DE19624176A1 - Filterplatte - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Filterplatte aus zumindest drei zu einem
Laminat vereinten Keramikschichten, die zu einem homogenen Block
versintert sind, wobei die Mittelschicht als Drainageschicht und die
Deckschichten als Filterschichten ausgebildet sind.
Eine solche Filterplatte ist aus der DE PS 43 30 163 bekannt. Die die
Mittelschicht bildende Drainageschicht wird bei der Herstellung dieser
Filterplatte durch einen Stanzprozeß aus einer Grünfolie gewonnen,
bei dem schneidende Werkzeuge zur Anwendung gelangen. Bedingt
durch die große Härte der die Grünfolie bildenden Partikel, es handelt
sich zumeist um Aluminiumoxid, ist der Verschleiß der dabei zur
Anwendung gelangenden Werkzeuge äußerst hoch. Auch ist die
Abstützung der Deckschichten durch die Mittelschicht unzureichend
ausgeglichen, was bei höheren Differenzdrücken während des
Filtrationsprozesses dazu führen kann, daß sich in den Deckschichten
Risse ergeben. In zahlreichen Anwendungen ist das nicht tollerierbar.
Die Filterplatten können daher häufig nur mit geringeren Differenz
drücken betrieben werden, was eine Beeinträchtigung der Filter
leistung bedingt. Außerdem ist die zentrische Zuordnung der mit
Ausstanzungen versehenen Mittelschicht zu einer gegebenenfalls
zentral angeordneten Abflußöffnung schwierig zu gewährleisten. Bei
verwendungsbedingten, hohen Rotationsgeschwindigkeiten der
Filterplatte können dadurch schwierig zu beherrschende Unwucht
erscheinungen resultieren. Die große Schrumpfung während des
Sinterprozesses macht es außerdem sehr schwierig, die Maßhaltigkeit
des fertigen Produkts zu kontrollieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Filterplatte
derart weiter zu entwickeln, daß sich bei vereinfachter Herstellbarkeit
eine gleichmäßigere Abstützung der Deckschichten ergibt sowie eine
wesentlich verbesserte Rotationssymmetrie in bezug auf rotierende
Verwendungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Filterplatte der
eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die
Unteransprüche bezug.
Bei der erfindungsgemäßen Filterplatte ist es vorgesehen, daß die die
Mittelschicht bildende Keramikschicht sich von den die Deckschichten
bildenden Keramikschichten des Laminats durch eine gröbere
Porenstruktur unterscheidet. Die Mittelschicht wirkt dadurch
drainierend, ohne daß es der Anbringung von Drainageöffnungen
mittels schneidender Werkzeuge bedarf. Trotz der sich dadurch
ergebenden, vereinfachten Herstellbarkeit der Filterplatte wird eine
wesentlich vergleichmäßigte Abstützung der Deckschichten durch die
Mittelschicht erreicht. Es wird angenommen, daß die bessere
Maßhaltigkeit ebenfalls hierauf zurückzuführen ist.
Das Laminat kann durch unabhängig voneinander erzeugte und vor
der Versinterung zusammenlaminierte, kontinuierliche Grünfolien
gebildet sein. Die Grünfolien haben in allen Teilbereichen eine im
wesentlichen übereinstimmende Dichte und Tragfähigkeit. Die
Abstützung der Deckschichten durch die Kernschicht ist dement
sprechend in allen Teilbereichen ausgeglichen.
Die Zusammensetzung und Struktur der einzelnen Grünfolien kann an
die sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung ergebenden
Erfordernisse sehr leicht angepaßt und gegebenenfalls optimiert wer
den. Die gebrauchsfertige Filterplatte bildet dennoch einen homoge
nen Werkstoffblock, der sich durch eine große Widerstandsfähigkeit
in mechanischer, chemischer und thermischer Hinsicht auszeichnet.
Die Mittelschicht kann eine von den Deckschichten in Richtung ihrer
Mitte zunehmend gröbere Porenstruktur haben. Neben einer
Vergleichmäßigung Abstützung der Deckschichten wird hierdurch eine
verbesserte Dränierung erreicht.
Das gleiche Ziel läßt sich mit verminderten Kosten erreichen, wenn
die Mittelschicht mehrere Teilschichten enthält, die eine von den
Deckschichten in Richtung der Mitte zunehmend gröbere Porenstruk
tur haben, d. h. eine von der Mitte in Richtung der Deckschichten
abgestuft feinere Porenstruktur. Zumeist recht es aus, wenn die
Mittelschicht aus drei Teilschichten besteht. Unter Verwendung einer
Mittelschichtaus maximal 5 Teilschichten werden optimale Ergebnisse
erzielt.
Die Mittelschicht soll zumindest für Anwendungen im Bereich der
Umkehrosmose im mittleren Bereich einen Porendurchmesser von
wenigstens 0,1 µm und höchstens 2,0 µm haben, vorzugsweise von
wenigstens 0,06 µm und höchstens 1,0 µm, um eine ausreichende
Dränierung bei ausgeglichener Abstützung der Deckschichten zu
gewährleisten. Es wurde gefunden, daß sich bei Einhaltung dieses
Bereichs unerwünschte Ablagerungen im Inneren der Porenstruktur
der Mittelschicht weitgehend vermeiden lassen.
Die Deckschichten ihrerseits sollen für eine Anwendung auf dem
Gebiet der Umkehrosmose zumindest im Bereich ihrer Anstömfläche
einen Porendurchmesser von maximal 0,1 nm haben. Sie eignet sich
dadurch besonders gut selbst für qualitativ hochwertige Filtrationspro
zesse sowie für die Abstützung von eine Filtration bewirkenden
Membranen aus Sekundärstoffen.
Die zentrale Aufgabe der Mittelschicht besteht neben der Dränierung
und Abstützung der Deckschichten auch darin, der Filterplatte die in
mechanischer Hinsicht erforderliche, mechanische Widerstandsfähig
keit zu geben. Hierzu kann es erforderlich sein, die Dicke verhältnis
mäßig groß zu bemessen.
Für die meisten Anwendungen hat es sich als vorteilhaft bewährt,
wenn die Mittelschicht eine Dicke hat, die 2 bis 20 mal so groß ist
wie die Dicke der Deckschicht.
Die äußere Form der Filterplatte kann in Anlehnung an bekannte
Vorbilder beliebig gestaltet sein und zur Anwendung gelangen. Als
vorteilhaft hat es sich bewährt, wenn das Laminat von einer zentralen
Abflußöffnung durchdrungen und im Umfangsbereich mit einer
Abdichtung versehen ist. Letztere kann aus einer im flüssigen Zustand
aufgebrachten und nachträglich verfestigten Masse bestehen,
beispielsweise einer Masse, die aus dem die Deckschichten bildenden
Werkstoff besteht und noch vor deren gemeinsamer Versinterung auf
den Randbereich der zusammenlaminierten Grünfolien aufgetragen ist.
Die Abdichtung bildet bei einer solchen Ausführung einen
einstückigen Bestandteil der gebrauchsfertigen Filterplatte. Da sie
homogen mit dem die Deckschichten bildenden Werkstoffblock
ausgebildet und zumindest in der Porenstruktur der Mittelschicht fest
verankert ist, ergibt sich eine gute Festlegung. Die mechanische,
thermische und chemische Beständigkeit ist mit derjenigen der
Deckschichten identisch. Für eine universelle Verwendbarkeit der
Filterplatte ist das von großem Vorteil. Außerdem ergibt sich eine
gewisse Vergrößerung der aktiv zu Verfügung stehenden Filterfläche.
Die Filterplatte kann ruhend oder relativ beweglich, beispielsweise
rotierend, zu Anwendung gelangen. Die Abführung des Filtrats aus
der Porenstruktur der Mittelschicht kann über deren Randbereich
erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, in dem Laminat eine zentrale
Abflußöffnung anzubringen, welche es in seiner Gesamtheit
durchdringt, und den Umfangsbereich mit einer Abdichtung zu
versehen. Die Abführung des Filtrats erfolgt bei einer solchen
Ausführung über die Abflußöffnung. Es können auch mehrere derartig
ausgebildete Abflußöffnungen vorgesehen und musterartig über die
Fläche verteilt sein.
Die Filterplatte kann einzeln oder ergänzt mit anderen Filterplatten
gleicher oder abweichender Ausführung vereint zu Anwendung
gelangen und beispielsweise mittels einer oder mehrerer
Abflußöffnungen auf ein bzw. mehrere Rohre aufgefädelt sein, wobei
die Porenstruktur der einer bzw. einer jeden Mittelschicht mit dem
Innenraum eines Rohres in eine strömungsleitende Verbindung
bringbar ist. In Abhängigkeit von der Länge des Rohres lassen sich
auf diese Weise nahezu beliebig große Filterflächen auf kleinem Raum
realisieren. Desweiteren besteht die Möglichkeit, die auf ein Rohr
aufgefädelten Filterplatten mittels des Rohres in eine um dessen
Achse rotierende Bewegung zu versetzen um die Entstehung
festhaftender Anbackungen auf den Deckschichten während der
bestimmungsgemäßen Verwendung zu verhindern. Über
verhältnismäßig lange Zeiträume läßt sich hierdurch eine
verhältnismäßig gleichmäßige Filterleistung realisieren. Zweckmäßig
wird das Laminat für derartige Anwendungsfälle auf der Außenseite
durch eine Umfangsfläche begrenzt, die die Achse der Abflußöffnung
konzentrisch umschließt.
Das Laminat wird zweckmäßig beiderseits durch sich parallel zu
einander erstreckende Deckschichten begrenzt. Da es in
verformbarem Zustand aus der Kernschicht und den beiden
Deckschichten erzeugt wird, besteht desweiteren die Möglichkeit, es
in zumindest einem Tierreich mit einer durch einen Tiefziehprozeß
erhältlichen Wellstruktur zu versehen und auf diese Weise die aktiv
zur Verfügung stehende Filterfläche weiter zu vergrößern. Wenn die
Wellstruktur spiralig ausgebildet ist ergibt sich bei rotierender
Bewegung in einer zu filtrierenden Flüssigkeit zusätzlich eine
Pumpwirkung in radialer Richtung. Die Gefahr der Anlagerung von die
Porenstruktur blockierenden Partikeln und Schichten wird dadurch
weiter vermindert.
Die erfindungsgemäße Filterplatte läßt sich in der Flüssigkeits- und
Gasfiltration verwenden, im cross-flow und dead-end Betrieb sowie
bei Filterprozessen, dies sich der Ausnutzung chemischer und/oder
biologischer Reaktionen bedienen, beispielsweise der Mikro-, Ultra-,
Nano-, und Hyperfiltration, Pervaporation, Pertraktion und Dialyse. Die
Filterplatte läßt sich in einfach und in besonders großer Maßhaltigkeit
erzeugen und infolge ihrer großen mechanischen Widerstandsfähigkeit
bei einer rotationssymmetrischen Ausbildung in eine besonders
schnelle Drehbewegung versetzen. Die Gefahr der Entstehung von
Anbackungen auf den Anströmseiten ist dadurch deutlich verringert.
Die Druckfestigkeit ist nahezu unbegrenzt. Die Filtrationsprozesse
können dadurch bei sehr großen Differenzdrücken durchgeführt
werden, was der Filterplatte in Verbindung mit den übrigen
Eigenschaften völlig neue Anwendungsgebiete erschießt.
Die Dicke einer jeden Filterplatte beträgt im allgemeinen nur ca. 0,8
bis 2 mm. Gelangen mehrere derartige Filterplatten in einem
Plattenstapel gemeinsam zur Anwendung, dann kann der gegenseitige
Abstand reduziert sein bis auf Werte von 0,5 bis 2 mm. Auf engstem
Raum lassen sich so Filterflächen von erheblicher Größe unterbringen.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnung weiter verdeutlicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine Filterplatte in längsgeschnittener Darstellung
Fig. 2 die Filterplatte gemäß Fig. 1 in einer Ansicht von oben
Fig. 3 und 4 eine abweichend ausgebildete Filterplatte in
längsgeschnittener Darstellung und in einer Ansicht von oben
Fig. 5 mehrere zu einem Plattenstapel vereinte Filterplatten nach den
Fig. 1 und 2
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Filterplatte besteht aus fünf zu einem
Laminat 1 vereinten Keramikschichten 3.1, 3.2, 2, 4, die zu einem
homogenen Block versintert sind. Die Mittelschicht, die drei Schichten
3.2, 3.1, 3.2 umfaßt ist als Drainageschicht ausgebildet mit einer in
Richtung der Mitte zunehmend gröberen Porenstruktur, die beiden
Deckschichten 2,4 sind als Filterschichten 2, 4 ausgebildet. Sie haben
eine extrem feine Porenstruktur. Die in der Mittelschicht vereinten
Keramikschichten 3.2, 3.1, 3.2 unterscheiden sich von den die
Deckschichten 2, 4 bildenden Keramikschichten des Laminats 1
außerdem durch eine größere Dicke. Der Porendurchmesser beträgt
im Bereich der zentralen Schicht 3.1 etwa 15 µm, derjenige der daran
in Richtung der Deckschichten angrenzenden Teilschichten etwa
0,08 bis 0,09 µm bei einem Porendurchmeser der Deckschichten von
weniger als 0,1 nm. Die Deckschichten 2, 4 haben eine Dicke D3 von
jeweils etwa 0,2 mm bei einer Dicke D1 der Teilschicht 3.1 von etwa
1 mm und einer Dicke D2 der Teilschichten 3.2 von etwa 0,6 mm. In
senkrechter Richtung ist die Filterplatte symmetrisch geschichtet.
Die Filterplatte ist rotationssymmetrisch gestaltet und zentral von
einer Abflußöffnung 5 senkrecht durchdrungen. Im Bereich der
äußeren, zylindrisch ausgebildeten Umfangsfläche ist eine in flüssigem
Zustand angebrachte Abdichtung 6 vorgesehen. Diese besteht aus
dem die Deckschichten 2, 4 bildenden Werkstoff. Sie wird vor dem
unter Anwendung von Druck und Wärme durchgeführten
Sinterprozeß auf die miteinander vereinten Keramikschichten 2, 4 in
flüssigem Zustand auf deren Randbereich aufgetragen, wobei sich
eine Penetrierung in die äußere Porenstruktur ergibt. Sie verankert
sich dadurch fest in der äußeren Porenstruktur der die Mittelschicht 3
bildenden Teilschichten 3.1 und 3.2. Die radiale Schichtstärke der
Abdichtung 6 kann etwa mit der axialen Schichtstärke D3 der
Deckschichten 2, 4 übereinstimmen. Nach dem Versinterungsprozeß
bilden die Keramikschichten 2, 4 und die Abdichtung 6 einen
einstückig ineinander übergehenden Keramikblock von großer
mechanischer Beständigkeit und großer Formtreue. Eine Verwendung
in einem schnell laufenden Rotationsfilter ist problemlos möglich.
Fig. 5 zeigt eine Anwendung, bei der mehrere Filterplatten der
vorstehend beschriebenen Art unter Zwischenfügung von Dichtringen
9 aus PTFE auf ein Rohr 7 aufgefädelt und zwischen stirnseitigen
Flanschen 10 miteinander und mit den Dichtringen verpreßt sind. Die
Porenstruktur der Mittelschicht einer jeden Filterplatte und der
Innenraum 7.2 des Rohres 7 sind durch radiale Bohrungen 7.1 des
Rohres 7 strömungsleitend verbunden. In den Innenraum 7.2 des
Rohres 7 gelangendes Filtrat kann dadurch nach außen abgeführt
werden.
Der in Fig. 5 gezeigte Plattenstapel gelangt normalerweise in einem
von dem zu filtrierenden Medium vollkommen überflutetem Zustand
zur Anwendung. Er kann dabei mittels des Rohres 7 in eine
Rotationsbewegung um seine Achse versetzt werden, um eine
Entstehung von Anbackungen auf den Anströmflächen der
Deckschichten 2, 4 zu verhindern.
Die in den Fig. 3 und 4 in längsgeschnittener und in der Draufsicht
wiedergegebene Filterplatte unterscheidet sich von der in den Fig. 1
und 2 gezeigten Ausführung dadurch, daß das Laminat in einem
Teilbereich mit einer durch einen Tiefziehprozeß erhältlichen
Wellstruktur versehen ist. Die Deckschichten erstrecken sich dabei
weiterhin parallel zu einander. Bedingt durch die Inkompressibilität des
die Keramikschichten bildenden Werkstoffes, es handelt sich
beispielsweise um Aluminiumoxid, erfährt die Porenstruktur
hinsichtlich der Porenradien keine nennenswerte Veränderung.
Die Filterplatte kann ähnlich wie diejenige nach den Fig. 1 und 2 zur
Anwendung gelangen und beispielsweise mit mehreren, ähnlich
ausgebildeten Filterplatten in einem Plattenstapel vereint sein. Im
vorliegenden Fall ist die Wellstruktur 8 spiralig ausgebildet. Wird eine
solche Platte oder ein solcher Plattenstapel in eine
Rotationsbewegung versetzt, dann resultiert eine radiale
Pumpwirkung im Bereich der Deckschichten, die die Entstehung von
festhaftenden Anbackungen besonders zuverlässig verhindert.
Abweichend von der dargestellten, spiraligen Ausbildung der
Wellstruktur nach den Fig. 3 und 4 ist es selbstverständlich ebenfalls
möglich, die Wellstruktur gegebenenfalls konzentrisch zu gestalten
oder in radialer Richtung orientiert.
Claims (16)
1. Filterplatte aus wenigstens drei zu einem Laminat (1) vereinten
Keramikschichten (2, 3, 4), die zu einem homogenen Block
versintert sind, wobei die zentral angeordnete Mittelschicht (3)
als Drainageschicht und die außenliegenden Deckschichten
(2, 4) als Filterschichten ausgebildet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die die Mittelschicht (3) bildende
Keramikschicht sich von den die Deckschichten (2, 4) bildenden
Keramikschichten des Laminats (1) durch eine gröbere
Porenstruktur unterscheidet.
2. Filterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Laminat (1) durch unabhängig voneinander erzeugte und
vor der Versinterung zusammenlaminierte Grünfolien gebildet
ist.
3. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittelschicht (3) eine von den
Deckschichten (2, 4) in Richtung der Mittelschicht (3)
zunehmend gröbere Porenstruktur hat.
4. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittelschicht (3) mehrere Teilschichten
(3.1, 3.2) enthält, die eine von der Mitte in Richtung der
Deckschichten (2, 4) abgestuft feinere Porenstruktur haben.
5. Filterplatte nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittelschicht (3) aus drei Teilschichten (3.1, 3.2) besteht.
6. Filterplatte nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittelschicht (3) aus fünf Teilschichten besteht.
7. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittelschicht (3) zumindest im
mittleren Bereich einen Porendurchmesser von wenigstens 0,06
µm und höchstens von 20 µm hat.
8. Filterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittelschicht (3) zumindest im mittleren Bereich einen
Porendurchmesser wenigstens 0,1 µm und höchstens 1,0 µm
hat.
9. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Deckschichten (2, 4) zumindest im
Bereich der Anströmfläche einen Porendurchmesser von
maximal 0,1 nm haben.
10. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Laminat (1) von einer zentralen
Abflußöffnung (5) durchdrungen und im Umfangsbereich mit
einer Abdichtung (6) versehen ist.
11. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abdichtung (6) aus einer in flüssigem
Zustand aufgebrachten und nachträglich verfestigten Masse
besteht.
12. Filterplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Masse aus dem die Deckschichten (2, 4) bildenden
Werkstoff besteht.
13. Filterplatte nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Laminat (1) mittels der Abflußöffnung
(5) auf ein Rohr (7) auffädelbar ist und daß die Porenstruktur
der Mittelschicht (3) und der Innenraum des Rohrs (7)
miteinander in eine strömungsleitende Verbindung bringbar
sind.
14. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Laminat beiderseits durch sich parallel
zueinander erstreckende Deckschichten (2, 4) begrenzt ist.
15. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Laminat (1) zumindest in einem
Teilbereich mit einer durch einen Tiefziehprozeß erhältlichen
Wellstruktur (8) versehen ist.
16. Filterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wellstruktur (8) spiralig ausgebildet
ist.
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