die Lappen 29 in einer solchen Lage gehalten werden, daß rings um den Hohldorn 26 ein sternförmiges Rippengebiide entsteht, Vorzugsweise wird hierzu das Membrangebilde 28 zuerst auf einer geeigneten Schablone 52 geformt, die in der Mitte ein Loch zum Einschieben des Hohldorns 26 hat. _: .

, Dabei wird ein Ende der aneinandergrenzenden Materialbahnen, aus denen das Mebrangebilde 28 besteht, mittels einer abnehmbaren Klemme 54 festgehalten. Diese Klemme ist an der Schablone 52 nahe deren Umfang befestigt. Dann wird das Membrangebilde in radialer Richtung zu dem Hohldorn 26 hin geführt. Dort wird es umgefaltet, wobei der Scheitelpunkt 42 der. Faltung mit Hilfe eines Befestigungsgliedes 46 schlüssig gegen den Hohldorn 26 gepreßt wird. Vorzugsweise bestehen die Befestigungsglieder 46 aus dünnen Kunststoffstäben, die auf der Schablone sitzen und die Scheitel 42 der Lappen 29 in ihrer Lage sichern. Dann läuft das Membrangebilde 28 von dem Hohldorn 26 radial nach außen und wird über einem Stift 56 umgefaltet, der in die Schablone 52 im gleichen radialen Abstand von dem Dorn wie die Klemme 54 eingesteckt ist. Der Stift 56 besteht vorzugsweise aus einem leicht einschiebbaren und herausziehbaren Metallstab. Eine leicht aufsteckbare und abnehmbare Rolle 58, die sich um eine Achse dreht, wird auf der Schablone 52 in einem Abstand radial außerhalb des Befestigungsgliedes 46 montiert. Dann wird die Schablone weitergedreht, und das Membrangebilde 28 wird nach innen zum Hohldorn hin geführt und dort umgefaltet, wobei der Scheitel 42 der Falte an dem Hohldorn 26 mit Hilfe eines zweiten Befestigungsgliedes 46 festgelegt wird, das ebenfalls auf der Schablone 52 sitzt und den Scheitel 42 schlüssig gegen den Umfang des Hohldorns 26 preßt. Die Schablone wird wieder weitergedreht und das Membrangebilde 28 wieder von dem Hohldorn 26 radial nach außen geführt und über einem nächsten Stift 56 umgefaltet. Eine nächste in Achsrichtung drehbare Rolle 58 wird dann an der Schablone 52 angebracht in dem gleichen radialen Abstand von ihrem Befestigungsglied 46, wie die ersterwähnte. Auf diese Weise wird das Membrangebilde 28 zunächst auf der

ίο Schablone 52 rings um den Hohldorn 26 in Form gebracht, so daß ein fortlaufendes ausgestrecktes, sternförmiges Rippengebilde entsteht. Dieses Gebilde weist eine relativ große Anzahl an Lappen auf, deren Zahl hauptsächlich durch die Dicke der Materialbahnen und die Größe des Behälters, in dem das Membrangebilde untergebracht werden soll, beschränkt wird. Das Membrangebilde 28 besteht also aus mehreren Lappen 29, . die alle im Vergleich zur Gesamtlänge des Membrangebildes relativ kurz sind.

Wenn die gewünschte Anzahl von Lappen in der oben beschriebenen Weise geformt ist, werden die Materialbahnen, aus denen das Membrangebilde 28 besteht, von den Vorratsrollen abgeschnitten. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, werden der Anfang und das Ende des Membrangebildes 28 vorzugsweise miteinander verbunden; dies kann beispielsweise mittels eines geeigneten Epoxydkitts geschehen, der nach der Trocknung mit den Materialien fest bindet, so daß die Klemme 54 entfernt werden kann. Wahlweise können der Anfang und das Ende des Membrangebildes 28 auch durch die Klemme 54 festgehalten werden.

Nachdem die Lappen 29 fertig geformt sind, werden die Stifte 56 entfernt, und der zentrale Hohldorn 26 wird zusammen mit den Befestigungsgliedern 46 auf der Schablone 52 relativ zu den Rollen 58 gedreht. Da die Rollen 58 sich um ihre Achse drehen können, gleiten die Lappen 29 ohne Schwierigkeit unter die Rollen 58, die den Umfang eines Zylinders eingrenzen. Auf diese Weise wird das Membrangebilde spiralförmig um den zentralen Hohldorn 26 gewunden, so daß ein Wikkelkörper zustande kommt. Dieser spiralförmig gewunctene Wickelkörper hat die Gestalt eines Zylinders, dessen Durchmesser etwa dem Durchmesser des von den Rollen 58 begrenzten Zylinders entspricht. Im allgemeinen können die Befestigungsglieder 46 der Bequemlichkeit halber in dem fertigen Gebilde belassen werden, da sie sehr wenig Platz beanspruchen und keinen Einfluß auf die Funktion der Vorrichtung haben.

Damit das Unterlagematerial 38 mit Sicherheit ausschließlich mit Lösungen in Berührung kommt, die durch die Membran 38 diffundiert sind, ist es wichtig, entsprechende Dichtungen vorzusehen, so daß getrennte Kanäle für die Zuführung des Speisewassers und für die Ableitung des Reinwassers geschaffen werden. Hierzu wird an dem äußeren Rand 60 des Unterlagematerials 38 in jedem Lappen 29 ein zweckmäßiger Epoxydkitt aufgebracht. Dieser Epoxydkitt, wird ziemlich freigiebig längs der Kanten 60 verteilt, so daß diese Stelle des Unterlagematerials 38 mit Kitt gesättigt ist.

Als Folge dieses Sättigungszustandes breitet sich der Epoxydkitt zwischen den Außenkanten 62 und 64 der angrenzenden Bahnen des Unterlagematerials 38 und der Membran 34 entlang den Außenrändern jedes Lappens 29 aus, so daß mehrere getrennte Reinwasserkanäle entstehen, die durch die entsprechenden Lappen 29 der Membrananordnung 14 ziehen.

Wenn die Lappen 29 spiralig auf den Hohldorn 26 aufgewickelt sind, bleibt zwischen den Scheiteln 42 be-

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nachbarter Lappen 29 ein kleiner Zwischenraum 66. Dieser Zwischenraum 66 erstreckt sich praktisch über die ganze axiale Länge des Hohldorns 26; wenn er nicht abgedichtet wird, könnte Speisewasser durch die Öffnungen 40 in das Innere des Hohldorns 26 gelangen und das gereinigte Wasser wieder verunreinigen. Diese Gefahr wird praktisch durch das reichliche Aufbringen von Epoxydkitt längs des Randes 60 der Lappen 29 beseitigt. Dadurch, daß, wie schon erwähnt, der Kitt im Überfluß aufgebracht wird, so daß die Kanten 60 gesättigt werden, kann der überschüssige Kitt in die Zwischenräume 66 fließen und diese gegen das Speisewasser abdichten.

Der Rand des Zwischenlagematerials 30, das sich zwischen den benachbarten Lappen 29 erstreckt, ist gegenüber dem Membrangebilde 28 nicht in seiner Lage fixiert. Das Zwischenlagematerial 30 bildet also einen Zufluß für das Speisewasser zwischen den benachbarten Lappen 29, so daß das Speisewasser ungehindert vom einen Ende zum anderen durch die Membranan- ao Ordnung 14 strömen kann. Die getrennten Kanäle für das Speisewasser und das Reinwasser bewirken also, daß das Speisewasser durch das Zwischenlagematerial 30 der Membrananordnung zugeleitet wird und dabei erst dann mit dem Unterlagematerial 38 in Berührung kommt, wenn es durch die Membran 34 diffundiert ist. Auf diese Weise gelangt nur Wasser, aus dem die Verunreinigungen entfernt sind, in die Reinwasserkanäle.

Da für den Betrieb der beschriebenen Vorrichtung relativ hohe Drücke verwendet werden sollen, ist es erforderlich, zweckmäßige Dichtungen zu benützen, damit die Bindungen genügend stark sind, um solchen Drücken standhalten zu können. Wenn beispielsweise als Membran Zellusoseacetat verwendet wird, ist ein modifizierter Epoxyd-Kunstharz ein zweckmäßiges Klebemittel, das die Ränder der Membran mit der Unterlage ausreichend bindet und auch die Kanten der Unterlage gegen das Speisewasser abdichtet. Ein derartiges Klebemittel hat sich als verträglich mit den benutzten Materialien erwiesen. Es benetzt diese in ausreichendem Maß und bildet nach der Trocknung eine sehr starke Bindung.

Die spiralig gewundene Membrananordnung wird dann praktisch auf ihrem ganzen Umfang mit Band umwickelt. Hierzu mag ein geeignetes Kunststoffband 70 dienen, das zugfest ist, so daß es die gewundenen Lappen 29 in ihrer Lage hält, und das gegen Feuchtigkeit praktisch unempfindlich ist. Es wird zwischen den Rollen 58 und der äußersten Windung der Membrananordnung 14 eingeführt. Vorzugsweise wird ein Kunststoff- band, das unter der Bezeichnung Mylar im Handel ist, verwendet. Dann kann die Membrananordnung 14 in den druckfesten Behälter 18 eingelegt werden.

Da jeder der vielen Lappen 29, aus denen das Membrangebilde 28 besteht, als ein eigener Leitungskanal für das gereinigte Wasser dient, ist der Strömungsweg des gereinigten Wassers in Richtung zum zentralen Hohldorn 26 durch die Unterlage 38 der einzelnen Lappen relativ kurz. Zugleich aber ist die gesamte Oberfläche der Membran, die für die Diffusion des zu reinigenden Wassers zur Verfügung steht, infolge der Vielzahl der Lappen 29 relativ groß.

Der druckfeste Behälter 18 ist vorzugsweise aus einem relativ festen, korrosionsbeständigen Material hergestellt, beispielsweise aus Kupfer, Polyvinylchlorid, getauchtem Weichstahl, rostfreiem Stahl, mit Fiberglas verstärktem Epoxyd usw. Der Behälter 18 weist einen äußeren Zylindermantel 72 auf, an dessen oberem Ende

eine Kappe 74 befestigt und an dessen unterem Ende ein Flansch 76 ausgebildet ist. Die Kappe 74 und der Flansch 76 können mit dem Mantel 72 auf verschiedene Weise verbunden werden, etwa durch Verschweißen, Verlöten usw. In der Mitte der Kappe 74 ist ein Einlaßrohr 78 angeordnet. Nahe dem Flansch 76 trägt der Mantel 72 ein Auslaßrohr 80 für das Abwasser.

Meist ist der Innendurchmesser des Behälters 18 annähernd gleich dem Außendurchmesser des spiralförmig gewickelten und mit dem Band umwundenen Körpers, so daß ein ausreichend fester Sitz zustande kommt und die Strömung des Speisewassers durch die von dem Zwischenlagenmaterial 30 gebildeten Zuflußkanäle und nicht etwa rings um die Außenfläche der Membrananordnung 14 verläuft. Wenn gewünscht, kann noch eine zusätzliche Dichtung für manche Fälle vorgesehen werden, indem einige Lagen eines relativ schmalen Kunststoffbandes (nicht gezeigt) an einer geeigneten Stelle um die Außenfläche der Membrananordnung 14 gewunden werden. In gewissen Fällen, wenn der Zwischenraum zwischen der Membrananordnung und der Innenwand des Behälters 18 zu groß ist, um mit den beschriebenen Mitteln ausreichend gedichtet zu werden, mag eine hinlängliche Dichtung für gelingen Druck vorgesehen werden, indefn ein genuteter Ring 82 an einer passenden Stelle um die Membrananordnung 14 gelegt wird. Mit einem zweckmäßigen Klebstoff, vorzugsweise einem Silikon-Kautschuk, wird der Ring 82 mit der Membrananordnung 14 verkittet. In die Nut des Rings 82 wird, ein Dichtring 84 eingebettet.

Mit Hilfe dieser Dichtung wird der Raum zwischen der Behälterwand und der Außenseite der Membrananordnung 14 in ein Zuflußabteil 86 und ein Konzentratabteil 88 unterteilt. Die Dichtung verhindert eine^direkte Verbindung zwischen diesen beiden Abteilen. Im Betrieb wird die zu reinigende Flüssigkeit durch das Einlaßrohr 78 zugeführt und gelangt von dem Zuflußabteil 86 durch die Zuflußkanäle, welche, von den vielen Falten des Zwischenlagematerials 30 zwischen jeweils benachbarten Lappen 29 gebildet werden, in das Konzentratabteil 88. .::.;. :

Zu *der Reinigungsvorrichtung 10 gehört auch noch eine schon erwähnte Ableitung 22 für das Nutzwasser. Diese Ableitung 22 weist vorzugsweise einen Flansch 90 auf, an desssn Innenfläche ein Stutzen 92 angeordnet ist, der mit einem Auslaßrohr 94 für das Reinwasser an der Außenfläche des Flansches in Verbindung steht. Ein Rohrverbindungsstück 94', das vorzugsweise aus einem kurzen Gummischlauch besteht, ist mit dem einen Ende * über das vorstehende Ende des Stutzens 92 und mit dem anderen Ende über das untere Ende des Hohldorns 26 geschoben. Auf diese Weise ist eine Flüssigkeitsleitung zwischen dem inneren des Hohldorns 26 und dem Auslaßrohr 94 des Rein wassers hergestellt. Vorzugsweise ist der Ableitungsteil 22 an dem Flansch 76 festgemacht. Hierzu kann der Flansch 90 mit dem Flansch 76 durch mehrere Schrauben 96 verbunden sein. Zwischen die beiden Flansche 90 und 76 kann eine Dichtung 98 eingelegt sein, um eine flüssigkeitsfeste Abdichtung zu gewährleisten.

Die beschriebene Vorrichtung kann zur Behandlung einer großen Vielfalt von Lösungen benutzt werden; besonders geeignet ist sie jedoch für die Behandlung von Salzlösungen, beispielsweise von Meerwasser. Deshalb wird der Einfachheit halber die Funktionsweise der Vorrichtung unter Bezug auf Meerwasser beschrieben. Im Betrieb gelangt das Meerwasser durch das Ein-

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laßrohr 78 in Pfeilrichtung in das Zuflußabteil 86, von wo es durch die Kanäle, welche von dem Zwischenlagematerial 30 zwischen den jeweils benachbarten Lappen 29 der Membrananordnung 14 gebildet werden, in das Konzentratabteil 88 strömt. Wenn das Meerwasser die Reinigungsvorrichtung durchwandert hat. hat sich sein Salzgehalt erhöht; es wird nun aus dem Konzentratabteil 88 durch das Abwasserrohr 80 in Pfeilrichtung abgeleitet. Die hier abfließende Lösung kann als »Meerwasserrückstand« bezeichnet werden.

Während der Verweilzeit in der Reinigungsvorrichtung 10 wird das Meerwasser vorzugsweise auf einem bestimmten Druck gehalten. Dieser Druck ist höher als der für das Eintreten der umgekehrten Osmose erforderliche. Bei Drücken, die über dem osmotischen Druck liegen, diffundiert gereinigtes Wasser aus dem Meerwasser durch die halbdurchlässige Membran in das Unterlagematerial. Die erforderlichen Drücke werden vorteilhaft durch eine geeignete Pumpe geliefert, die das Meerwasser in die Reinigungsvorrichtung einspeist, und durch ein passendes Druckregelventil in dem Auslaßrohr 80 für das Abwasser. Pumpe und Ventil sind nicht dargestellt. Auf diese Weise läßt sich der Druck des Meerwassers in den Zuflußkanälen nach Wunsch einstellen. Zudem kann die Pumpe vorzugsweise so eingeregelt werden, daß sie eine relativ konstante Strömung von Meerwasser durch die Zuflußkanäle liefert. Dies ist erstrebenswert, weil so die Salzkonzentration in den zu behandelnden Lösungen im Gleichgewicht gehalten wird und keine Notwendigkeit mehr besteht, stärker konzentrierte Lösungen vor der Behandlung zu verdünnen oder den angelegten Druck zu erhöhen.

Das gereinigte Reinwasser diffundiert durch die Lappen 29. die von der mehrfach gefalteten Bahn des Membranmaterials 34 gebildet werden, während das Meerwasser durch die von dem Zwischenlagematerial 30 gebildeten Zuflußkanäle zwischen den jeweils benachbarten Lappen strömt. Das Reinwasser diffundiert in das Unterlagematerial 38, das im Inneren der Lappen 29 angeordnet ist, und fließt auf einer Spiralbann nach innen zu dem Hohldorn 26; das Unterlagematerial bildet also die Reinwasserkanäle. Schließlich gelangt das Reinwasser durch die Öffnungen 40 in das Innere des Hohldorns, da der Scheitel 42 jedes Lappens 29 an dem Umfang des Hohldorns 26 anliegt und so eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen dem Unterlagematerial 38 und dem Hohlraum des Hohldorns 26 herstellt. Aus dem Inneren des Hohldorns 26, dessen eines Ende zugestöpselt ist, fließt das Reinwasser durch das andere Ende des Hohldorns 26 weiter und durch die Ableitung 22 und durch das Auslaßrohr 94. Die Reinigungsvorrichtung 10 kann senkrecht aufgestellt sein, so daß das gereinigte Wasser unter der Wirkung der Schwerkraft durch das offene Unterende des Hohldorns 26 abfließt.

Im allgemeinen erfährt das Reinwasser einen Druckabfall während seines Weges durch das Unterlagematerial von dem Punkt, wo es zuerst durch die halbdurchlässige Membran diffundiert ist bis zu der Stelle, wo es den Hohldorn 26 erreicht. Dieser Druckabfall ist proportional dem Quadrat der von dem Wasser durchwanderten Strecke und umgekehrt proportional dem Quadrat des wirksamen hydraulischen Durchmessers der Poren in dem Unterlagematerial, wenn die Durchflußmenge pro Flächeneinheit in der Zeiteinheit konstant gehalten wird. Es ist daher vorteilhaft ein Unterlagematerial mit relativ großen Poren zu verwenden, um den Druckabfall möglichst gering zu halten. Da jedoch das Unterlagematerial außer der Weiterleitung des gereinigten Wassers noch die Aufgabe hat, die Membranbahn abzustützen, muß die Porengröße hinreichend klein sein, um zu verhindern! daß Teile des Membranmaterials in die Poren gedrückt werden.

Um hohe Produktionsraten und einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, sind Membrananordnungen günstig, deren Membranoberfläche so groß als möglich ist, um die Ausbeute an gereinigtem Wasser zu erhöhen. Die vorstehend beschriebene Konstruktion erreicht dieses Ziel, während sie zugleich den auftretenden Druckabfall in annehmbaren Grenzen hält, dadurch, daß die Strecke, die das Reinwasser durchfließen muß, sehr kurz gehalten ist. Zudem läßt sich die Vorrichtung auf bequeme und wirtschaftliche Weise fertigen, so daß sich die Herstellungskosten beträchtlich erniedrigen.

Die einzelnen Lappen des Membrangebildes 28 sind weniger als 61 cm lang, so daß der Druckabfall, der von der vom Reinwasser zurückgelegten Strecke abhängig ist, sehr niedrig gehalten wird. Ohne die von den einzelnen Nutzwassermengen durchwanderte Strecke zu verlängern, ist die zur Verfügung stehende Gesamtfläche an Membranmaterial, durch die das feine'Wasser diffundiert, sehr groß. Dies rührt daher, daß die Reinwassermengen, die durch die Membran 34 diffundieren, lediglich den von der Länge des Unterlagematerials in einem einzigen Lappen vorgegebenen Weg zurücklegen. Diese Wegstrecke ist jedoch unabhängig von der Gesamtlänge der Membran und der Gesamtzahl der das Membrangebilde 28 ausmachenden Lappen. Die Membrananordnung läßt sich also mit der gewünschten Membranfläche herstellen.

Im allgemeinan ist es vorteilhaft, mehrere Reinigungsvorrichtungen mit gemäß der Erfindung konstruierten Membrananordnungen zu verwenden, da sich dadurch die Gesamtproduktion an Reinwasser wesentlich steigern läßt. Üblicherweise sind diese Vorrichtungen über die entsprechenden Einlaßrohre an eine gemeinsame Pumpe angeschlossen, und ihre Auslaßrohre sind über ein Sammelrohr verbunden, so daß diese eine komplette Wasserentsalzungsanlage bilden, die große Mengen entsalzten Wassers liefern kann.

Im allgemeinen ist es vorteilhaft, vorgefertigte Membrananordnungen zu verwenden. Dies ist auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Schwierigkeit möglich. Die Verbindungen zwischen den die Gesamtanlage bildenden Reinigungsvorrichtungen werden vorzugsweise so angeordnet, daß sich die einzelnen Reinigungsvorrichtungen auf bequeme Weise periodisch abschalten lassen, ohne daß dabei die Funktion der übrigen Vorrichtungen unterbrochen wird. Dann lassen sich die einzelnen Membrananordnungen bequem und rasch austauschen. Eine derartige Ausbildung ist günstig, weil sie bereits die Notwendigkeit berücksichtigt, daß infolge der Korrosionseffekte mancher Salzlösungen einzelne Membrananordnungen eventuell ausgetauscht werden müssen. Die oben beschriebene Anlage, die einen raschen und rationellen Ersatz einzelner Reinigungsvorrichtungen erlaubt, bietet also zahlreiche Vorzüge. ■■:■<■

Wei schon oben erwähnt, kann man mit der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht nur gereinigtes Wasser gewinnen, sondern auch zusätzlich oder statt dessen auf einfache Weise eine höhere Konzentration einer wäßrigen Lösung erzielen. Bei der Durchführung solcher Anreicherungsverfahren sind lediglich geeignete Mittel vorzusehen, um die stärker konzentrierte Lö-

ι öl/y

sung, die oben als »Meerwasserrückstand« bezeichnet wurde, zu sammeln. In diesem Fall stellt dann das gereinigte Wasser das Abfallprodukt dar, während die stärker konzentrierte Lösung, aus der das gereinigte Wasser abgezogen wurde, das Nutzprodukt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Reinigung einer wässerigen Lösung mittels umgekehrter Osmose, die einen Hohldorn mit mehreren Öffnungen und eine darum herum angeordnete Membraneinheit aufweist und in der ein Zuflußkanal, in den die zu behandelnde Lösung eingeleitet und einem über dem osmotischen Druck liegenden Druck ausgesetzt wird, sowie mehrere Reinflüssigkeitskanäle ausgebildet sind, welche mit den Öffnungen des Hohldorns in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Membrangebilde (28) mit einer Bahn aus einem halbdurchlässigen Membranmaterial (34) den Hohldorn (26) umgibt und die Form mehrerer Lappen (29) besitzt, von denen jeder spiralförmig um den Hohldorn herumgewunden ist, und daß Zuflußkanäle zwischen jedem Paar benachbarter Lappen verlaufen, während die Reinflüssigkeitskanäle die einzelnen Lappen durchziehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Membrangebilde (28) aus durchgehenden Bahnen besteht, und zwar aus einer Bahn eines Zwischenlagematerials (30) auf der einen Seite einer Membranbahn (34) und einer Bahn aus einem porösen Unterlagematerial (38) auf der anderen Seite der Membranbahn, wobei eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen dem porösen Unterlagematerial und den Öffnungen (40) des Hohldorns besteht, und daß der Zuflußkanal von dem Zwischenlagematerial gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuflußkanal durch das Zwischenlagematerial zwischen benachbarten Lappen zieht und die Reinflüssigkeitskanäle sich durch das poröse Unterlagematerial im Inneren der einzelnen Lappen erstrecken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Länge jedes Lappens (29) größer als der radiale Abstand zwischen dem Hohldorn und dem zylindrischen Behälter ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Membrangebilde in einem druckfesten Behälter (18) untergebracht ist, der ein Zuflußabteil (86) mit einem Einlaßrohr (78) und ein Konzentratabteil (88) mit einem Abwasser-Auslaßrohr (80) sowie einer Ableitung (22) mit einem Reinwasser-Auslaßrohr (94) aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus drei Bahnen bestehende Membrangebilde um voneinander im Abstand radial angeordnete innere und äußere Stäbe herum auf eine Schablone gewunden wird, so daß eine den Hohldorn rundum umgebende gewickelte Konfiguration ausgebildet wird, daß auf der Schablone eine Mehrzahl stehender Rollen an Stellen angebracht werden, welche den vorgesehenen Umfang des Membrangebildes begrenzen, wobei je eine dieser Rollen zwischen je einem Paar benachbarter Lappen angeordnet wird, und daß die Stäbe von den radial äußeren Enden der Lappen entfernt und dann die verbleibenden inneren Stäbe relativ zu den Rollen gedreht werden, so daß dadurch die Lappen radial innerhalb der Rollen verlaufen und spiralförmig um den Hohldorn zu einer zylindrischen Konfiguration des vorgese

henen Umfangs gewunden werden.