DE19510437A1 - Membran zur Mikro- oder Ultrafiltration von Suspensionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran zur Mikro- oder Ultrafil­ tration von Suspensionen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1. Des weiteren betrifft die Erfindung nach Patentanspruch 7 ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Membran.

Ein Großteil der herkömmlichen Verfahren und Filtervorrichtungen zur Mikro- und Ultrafiltration von Partikeln aus Suspensionen erfolgen unter Verwendung von Polymer- oder Keramik-Membranen. Diese Membranen sind so aufgebaut, daß ein grobporiger Membran­ stützkörper eine sehr feinporige, filterwirksame Trennschicht stützt und diese somit vor dem Aufbrechen oder Aufreißen schützt.

Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, auf den Membranstützkörper mehrere Schichten unterschiedlicher Filter­ feinheit auf zutragen, um zu einer möglichst dünnen filterwirk­ samen Schicht zu gelangen. Auf dem Membranstützkörper befindet sich in diesem Fall eine Schicht mit Makroporen, auf dieser eine Schicht mit Mikroporen, erst dann folgt eine sehr dünne Schicht mit Ultra- oder Nanoporen. Ein zu tiefes Eindringen der filter­ wirksamen Schicht in den Membranstützkörper und damit ein Ver­ lust an Filterleistung wird somit vermieden.

Nachteilig bei diesen Membranen sind chemische und physikalische Ablagerungen, die nur teilweise durch Rückspülung beseitigt werden können, weil sie irreversibel mit der Membranoberfläche verbunden sind. Rückspülprozesse können nicht zur vollen Wirkung kommen, weil die Poren teilweise hinterschnitten sind und folg­ lich der mit Flüssigkeit oder Gas ausgeübte Rückspülstoß die zu entfernenden Partikel eher noch fester mit der Membran verbin­ det.

Zwar lassen sich die unerwünschten Fremdstoffe durch Reinigungs­ mittel zum Teil wieder auflösen und auswaschen. Die jeweils vorhergehende Filterleistung wird jedoch nicht mehr erreicht. Mit der Zeit nimmt die Leistung so stark ab, daß sich der Wei­ terbetrieb der Membran nicht lohnt und ein Ersatz durch eine neue Membran erfolgen muß. Bei hoch belasteten, höherviskosen, schleimigen und fettigen Substanzen oder bei Suspensionen, in denen sich Partikel befinden, die von den Membranporen leicht aufgenommen werden, kann sich die Standzeit der Polymer- oder Keramik-Membranen auf wenige Stunden verkürzen.

Da die meisten Membranen mit hoher Querstromgeschwindigkeit (3-15 m/sec.) betrieben werden, können zudem scharfkantige, harte Feststoffpartikel im Feed leicht die dünne äußere Membranschicht beschädigen.

Aus der DE 40 22 738 A1 ist ferner eine rohrförmige Membran bekannt, die zum Beispiel aus gewickeltem Draht hergestellt ist, zwischen deren Windungen filterwirksames Material in teilweise extrem feiner Körnung durch Anschwemmung lose eingelagert wird. Diese Membran kann jedoch nur kurzzeitig im Querstrom-Verfahren betrieben werden, weil vor allem bei höherer Querstrom-Geschwin­ digkeiten die filterwirksame Deckschicht bald abgetragen und ausgeschwemmt wird. Zwar besteht hier der Vorteil, daß die ange­ schwemmte Schicht zusammen mit der Deckschicht aus abgetrenntem Material sehr einfach durch Rückspülung abgehoben und anschlie­ ßend ausgeblasen werden kann. Bei hoch kontaminierten Suspensio­ nen muß dieser Vorgang allerdings kurzzeitig wiederholt werden. Es entsteht zum einen ein hoher Verbrauch an filterwirksamem Material, zum anderen geht durch die häufigen Rückspülpulse Filtrationszeit und somit Leistung verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membran sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Membran zu schaffen, die, ausgehend von der DE 40 22 738 A1 den Verbrauch von Filter­ material sowie die Anzahl der Rückspülungen vermindern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patent­ ansprüchen 1 und 7.

Die Erfindung erlaubt es, die Partikel des Filtermaterials ei­ nerseits durch ihre Verbindung miteinander und/oder mit dem Mem­ branstützkörper während der Filterphase festzuhalten, anderer­ seits ihre Verbindung gezielt durch einen Rückspülstoß zu lösen. Die Membran kann dann mit neuen Partikeln zur Bildung der Fil­ terschicht versehen werden. Damit wird die notwendige Menge des Filtermaterials verringert. Auch wird die Anzahl der Rückspülun­ gen reduziert. Dabei kann die Membran bei jedem üblichen Filter­ verfahren verwendet werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt einer rohrförmigen Membran und

Fig. 2 eine starke Vergrößerung der Filtermateralien.

Die in Fig. 1 gezeigte Membran 1 besitzt z. B. einen rohrförmi­ gen Membranstützkörper 2, der aus Draht 3 gewickelt ist. Der Windungsabstand des Drahtes 3 beträgt mindestens fünf µm. In diese rohrförmige Membran 1 wird Filtermaterial 4 geschwemmt, dessen Korngröße über dem Windungsabstand des Drahtes 3 liegt. Die Einschwemmung erfolgt zusammen mit einem Vernetzungsmittel, das an reaktionsfähigen Stellen des Filtermaterials 4 in der Lage ist, die Partikel 5 des Filtermaterials 4 zu verbinden, ohne die Zwischenräume zwischen den einzelnen Partikeln 5 aus zu­ füllen.

Das Filtermaterial 4 kann z. B. aus Kieselguren oder -gelen, aus Cellulose, Glaskörpern, Adsorbentien oder anderen organischen und nichtorganischen Materialien bestehen.

Die Fig. 2 zeigt vernetztes Filtermaterial 4 aus Glaskörpern, die der Feststoff-, Flüssig- oder Feststoff-Gas-Trennung dienen. Die Vernetzung erfolgt in der Regel intermolekular über Neben­ valenzbindungen.

Sie kann aber auch durch die Auswahl geeigneter Materialien er­ folgen, die sich ohne weitere Hilfsmittel so verknüpfen, daß eine Verbindungswirkung entsteht. Geeignet hierfür sind z. B. Cellulosen unterschiedlicher Faserlänge.

Aufgabe der Vernetzung bzw. Verbindung ist es unter Aufrechter­ haltung ausreichender Transparenz, die Partikel 5 so miteinander zu verbinden, daß sie die Belastung der Querstromfiltration aushält, ohne daß Partikel 5 mitgerissen werden. Bei Ausübung eines Rückspülstoßes mit ausreichend hohem Druck aber zerreißt die Verbindung, so daß die Partikel 5 aus der Membran 1 ausge­ blasen oder ausgeschwemmt werden können.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Vernetzungs- bzw. Verbindungsmittel in Aerosolsform als Nebel zusammen mit den festen Partikeln 5 (als Staub) in die siebartige Stützstruktur der Membran 1 geblasen werden.

Des weiteren können elektrisch entgegengesetzt zu den Partikeln 5 geladene Aersosole gemeinsam mit den Partikeln 5 eingeblasen werden. So kann eine ausreichend feste Verbindung der Partikel 5 erreicht werden.

Eine weitere Ausführungsform sieht die Einführung von Monomeren vor, die in geeigneter Schichtstärke und Struktur innerhalb der rohrförmigen Membran 1 auf den porösen Membranstützkörper 2 polymerisiert oder polykondensiert werden. Für Fälle, in denen Metallionen aus der zu filternden Flüssigkeit eliminiert werden sollen, können in das Polymer chelatbildende Gruppen zur selek­ tiven Bindung dieser Ionen eingebaut werden.

In Fällen, in denen eine Querstrom-Filtration gegenüber einer Deadend-Filtration keine Vorteile bringt (z. B. Feststoff-Gas- Trennungen oder Feststoff-Flüssig-Trennungen harter Partikel, die ihrerseits eine filterwirksame Deckschicht bilden können) soll die vernetzte Membran 1 im Deadend-Verfahren betrieben wer­ den. Dies kann so lange erfolgen, bis die Deckschicht nicht mehr ausreichend filterwirksam ist. Erst dann wird das Retentat - zusammen mit dem Filtermaterial 4 - ausgeblasen oder ausge­ schwemmt.

Bei einigen Anwendungen sind nicht dargestellte flache Membrane im praktischen Einsatz günstiger als rohrförmige Membrane 1. Dies trifft insbesondere auf Fälle zu, in denen Bestandteile des Retentats einen Wertstoff bilden, der bereits auf der Membran­ oberfläche beobachtet werden soll (z. B. Mikroorganismen). In diesen Fällen erfolgt die Anlagerung und Vernetzung der Fein­ trennschicht auf grobporigen, flächigen Membranstützkörpern, zwischen denen das zu trennende Material im Deadend-Verfahren behandelt wird. Alternativ ist auch hier, ebenso wie bei Rohr­ membranen 1, eine Hindurchleitung des Feed zwischen den Membra­ nen tangential im Querstrom möglich.

Claims (10)

1. Membran zur Mikro- oder Ultrafiltration von Suspensionen oder Gasen, welche einen grobporigen Membranstützkörper besitzt, wobei an den groben Poren des Membranstützkörpers Partikel eines Filtermaterials angelagert sind, die durch einen Rück­ spülstrom entfernbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Querstromfiltration die Partikel (5) des Filtermate­ rials (4) miteinander, miteinander und mit dem Membranstütz­ körper (2) oder mit dem Membranstützkörper (2) verbunden sind, die Verbindung aber durch den Rückspülstrom lösbar ist.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das filterwirksame Filtermaterial (4) aus organischen oder anorganischen Partikeln (5) besteht, die durch Vernet­ zungsstoffe miteinander verbunden sind oder sich durch ihre Eigenschaften selbst verknüpfen.

3. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (4) durch polymerisationsfähiges Mate­ rial gebildet ist.

4. Membran nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (4) in einer oder mehreren Schichten mit unterschiedlich großen Partikeln (5) an die groben Poren des Membranstützkörpers (2) angelagert ist.

5. Membran nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Membranstützkörper ein rohrförmiger Körper oder ein flächiger Körper verwendet ist, an dessen Flächen die Parti­ kel des Filtermaterials (4) angelagert sind, und zwischen denen das Feed im Deadend-Verfahren oder im Querstrom-Ver­ fahren gefiltert wird.

6. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Partikel (5) miteinander oder mit dem Membranstützkörper (2) durch einen erhöhten Druck des Rück­ spülstroms lösbar ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Membran nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Partikel (3) miteinander oder mit dem Membranstützkörper (2) so erfolgt, daß der Filtrationsvorgang im Querstrom auch mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden kann, ohne das Filtermaterial (4) abzureißen, die Bindefähig­ keit an den Membranstützkörper (2) und/oder innerhalb des Filtermaterials (4) aber so gering ist, daß das kontaminierte Filtermaterial bei Bedarf durch Rückspülung zerstört und aus dem rohrförmigen Membranstützkörper (2) ausgeblasen oder mit flüssigem Rückspülmedium ausgespült werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (4) zusammen mit dem Vernetzungsmittel in den rohrförmigen Membranstützkörper als Flüssigkeit oder Nebel eingebracht und dort angelagert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Vernetzungsmittel verwendet werden, die die Transparenz des Filtermaterials (4) nicht nennenswert vermindern, aber die erforderliche Vernetzungsstabilität gewährleisten.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in das Polymer chelatbildende Gruppen zur selektiven Bindung von Metallionen eingebaut werden.