DE1961163C - Osmose Membranglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Membranglied zur um- · ' gekehrten Osmose mit in einem druckfesten GehUu.se ' Angeordneten semipermeablen Membranen,

Wegen der weiter ansteigenden Probleme bezüglich der Wasserknappheit wurden beträchtliche Anftrengungen unternommen, um wirtschaftliche Verfahren und Vorrichtungen zum Entfernen von Salz aus Seewasser oder zum Reinigen von Brackwasser jtu entwickeln, Hier wurde der größte Erfolg mit Hilfe von Deslillationsverfahren oder -vorrichtungen oder ία mit Hilfe von Elektrodialyse-Verfahren und -Vömch- .' lungen erzielt. Jedoch besteht eine beträchtliche Hoff- · nung auch im Verfahren umgekehrter Osmose, um wirtschaftlich Trinkwasser herzustellen..

Um Salzwasser oder Brackwasser mit Hilfe von Umkehrosmose s\i reinigen, wird das verunreinigte Wasser in Berührung mit einer semipermeablen Membrane gebracht und einem Druck oberhalb des osmotischen Druckes des verunreinigten Wassers unter worfen. Bei normaler Konzentration von Salz in Seewasser liegt der osmotische Druck in der Größenordnung von 25 kg/cm². Einen Druckunterschied in der Größenordnung vor. ungefähr 70 kg/cm² zu schaffen, ist nicht ungewöhnlich, und demzufolge erfordert die Membrane eine wesentliche Stütze, um einem ?ρ Bruch unter solchen wesentlichen Drücken zu widerstehen.

Bislang wurde der gesamte bereich einer Membrane, ob flach oder rohrförmig, welche dem nicht reinen Wav-er unter Druck ausgesetzt wurde, mit Hilfe der Wand eines Druckkessels gestützt, weiche d:n vorhandenJn hohen Drücken widerstehen kann. In Abhängigkeit von der Ausbildung der Membrane kann eine solche Wand die Form einer Platte oder eines Rohres annehmen, aber in jedem Fall weist diese Wand ausreichende Dicke auf. Somit muß diese Reinigungsvorrichtung sperrig sein und erfordert die Verwendung einer großen Menge von Material, welches widerstandsfähig gegen hohe Drücke ist, um Druckkessehvände ausreichender Festigkeit zu schaffen. Demzufolge ist diese Reinigungsvorrichtung sehr tiMier.

Die F.rfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Membranglied zur umgekehrten Osmose mit in einem druckfesten Gehäuse angeordneten semipermeablen Membranen so auszubilden, daß die Kosten wesentlich gesenkt werden und See\,asser entsalzen und/ oder Brackwasser wirksam gereinigt werden kann, wobei die Größe der Einrichtung mit gegebener Kapazität reduziert und auch die Menge erforderlichen Materials herabgesetzt werden, welches beständig gegen hohe Drücke ist.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Mehrzahl in Kreise angeordneter rohrförmigcr Membranen von etwa tortcnförffligem Querschnitt, wobei die Längsseiten jeder Membran den Längsseiten der anderen Membranen benachbart sind unter Zwischen schallurtg eines dünnen, etwas starren porösen Blattes zur Ausbildung eines Strömungsweges für die gereinigte Flüssigkeit zu einem zentral angeordneten druck· festen Kern mit einer Millelbohrung, der mit Ausnehmungen versehen ist, welche die schmalen Stellen jedes Membrnnrolircs tragen, während deren Außenflächen von Ausnehmungen im druckfesten Gehäuse licu-jgun sind.

'/.wcckmäßig sind /wischen den Ausnehmungen Erhebungen mit kleinen Bohrungen vorgesehen, v.cIdie mit der Mittelbohrung in Verbindung stehen.

Die Vorrichtung kann üuch. sp ausgebildet sein, daß jede rohrförmig? Membrane mit einem porösen Blatt umschlossen ist,

Der wesentliche Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausbildung eines Membrangliedes besteht darin, daß durch Verwendung von zwei oder mehrerM sich berührenden Membranzellen letztere sich selbst stützen, wenn ein ausgeglichener Druck auf beide Zellen ausgeübt wird.

_s Um den Druckunterschied aufrechtzuerhalten, -'-velcher für die Umkehrosmose erforderlich .ist, ist eine sehr dünne Schicht aus porösem Material zwischen den Membranen von zwei nebeneinander angeordneten Zellen vorgesehen, und das durch die entsprechenden Membranen durchgehende reine Wasser tritt durch die Poren des porösen Materials, um anschließend gesammelt zu werden.

In einer beispielsweisen Ausführungsform ist eine Vielzahl von Membranzellen vorgesehen, und jede hat im Querschnitt im allgemeinen die Form einer Torte. Die Membranzellen sind in einem Kreis angeordnet, um eine zylindrische Ausbildung zu schaffen, und ein poröser Kern isi vorgesehen, um die schmalen Enden eines jeden Membranzellensegmentes /u stützen. Der poröse Kern weist eine zentrale öffnung auf, aus welche! gereinigtes Wasser zum Sammeln für anschließenden Gebrauch entnommen werden kann. Die Oberflächen der großen Enden der Mem branzellensegmcnte werden von irgendeinem geeigneten, nicht perforierten Material gestützt, welches beispielsweise durch Beschichten mit Fiberglas und Harz verstärkt werden kann. Als Ergebnis brauchen lediglich der Kern und die äußere Stütze so ausgebildet zu werden, damit sie den hohen .^nicken widerstehen, welchen normalerweise bei Umkehrosmose-Verfahren begegnet wird, wobei eine Abstützung für die Membranen auf der Seite eines jeden tortjnförmigen Segmentes durch das benachbarte tortenförmige Membranzellensegn.:nt vorgesehen ist, welches unter im allgemeinen dem gleichen Druck gehandhabt werden soll.

Die Erfordernisse bezüglich Zwischenraum und Material können auf ungefähr ¹Zs reduziert werden in bezug auf eine herkömmlich konstruierte Einrichtung für Umkehrosmose, welche die gleiche Fähigkeit zum 'Vasserreinigen aufweist

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. I einen Querschnitt eines Membrangliedes fiemiiß Erfindung,

F ι μ. 2 eine vergrößerte Tcilar.sidu des Membranplieilcs,

F ι g. 3 schematich das Membranglied 1 Reihenfluß,

F i g, 4 schematisch das Membranglied bei paratle* lern FIdB.

Ein Membranglied 10, welches im Querschnitt in F ί g. 1 gezeigt ist, weist ein äußeres Gehäuse 12 aus undurchlässigem Material auf.

Das äußere druckfeste Gehäuse 12 ist aus einem Material und weist eine Dicke auf, welche den normalen Arbeitsdrücken bei Umkehrosmose-Einheilen widersteht. Diese Arbeitsdrücke sind größer als der osmotische Druck der zu reinigenden Flüssigkeit oder bei Verwendung für Konzentralionszwecke größer als der osmotische Druck der Flüssigkeitsmischufig (einschließlich Lösung), welche m konzentrieren ist.

1 9 a 1 Si 6 3

Um das druckfest Gehäuse 12 zu versteifen, sjnd um seinen Umfang eine Anzahl von Fiberglassträngen |4 gewickelt, die mit irgendeinem geeigneten Harz imprägniert sind, um sie in Lage m halten, Die Fiberglas- und Haratechnikttfi sind wohlbekannt und brauchen nicht abgehandelt zu werden.

Die innere Oberfläche des Gehäuses 12 weist eine Anzahl von Ausnehmungen 16 auf, die eine im wesentlichen kreisförmige Ausbildung haben. Innerhalb des Membrangliedes 10 ist zentral ein Kern 20 ungeordnet, welcher von einer Dicke »nd aus einem Material ist, daß er den normalen Arbeitsdrücken bei Umkehrosmose-Verfahren standhält. So kann der Kern 20 Drücken widerstehen, welche größer als der osmotische Druck der zu behandelnden Flüssigkeit »ind.

Zentral innerhalb des druckfesten Kernes 20 ist eine Mittelbohrung 22 vorgesehen, welche als Sammelraum für die gereinigte Flüssigkeit oder für die Flüssigkeit dient, welche die Membranstrukturen durchdringen kann, wie nachfolgend erläutert ist, wenn die Vorrichtung für Konzentrationszwecke verwendet wird.

Der druckfeste Kern 20 weist auf seiner Außenfläche eine Anzahl von Ausnehmungen 24 auf, die im wesentlichen kreisförmig sind. Jede Ausnehmung ist mit Erhebungen 26 verbunden, wobei die kleinen Bohrungen 28 die Erhebungen 26 mit der Mittelbohrung 22 verbinden. Auch kann der druckfeste Kern 20 aus einem porösen Material sein, wobei in diesem Fall die kleinen Bohrungen 28 nicht nötig sind.

Die Zahl der Ausnehmungen 24 in dem Kern 20 und die Zahl der Erhebungen 26 in dem druckfesten Genäuse 12 sind gleich, und jede dient dazu, die entsprechen .'en Enden einer Membranzellenstruktur zu stützen.

Die Membranzellenstrukturen 30 weisen im wesentlichen einen tortenförmigen Querschnitt auf, wobei ihre kreisförmigen großen Enden je von einer entsprechenden Ausnehmung 16 in dem äußeren druckfesten Ck-häusc 12 aufgenommen und davon gestützt sind. Dabei werden die kreisförmigen, kleinen Enden von einer entsprechenden Ausnehmung 24 aufgenommen und getragen. Die Längsseiten einer jeden Membrane Iknstruktur 3U liegen im wesentlichen an den I cTig.sriien der benachbarten Membranzellenstruktur 30 an.

Jede Membranzellenstruktur weist ein dünnes porrses Blatt 32 auf, welches die benachbarten Längsseiten der benachbarten Membranzellenstruktur voneinander trennt und einen Strömungsweg für Wasser begrenzt, welches durch die Membran zu dem druckfesten Kern 20 dringt, wo es durch die Bohrungen 28 zu der Mtttrlhruhninp 22 /weeks Sammlung oder durch I l'"i· n cKs K n, ·. 2(1 umnit. wenn letzterer aUS pci" hi M.it, I.li Im tfcst.Hl isl

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i Die Mernbrnnwand 34 wird auf die Tnnemnttehe des dünnen porösen BI»ttes32 gegossen, welches die 'Form einer Röhre aufweist, und zwar mit Hilfe herkömmlicher Verfahren.

Bei einer Ausfülirungsform der Erfindung könne); das äußere druckfeste Gehäuse 12, der druckfeste Kern 20 und die Membnmzellenstrukturen 30 getrennt ausgebildet und durch geeignetes Orientieren des Kernes 20 bezüglich des Gehäuses 12 hergestellt

ίο werden, so daß die Membranzellenstruktur 30 zwischen den Kern 20 und dem Gehäuse 12 angeordnet werden kann. Bei Verwendung anderer Extrudierverfahren können der Kern 20 und das dünne Blatt30 aus einem porösen Material ,gleichzeitig mit dem Ex-

trudieren des undurchlässigen äußeren Gehäuses 12 extrujiert werden. In solchen Fällen kann nach Ausbildung des einheitlichen G'\des die Membranwand 34 auf die dünnen porösen Blätl rr 32 in der ähnlichen Weise, wie sie oben erwähnt ist, gegossen werden.

Es ergibt sich, daß mittels des dürnen porösen Blattes 32, das die filmähnliche Membrane umgibt, ein Strömungsweg um den gesamten Umfang der Membranwancl 34 geschaffen wird, so daß Wasser, welches dadurch diffundiert, zum Kern 20 strömen kann und in der Bohrung 22 gesammelt wird.

Weil in dem Ausführungsbeispiel jede Membranenzellenstruktur 30 mit einem dünnen, porösen Blatt 32 an jeder Zwischenfläche versehen ist, sind zwei Schichten des Blattes 32 vorhanden. Wenn jedoch die obenerwähnten F.xtrudierverfahren verwendet werden, braucht nur eine solche Schicht vorhanden zu sein. Die einzige Anforderung an das dünne poröse Blatt 32 besteht darin, daß es etwas starr sein muß, um die Installation zu unterstützen, da-» es porös ist, um den gewünschten Strömungsweg zu schaffen, und daß es derart ist, daß die Poren sich nicht schließen, wenn sie den Arbeitsdrücken einer Umkehrosmose-Einheit unterworfen werden. Die obenerwähnten Materialien, nämlich Papier und poröse Kunststoffe, erfüllen diese Forderungen. Wichtig ist auch eine sehr geringe Dicke für das dünne poröse Blatt 32. welche ein Bruchteil von 1 cm ist. Beispielsweise ist eine Wanddicke von ungefähr 0,4 mm zufriedenstellend.

Wenn im wesentlichen gleiche Drücke in jeder Membranzeüc 30 angewendet werden und deren Längsseite in Anlage mit der Längsseite der benachbarten Membrane ist, werden die relativ dünnen Wandt, weiche die Zellen unterteilen, im wesentlichen gleichen und gegenüberwirkenden Ausgleichskräften auf gegenüberliegenden Seiten unterworfen, so daß jede Neigung zum Bruch ausgeschaltet ist. Da die Mehrheit der Membranoberfläche einer jeden Zelle längs derer Längswänden liegt, welche in bekannten Vorrichtungen fine wesentliche Verstärkung erfordern würden, um den hohen auftretenden Drin. I n standzuhalten, wird wesentlich Material eingesp.ni welches erforderlich ist, um hohem Druck statv.l/n halten. In ähnlicher Weise ist die gesamte Memi 1 ■ nenstruklur IC von beträchtlich geringeier Gröl.'., ><

6a entsprechende bekannte Vorrichtungen und V 1 unter den gleichen Bedingungen arbeiten, um die , u> Menge gereinigter Flüssigkeit innerhalb einer r
bcnen Zeit /u erzeugen. Weiterhin ist die AusbiMnn des Mcmbrangliedcs so, daß es leicht jedem gew 11 > 1 ten Strömungsweg angepaßt werden kann Im F i g. I ist schcmatisch gezeigt, wie das Membr.u I IC verwende! werden kann, um einen Reilvi
mungsweg /u schaffen. Die Enden des Membran

des IO sind durch Kappen 40 Und 42 abgeschlossen, die je eine Vielzahl von Umkehfkanälen 44 aufweisen, um die Flüssigkeit, welche durch die Mernbranzelle strömt, in eine gegenüberliegende; Richtung zu der benachbarten Membfanzeile zu leiten;

Die 1 ndkappen 40 und 42 können an dem Mehv branglied 10 mit Hilfe jeder zweckmäßigen Einrichtung befestigt werden, und die Kanäle 44 können mit den entsprechenden Mernbranzellen 30 abgedichtet werden.

Zu/üplich weis! die Endkappe 40 einen Kanal 46 auf. welcher mit der Bohrung 22 in dem Kern in Verbindung sv ht, so daß die die Membranen 34 durchdringende Flüssigkeit zu einem Verwendungspunkt geführt werden kann. In ähnlicher Weise schließt die Endkappe 42 einen ersten Kanal 48 ein, welcher mit einer der Membranzellen 30 in Verbindung steht und durc.i welchen die Eingangsflüssigkeit zugeführt werden kann. Schließlich ist ein zweiter Kanal 50 an der Endkappe 42 vorgesehen, aus welchem die konzentrierte Flüssigkeit abgezogen werden kann.

In Fig. 4 ist eine andere Anordnung gezeigt, wobei das Membranglied 10 bei parallelem Strom der Flüssigkeit verwendet werden kann. Wiederum sind die Fnden des Membrangliedes 10 durch Endkappen 52 und 54 abgedichtet, wobei die Kappe 52 eine Anzahl miteinander verbundener Kanäle 56 aufweist, die mit einem Ende jeder Membranzellc 30 in Verbindung stehen. Ein Kanal 58 verbindet die Kanäle 56, so daß die konzentrierte Flüssigkeit abgezogen werden kann. Schließlich ist die Endkappe 52 mit einem Auslaßkanal 60 versehen, aus welchem die Flüssigkeit gesammelt werden kann, welche durch die Membranen strömt.

Die Endkappe 54 weist einen Kanaleinlaß 62 auf, in welchem die Flüssigkeit eingeführt werden kann. Dieser Kanal ist in eine Vielzahl von miteinander in Verbindung stehenden Kanälen 64 unterteilt, die mit dem anderen Ende einer jeden Mefnbranzelle 30 in

Verbindung stehen.

Das Mefnbranglied 10 gemäß Erfindung kann sö^

Wohl bei Reihenstronv· als auch Pafallelstfomvorrich^ tungen verwendet werden. Natürlich kann ein

einziges Mcmbranglied iö sowohl bei Reihen- als auch Parallclströmungswcgen verwendet werden.

Zweckmäßige Abänderungen der Kanäle innerhalb der Endkappen können von dem Fachmann vorgenommen werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Osmose-Membranplied zur umgekehrten Osmose mit in einem druckfesten Gehäuse ange-

ordneten semipermeablen Membranen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl in Kreise angeordneter rohrförmiger Membranen (34) von etwa tortenförmigem Querschnitt, wobei die Längsseiten jeder Membran den Längs-

ao sehen der anderen Membranen benachbart sind unter Zwischenschaltung eines dünnen, etwas starren porösen Blattes (32) zur Ausbildung eines Ström\-ngsweges für die gereinigte Flüssigkeit zu einem zentral angeordneten druckfesten Kern (20) mit einer Mittelbohrung (22), der mit Ausnehmungen (24) versehen ist, welche die schmalen Stellen jedes Membranrohres (34) tragen, während deren Außenflächen von Ausnehmungen (16) im druckfeslen Gehäuse (12) getragen sind.

2. Membranglied zur umgekehrten Osmose

nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen den Ausnehmungen (24) angeordnete Erhebungen (26) mit kleinen Bohrungen (28), die mit der Mittelbohrung (22) in Verbindung stehen.

3. Membranglied zur umgekehrten Osmose

nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede rohrfcrmige Membran (34) von einem porösen Blatt (32) umschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen