DE1642888A1

DE1642888A1 - Vorrichtung fuer Umkehr-Osmose

Info

Publication number: DE1642888A1
Application number: DE19681642888
Authority: DE
Inventors: Banfield David Leslie
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1967-02-22
Filing date: 1968-02-21
Publication date: 1971-04-29
Also published as: IL29483A; US3494470A; FR1556001A; GB1168722A

Description

PATENTANWALT

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT / ^Telefon:<⁰²⁷¹'³²⁴⁰⁹

Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfach 325

68 026 Fl/Schm 20. Febr. 1968

United Kingdom Atomic Energy Authority,

11, Charles II Street, London, S.W.1., England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 8568/67 vom 22. Febr. 1967 beansprucht.

Vorrichtung für Umkehr-Osmose "Background" der Erfindung

JJie Erfindung bezieht sich auf umgekehrte Osmose /reverse osmosis/, im Nachfolgenden kurz "Umkehr-Osmose" genannt, bei welcher es sich um ein allgemein verwendetes Verfahren für die teilweise oder völlige Deionisierung von Lösungen, beispielsweise bei der Reinigung oder Entsalzung von Brack- oder Salzwasser, handelt.

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Das Phänomen der Osmose ist allgemein bekannt und besteht aus der Diffusion eines Lösungsmittels durch, eine halbdurchlässige Membran bzw. Scheidewand hindurch in eine konzentrierter« lösung hinein, um so die Drücke auf beiden Seiten der Scheidewand auszugleichen. Der "osmotische Druck" ist der Druck, dtr eine Strömung durch die Scheidewand hindurch infolge Osmose gerade noch verhindert« Bei "Umkehr-Osmose¹¹ wird ein höherer Druck als der osmotisch« Brück auf die konzentiertere Lösung ausgeübt} dieser Druck wirkt nicht nur der Strömung des Lösungsmittels in der Sichtung entgegen, die durch den Konentrationsunterschied bestimmt wird, sondern, bringt das Lösungsmittel praktisch dazu, von der konzentrierteren nach der weniger konzentrierten Lösung zu strömen· Es besteht kein < Zweifel, daß, da eine halbdurchlässige Scheidewand die Strömung von Ionen in einem größeren oder kleineren Ausmaß erschwert, das Verfahren der Umkehr-Osmose dazu benutzt werden kann, eine deionisierte Lösung herzustellen.

Die optimalen Drücke, welche für die Umkehr-Osmose angewendet werden, können extrem hoch sein, beispielsweise in der arößenordnung von 105 kg/cm (1 500 pounds per square inoh) zum "Entsalzen von Meerwasser, und es ist schwierig, eine Scheidewand herzustellen oder auf ein Trägermaterial aufzubringen, welohes die erforderliche mechanische Festigkeit und Porosität gegenüber einer Wasserströmung aufweist, um es zu ermöglichen, das Verfahren in einem relativ großen Rahmen durchzuführen,

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Es ist Aufgabe der· Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung für Umkehr -Osmose zu schaffen.

Zusammenfassung, der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung für Umkehr-Osmose geschaffen, welche einen Stützbauteil mit einer halbdurchlässigen Scheidewand aufweist, die an diesem an der Seite, welche dem höheren Druck ausgesetzt ist, direkt an- oder aufgegossen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Scheidewand aus einer Gußmasse bzw. einem Gußmaterial gegossen, welches aus einem Lösungsmittel für das Material des Stützbauteils besteht oder ein solches aufweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung für Umkehr-Osmose geschaffen,die einen länglichen Trägerbauteil, der wenigstens eine axiale Bohrung und Perforationen — oder natürliche Porosität — aufweist, welche die Bohrung mit der Oberfläche des Bauteils verbinden, eine poröse Auflage /backing member/, welche die genannten Perforationen oder die natürliche Porosität bedeckt, sowie eine halbdurchlässige Scheidewand aufweist, die am Stützbauteil an Teilen davon adhäsiv gesichert ist, die von der porösen Auflage nicht bedeckt sind.

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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung für Umkehr-Osmose geschaffen, die eine Mehrzahl von porösen zylindrischen Membran-Stützrohren, die zwischen Röhrendetutzbauteilen gesichert sind, und eine halbdurchlässige Scheidewand aufweist, die direkt auf solche Rohr und Enfetützen auf der Seite, welche dem höheren Druck ausgesetzt ist, aufgegossen ist, wobei die Scheidewand an den Endstützbauteilen adhäsiv gesichert bzw. angeklebt ist.

Die genannte adäsive Sicherung der halbdurchlässigen Scheidewand am Stützbauteil wird zweckmäßig dadurch erreicht, daß die halbdurchlässige Scheidewand aus einem Gußmaterial gebildet wird, welches ein Lösungsmittel für den Stützbauteil enthält. So wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Stützbauteil aus Polymethylmethacrylat hergestellt, und die Gußmasse enthält Azeton, welches das Polymethylmethacrylat löst und so bewirkt, daß die halbdurchlässige Scheidewand damit verschmolzen bzw. daran gebunden wird.

Bei der bevorzugten Anordnung ist der Stützbauteil in Form eines länglichen Polymethylmethycrylat-Rohrs vorgesehen, welches ein abgerundetes unterem Ende aufweist, das abgedichtet ist, so da.;; der Stützbauteil etwa wie ein längliches Reagenzglas aussieht; ein Teilstück der zylindrischen Wand dieses Stützbauteils ist perforiert, und über dem perforierten Bereich sind entsprechende, mechanische Abdichtungsanordnungen zum Abdichten des lioiires

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in eine Druckkammer hinein vorgesehen. Um eine halbdurchlassige Scheidewand herzustellen, wird eine durchlässige Auflage, wie beispielsweise poröses Filterpapier, um das perforierte Teilstück des Rohres herumgewickelt, und die gesamte- Anordnung wird in eine Gießlösung eingetaucht, welche Azeton aufweist, so daß sich die Gußmasse über den Bereich bzw. hinter die Fläche der porösen Papierauflage ausbreitet und sich mit dem Material des Stützrohre-a vereinigt* Nachdem sich die Gußmasse abgesetzt hat, wird sie in der üblichen Weise durch Trocknen, Auslaugen und Nachbehandeln /leaching and curing/ behandelt, um halbdurchlässige Eigenschaften zu erlangen.

Die Wasserströmung wird so vorgesehen, daß sie bei einer solchen Bauart radial nach innen gerichtet ist, wie zu erkennen ist, und Frischwasser wird von der axialen Bohrung des Rohres her entzogen. Bei einer praktischen Anordnung ist es natürlich klar, daß eine große Anzahl solcher Rohre vorgesehen und in einem Druckbehälter untergebracht wird, wobei die offenen Enden der Rohre mit einer Leitung für Frischwasser in Verbindung stehen. Auf diese Weise werden rein mechanische Abdichtungen zwischen den festen Stützrohren und einem Deckel oder einer Abdeckplatte für den Druckbehälter vorgesehen, und es ist nicht erforderlich, daß eine mechanische Abdichtung gegen die halbdurchlässige Scheidewand vorgesehen wird.

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Bei der vorgenannten alternativen Bauart kann die Scheidewand an die Rohrendstützbauteile eher als an — oder zusätzlich zu — den Scheidewandstützrohren gesichert werden, wobei die Endstützbauteile aus einem für diesen Zweck geeigneten Material hergestellt sind. Die Seheidewandstützrohre können aus gebundenen Papierfasern, gesinterten refraktären Teilchen, gesinterten thermoplastischen Teilchen oder adhäsiv gebundenen Partikelchen hergestellt werden, welche eine kontinuierliche Porosität von der äußeren Oberfläche nach der inneren Bohrung hin aufweisen· Bei dieser Anordnung wird die Membrangußmasse zweckmäßig durch die Anordnung von Rohren hindurchgepumpt, um eine Scheidewand abzusetzen und eine wasserdichte Abdichtung gegen die Stützanordnung zu bewirken. Die Strömung von Wasser ist in diesem fall vorzugsweise von den Rohren radial nach außen gerichtet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

* Damit die Erfindung noch deutlicher zum Ausdruck gebracht wird, werden bestimmte Ausführungsformen derselben nunmehr anhand der die Erfindung beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt

i'ig. 1 die Vorrichtung in sehematischem Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt durch ein einzelnes Rohr in

einem größeren Maßstab, während i'ig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine abgeänderte

Anordnung wiedergibt.

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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Aus der Zeichnung, insbesondere aus Pig. 1, ist zu ersehen, daß die Vorrichtung einen Druckbehälter 1 aufweist, der eine Sole- bzw. Salzwasser-Einlaßrohrleitung 2 und eine öole- bzw. Salzwasrser-Auslaßrohrleitung 3 aufweist. Mittel (nicht dargestellt) sind vorgesehen, um sicherzustellen, daß sich das Salzwasser unter dem richtigen Druck befindet. Der Druckbehälter 1 ist mit einer Abdeckplatte 4 "versehen, die durch eine Hehrzahl von Schrauben 5 daran befestigt wird, und eine 0-Ring-Abdichtung 6 ist zwischen der Abdeckplatte und einem nach außen gekehrten Plansch 7 des Behälters vorgesehen, um die Abdeckplatte gegen den Behälter abzudichten. Eine aus Polymethylmethaerylat hergestellte Rohrplatte 8 wird an der Abdeckplatte 4 durch eine Reihe von Schrauben 9 befestigt und durch O-Ring-Abdichtungen 10 und 11 gegen diese abgedichtet.

Die Rohrplatte 8 ist mit einer Mehrzahl von Bohrungen 12 versehen, welche durch diese hindurch verlaufen, und diese Bohrungen fluchten mit ähnlichen Bohrungen 13 in der oberen Platte, und die Bohrungen 13 sind mit einem Kopfstück (nicht dargestellt) verbunden, um das Frischwasserprodukt abzuleiten. Die unteren Enden der Bohrungen 12 sind bei 14 erweitert, um Polymethylmetnacryla.t-Rohre 15 aufzunehmen, wobei jedes derartige Rohr 15 in seiner Senkbohrung 14 durch ein Klebemittel oder dergleichen gesichex't ist.

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Figo 2 zeigt eine Bauart eines Rohres, die etwas anders als die in Fig. 1 gewählte ist, welche zur Befestigung an eine entsprechende obere Platte mehr durch mechanische Mittel als durch das Klebemittel bestimmt ist, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Daher ist das in Fig. 2 dargestellte Rohr 15 mit einem ringförmigen Flansch 16 an seinem oberen Ende versehen, wobei dieser Flansch zwei Aussparungen 17 und 18 für die Aufnahme von O-Ring-Abdichtungen aufweist.

Bei jeder Ausführungsform ist das mittlere Teilstück der Wand des Rohres 15 perforiert, wie bei 19 schematisch dargestellt, um Zugang nach einer inneren Bohrung 20 des Rohres vorzusehen.

Um das'perforierte Teilstück des Rohres 15 herum ist ein poröser Auflageteil 21 gewickelt bzw«, aufgebracht, welcher zweckmäßig aus einer Länge Filterpapier besteht·

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird jedes individuelle Rohr dann in einen Behälter mit ü-ußmasse ^esenict, und zwar bis zu einem solchen Pegel, daß die Gußmasse bis üoer das poröse Auflagestück 21 reicht. Wie schon erwähnt, enthält diese Gußmasse Azeton, welches ein Lösungsmittel für Polymetlrylmethacrylat ist, und daher löst die Gußmasse die Oberfläche des Rohres 15. Die Gußmasse weist ferner Zelluloseazetat auf,

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und so^ist das Rohr 15, wenn es aus dem Behälter der Gußmasse entfernt wird, mit einer Schicht 22 aus Zelluloseazetat versehen, welche das poröse Auflagestück "bedeckt und oberhalb und unterhalb des Auflagestücks fest.mit dem Rohr verbunden ist.

Bei der in i*ig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die Rohrplatte 8 mit Rohren 15 als Ganzes in die GulBmasse eingetaucht, so daß eine Schicht aus Zelluloseazetat über dem Hohr 15 und eine Bindung zwischen dieser Schicht und der Rohr- . platte hergeötellt wird.

Die bevorzugte Zusammensetzung der Gußmasse ist wie f01.3t gewählt: 25 Gewichtsprozent Zelluloseazetat, 30 Gewichtsprozent formamid und 45 Gewichtsprozent Azeton. Andere Abstimmungen der Guümasue, wie sie der Fachwelt allgemein bekannt sind, können natürlich ebenfalls verwendet werden.

Nachdem die Schicht von Zelluloseazetat auf die Rohre aufgebracht worden ist, wird sie durch Trocknen in Luft bei ungefähr Raumtemperatur eine Minute lang, durch Auslaugen in kaltem Wasser etwa zwei Stunden lang, gefolgt von einer fünfminütigen nachbehandlung in V/asser bei 80⁰C, behandelt, wobei en sich bei dieser Behandlung um eine Art von Behandlung handelt, welche zum Präparieren bzw. Herstellen einer Zelluloseazetat-Membran rait salzabweisenden Eigenschaften allgemein bekannt ist.

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Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform ist eine Weiterentwicklung der in Pig. 1 dargestellten, unterscheidet sich jedoch in zwei Dingen von jener. Erstens werden, anstatt mit einem geschlossenen Ende versehene Rohre zu verwenden,, offen endende Rohre zwischen einem Paar von Rohrendplatten befestigt, und zweitens erfolgt die Wasserströmung radial auswärts der Rohre. So ist eine Mehrzahl von Rohren 30, die aus einem porösen Material, wie beispielsweise einem gesinterten Metall, hergestellt sind", an ihren Enden in erweiterten Bohrungen 31 in Rohrendstützplatten 32, die aus Polymeth^methacrylat bestehen, gesichert. Mit den Bohrungen 31 fluchten Bohrungen 33, welche eine glatte Bohrung liefern, die vom Inneren der Hohre 30 her bis oberhalb der Rohrplatten 32 verläuft. Die Rohrplatten 32 werden durch Schrauben 34 befestigt und durch Q-Ringe 35 gegen Auflageplatten 36 angedichtet, die aus Stahl oder dergleichen hergestellt sind, und diese Auflageplatten 36 werden wiederum durch Schrauben 37 und O-Hinge 38 an einem Druckbehälter 39 befestigt. Ein verhältnismäßig leichtes Blechgehäuse 40 umgibt die Rohre 30 und wird an den Auflageplatten 36 durch Schrauben 41 befestigt. Das Gehäuse 40 weist eine Leitung 42 für den Abfluß von Frischwasser auf.

In Fig. 3 sind mir ein Bohr 30 und nur eine Endplatte 32 dargestellt, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß ein Paar solcher Endplatten mit einer großen Anzahl von Rohren 30 zwischen diesen vorgesehen wird.

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Die Scheidewand wird auf die inneren Oberflächen der Rohre 30 aufgebracht und bedeckt zumindest ein Teilstück der Endplatten 32, wobei sie mit diesen Endplatten in der vorstehend schon beschriebenen Weise verschmolzen bzw, verbunden v.ird. 23s sei darauf hingewiesen, daß das Hochdruckwasser, welches entsalzt werden soll, sich in dem Druckbehälter 39 befindet, während das Produkt (bei nieärigem Druck) durch die Leitung 42 vom Geiiäuse 40 her ausströmt.

Unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie vorstehend anhand der Fig. 1 beschrieben ist, und bei Verwendung einer Membranstärke von etwa 0,040" (1,0160 mm) wurde die Vorrichtung auf. die ^ntar-lzungswirksamkeit hin geprüft, wobei eine Speisung vcn künstlichem Meerwasser verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.

Diese Ergebnisse sind mit Ergebnissen vergleichbar, welche von einer flachen Membran der gleichen Stärke erwartet werden könnten, die aus einer ähnlichen Zelluloseazetat-Gußmasse gegossen ist.

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Tabelle

Ausgeübter Druck

psi (kg/cm*)

Speisung?- SaIe-

konzentration ppm abweieung

ppm (!eile pro ff Million]

Produktströeungsrate

gpd/ft^z (Gallonen pro Sag

pro Quadratfuß)

1 500 (105)

32 32 32 32

5

6

5

83 B3 80

3,9 2,8 2,8 3,7

Sie Erfindung löst jedoch das Problem, di· Kanten bzw. Ränder einer solchen Membran abzudichten, und schafft auch ein sehr einfaches und unkompliziertes TerfÄhren der Aufbringung der Membran in Geometrien, andere als bei dem Plachechicht-Konzept.

Die Erfindung betrifft auoh Abänderungen der im beulenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausfuhrungeform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungemerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart Bind.

Patentansprüche

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Claims

I Belegt /Darfnichtg> „ ,„ , _ _ _ _ ■——·—-—J ID 4 L ο O O PATENTANWALT DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Jfc Tel*fon!w™" Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen 20342 Bankkonten: Deutsche Bank AG., Abt.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 5» Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.) Postfach 325 68 026 ffl/Sohm 20. gebr. 1968 Patentansprüche

1. Vorrichtung für umgekehrte Osmose, die einen Haltebauteil und eine halbdurchlässige Membran aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte halbdurchlässige Membran direkt auf die Stütze an der Seite davon aufgegossen ist, welche dem höheren Druck ausgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewand aus einer Gußmasse gegossen ist, welche aus einem Lösungsmittel für das Material des Haltebauteils besteht oder ein solches lösungsmittel aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen länglichen Stützbauteil, der wenigstens eine axiale Bohrung sowie Perforationen oder natürliche Porosität besitzt, welche die Bohrung mit der Oberfläche des Bauteils verbindet, einen porösen Auflageteil, welcher die Perforierungen oder die natürliche Porosität bedeckt, sowie eine halbdurchlässige

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den Auflagebauteil bedeckende Scheidewand aufweist, welche am Stützbauteil an !eilen davon, die nicht von dem porösen Auflageteil bedeckt sind, adhäsiv gesichert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von porösen zylindrischen Membranstützrohren, die zwischen Rohrendstutzbauteilen gesichert sind, und eine halbdurchlässige Membran aufweist, die direkt an solche Ilohre und Endstützen an der Seite, die dem höheren "Druck ausgesetzt ist, angegossen ist, wobei die Membran an den Endstützbauteilen adhäsiv gesichert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichrEfc, daß die adhäsive Befestigung derhalbdurchlässigen Scheidewand am Stützbauteil darin besteht, daß die halbdurchlässige Scheidewand aus einer Gußmasse mit einem Lösungsmittel für den Stützbauteil hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennseichnet, daß der Stützbauteil aus Polymethylmethacrylat hergestellt ist und daß die Gußmasse Azeton enthält, welches das Polymethylmethacrylat löst und so bewirkt, daß die halbdurchlässige Scheidewand damit verschmolzen bzw. verbunden wird.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützbauteil in j?orm eines länglichen Polymethylmethacryle.t-Hohres ausgebildet ist, welches ein abgerundetes unteres Ende aufweist, das abgedichtet ist, so daß der Jtützbauteil etwa wie ein längliches Reagenzrohr aussieht, daß ein Teilstück der zylindrischen -.and dieses iitützi>auteils perforiert ist und daß eine uurchlässige Auflage, wie beispielsweise poröses Filterpapier, um das perforierte Teilstüclc des Rohres vor den Absetzen bzw. Aufbringen der Scheidewand herumgewickelt wird.

8. Vorrichtung nach itnspruch 4, dcidurch gekennzeichnet, daß die ooheidewandstützrohre aus gebundenen Pa.pierfasern, gesinterten refraktären Teilchen, gesinterten thermoplastischen Teilchen oder adhäsiv gebundenen Teilchen hergestellt sind.

y. Vorrichtung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die otrömunr von Lösungsmittel radial nacn außen von den äiohron gerichtet ist.

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