DE19882069B4 - Voraussage logarithmischer Reduktionswerte - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Voraussage logarithmischer Reduktionswerte in einem Filtrationssystem und auf die Verwendung solcher Werte zur Steuerung und Überwachung eines Betriebsfiltrationssystems.
- Technischer Hintergrund
-
- Cinf
- = Konzentration der Teilchen im Zufluß
- Ceff
- = Konzentration der Teilchen im Ausfluß
- Die in der Berechnung verwendeten Teilchen können irgendwelche Teilchen, die von Interesse sind, sein, wobei sie z. B. im Fall von Desinfektionssystemen typischerweise Bakterien oder Viren wären, aber auch schwebende feste Bestandteile sein können.
- Aus der
DE 41 19 040 C2 ist ein Verfahren zum Testen des Betriebszustands von Filterelementen bekannt, bei dem einzelne Filterelementen oder Gruppen von Filterelement mit einem Gasdruck beaufschlagt werden und der sich ergebende Gasdurchfluss mit einem Referenzwert verglichen wird. Je nach Ergebnis des Vergleichs wird das Filterelement bzw. die Gruppe von Filterelementen für ordnungsgemäß oder für defekt befunden. - Aus dem Fachbuch „Mikrofiltration mit Membranen” von Siegfried Ripperger, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Deutschland 1992, Seiten 50f und 98 bis 105, ist bekannt, dass zur Unversehrtheitsprüfung von Membranen Verfahren zur Blaspunktbestimmung und Verfahren zur Bestimmung eines Diffusionsstroms bekannt sind. Die genannten Verfahren sind dort näher erläutert. Der LRV wird gemäß dem Fachbuch durch ein biologisches Verfahren ermittelt, bei dem das Filtrat auf einen Nährboden aufgebracht und 48 Stunden bebrütet wird.
- Offenbarung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Voraussage logarithmischer Reduktionswerte für ein Membranfiltrationssystem, das die folgenden Schritte umfaßt:
- i) Ermitteln der Filtratdurchflußmenge durch die Membran
- ii) Ermitteln der Membran-Umgehungsdurchflußmenge unter Verwendung von Unversehrtheitstestmessungen;
- iii) Abschätzen des logarithmischen Reduktionswerts unter Verwendung des Quotienten aus der ermittelten Filtratdurchflußmenge und aus der ermittelten Umgehungsdurchflußmenge wie folgt:
- Der Anmelder hat eine Anzahl von Tests zum Ermitteln der Unversehrtheit von Filtrationsmembranen entwickelt, wobei diese den Diffusionsluftstromtest (DAF-Test) und den Druckabfalltest (PDT-Test) umfassen.
- Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Testen der Unversehrtheit einer porösen Membran, das die folgenden Schritte umfaßt;
- i) Benetzen der Membran
- ii) Beaufschlagen einer Seite der Membran mit einem Gasdruck unterhalb des Blasenpunkts der Membranporen; und
- iii) Messen des Gasstroms durch die Membran, wobei der Gasstrom den Diffusionsstrom durch die Membran und den Strom durch die Lecks und Defekte in der Membran umfaßt, wobei der Gasstrom mit irgendwelchen Defekten in der Membran in Verbindung steht.
- Der Gasstrom wird bevorzugt durch Überwachen des Druckabfalls des Gasdrucks, mit dem eine Seite der Membran beaufschlagt wird, gemessen. In einer weiteren bevorzugten Form wird der Gasstrom dadurch gemessen, daß die andere Seite der Membran mit einem Fluidvolumen umgeben und die von dem Gasstrom herrührende Verdrängung des Fluids gemessen wird.
- Wenn der Kontext nicht offensichtlich etwas anderes erfordert, sind die Wörter ”umfassen”, ”umfassend” und dergleichen in der gesamten Beschreibung und in den allen Ansprüchen nicht in einem ausschließenden oder erschöpfenden, sondern in einem einschließenden Sinn, d. h. im Sinne von ”einschließend, aber nicht beschränkt auf”, zu verstehen.
- Ausführungsarten der Erfindung
- Im folgenden werden bevorzugte Beispiele dieser Unversehrtheitstests lediglich beispielhaft beschrieben. Falls die Lumen einer vollständig benetzten Membran (d. h. alle Poren sind mit Flüssigkeit gefüllt) mit Luft bei einem Druck unterhalb des Blasenpunkts gefüllt werden, bleiben die Poren der Membran benetzt, wobei es außer dem relativ geringen von der Diffusion verursachten Strom keinen signifikanten Luftstrom durch die Poren gibt. Falls ein Defekt (wie etwa eine gebrochene Faser) vorhanden ist, strömt Luft durch den Defekt, wobei selbstverständlich vorausgesetzt wird, daß der Defekt eine solche Größe hat, daß sein Blasenpunkt unter dem Testdruck liegt. Somit steht der Luftstrom in einer solchen Situation in direkter Verbindung zu der Unversehrtheit des Membransystems. Für ein unversehrtes System ist der Luftstrom klein und äußerst schwer direkt zu messen. Um den Test zu vereinfachen und um dieses Problem zu überwinden, wird der Luftstrom indirekt (im Fall des DAF-Tests) durch Messen des Flüssigkeitsstroms oder (im Fall des Druckhalte/abfall-Tests) durch Messen des Druckabfalls gemessen.
- In dem Diffusions-Luftstromtest werden die Lumen zunächst bis zu dem Testdruck (üblicherweise 100 kPa) mit einem Luftdruck beaufschlagt, wobei die Zufuhrseite der Membran ganz gelassen wird. Sobald der Testdruck erreicht worden ist, wird die Filtratseite abgedichtet und die Zufuhrseite über ein Meßventil, das den durch es hindurchgehenden Flüssigkeitsstrom messen kann, geöffnet. Anfangs gibt es einen raschen Flüssigkeitsstrom durch das Ventil. Der hohe Anfangsstrom wird überwiegend durch das Volumen des durch die Ausdehnung der Membran verdrängten Wassers und durch das Volumen des Wassers, das durch zu den Rändern der Poren der Membran strömendes Wasser verdrängt wird, verursacht.
- Nach der Anfangszeit fällt der Strom auf ein stabileres Niveau ab, wobei der verbleibende Flüssigkeitsstrom allein durch Flüssigkeit verursacht wird, die durch den Diffusionsluftstrom und durch den Luftstrom durch irgendwelche Defekte verdrängt wird. Dieser Strom ist die DAF-Messung und ist typischerweise ein Volumen pro Zeiteinheit.
- Der Diffusionsluftstrom ist der durch den Transport der gelösten Luft durch die Membran bewirkte Luftstrom durch eine unversehrte benetzte Membran. Die Antriebskraft für die Diffusion der gelösten Luft ist der Differenzpartialdruck über die benetzte Membran. Da die Lösbarkeit der Luft mit dem Druck zunimmt, herrscht in der Flüssigkeitsschicht eine höhere Konzentration gelöster Luft. Das System neigt zum Konzentrationsausgleich in der Wasserschicht, was zu einem stationären Lufttransport durch die Membran führt. Auf der Niederdruckseite (der Zufuhrseite) ermöglicht der geringere Partialluftdruck, daß die Luft die Lösung fortwährend verläßt. Die freigesetzte Luft reichert sich oben an der Zufuhrseite an, wobei es einen begleitenden Strom verdrängten Wassers durch das Zufuhrseiten-Meßventil gibt.
- Defekte in der Membran werden als ”Löcher” in der Membran angesehen, die tatsächlich die vollständige Weite der Membranwände durchdringen. Der Luftstrom durch die Defekte wird durch den ”viskosen” Gasstrom hervorgerufen. Dies bedeutet, daß die Luft einfach durch einen Defekt strömt, wobei sie anfangs das Wasser in dem Defekt ersetzt. Da die Defekte definitionsgemäß im Vergleich zu den Poren groß sind und somit einen wesentlich niedrigeren Blasenpunkt (eine geringere Kapillarwirkung) besitzen, wird das Wassers in einem Defekt relativ leicht ersetzt. Der Luftstrom durch die Defekte steht mit der Größe der Defekte und außerdem mit der Anzahl der Defekte in Verbindung.
- Eine weitere Ursache hoher Luftströme in der DAF-Messung ist der durch Lecks um O-Ringe bewirkte Luftstrom.
- Die DAF-Messung ist somit die Summe zweier Komponenten, des Diffusionsluftstroms durch die Membranen (gut) und des Luftstroms durch Defekte in den Membranen und durch O-Ring-Lecks (schlecht). Der Diffusionsluftstrom durch die Membranen kann für irgendeinen besonderen Filtertyp sowohl berechnet als auch gemessen werden. Durch den Vergleich einer DAF-Messung mit dem erwarteten Wert für ein vollständig unversehrtes Filter kann eine Anzeige der relativen Unversehrtheit des Filters ermittelt werden.
- In dem Druckabfalltest werden wie bei dem DAF-Test die Lumen zunächst mit einem Luftdruck bis zu dem Testdruck beaufschlagt, wobei die Zufuhrseite der Membran ganz gelassen wird. Sobald der Testdruck erreicht ist, wird die Filtratseite abgedichtet und die Zufuhrseite zur Atmosphäre entlüftet. Dann wird der zeitliche Druckabfall des Filtratsystems überwacht. Unter der Voraussetzung keiner anderweitigen Lecks steht dieser Druckabfall direkt mit dem Luftstrom durch die Membran und somit mit der Unversehrtheit des Systems in Verbindung.
- Das, was in dem DAF-Test gemessen wird, ist der Luftstrom durch eine Membran. Normalerweise wird angenommen, daß dies gerade der Luftstrom durch die Defekte in der Membran ist. Dieser Luftstrom durch die Defekte kann mit einem Flüssigkeitsstrom durch die gleichen Defekte unter Betriebsbedingungen in Verbindung gebracht werden. Durch Vergleich des Flüssigkeitsstroms durch die Defekte und des Flüssigkeitsstroms durch die Membran während der Filtration kann aus der folgenden Gleichung: eine genaue Voraussage eines logarithmischen Reduktionswerts berechnet werden, wobei:
- Ql,filt
- = der Flüssigkeitsstrom durch die Membran während der Filtration (und bei dem DAF-Testdruck); und
- Ql,DAF
- = der aus den DAF-Testmessungen berechnete äquivalente Flüssigkeitsstrom durch die Defekte unter Betriebsbedingungen ist.
- Der Gegenwert des Flüssigkeitsstroms durch einen Defekt Ql,DAF kann aus dem gemessenen DAF-Ergebnis, d. h. aus dem Luftstrom durch den Defekt, berechnet werden. Ein DAF-Test wird bei einem als der Testdruck Ptest bekannten Einstelldruck ausgeführt. Die stromabseitige Seite der Membran wird zur Atmosphäre entlüftet und besitzt einen Luftdruck Patm. Wenn Luft über einen Defekt durch die Membran läuft, dehnt sie sich, da der Testdruck größer als der auf der stromabseitigen Seite herrschende Luftdruck ist, aus. Somit widerspiegelt das Volumen des von der stromabseitigen Seite während eines DAF-Tests verdrängten Wassers das Volumen der Luft, die beim Luftdruck durch die Membran hindurchtritt.
- In Anbetracht des obenstehenden kann eine einfache Einrichtung zur Korrektur der Druckdifferenzen beiderseits der Membran bei der Berechnung von Ql,DAF aus Qa,DAF (dem Luftstrom durch den Defekt) konstruiert werden. Zunächst kann aus dem gemessenen Volumenluftstrom durch den Defekt ein Massenluftstrom durch die Membran berechnet werden. Dieser Massenluftstrom kann dann auf der stromabseitigen Seite der Membran zurück in einen Volumenstrom umgesetzt werden.
- Ein Defekt wird als ein zylindrisches Loch durch die Membran betrachtet. Genau genommen ist dies möglicherweise nicht der Fall, wobei es aber eine gute Annahme darstellt und eine Modellberechnung des Stroms durch einen Defekt ermöglicht. Solange eine laminare Strömung vorliegt und die Länge des Defekts wenigstens z. B. das Zehnfache seines Durchmessers beträgt, kann das gemessene Volumen des Luftstroms durch einen zylindrischen Defekt (Qv,a,defect) durch die Hagen-Poiseuille-Gleichung: beschrieben werden, wobei:
- d
- = der Defektdurchmesser;
- Ptest
- = der Testdruck (stromaufseitige Druck);
- Patm
- = der Luftdruck (stromabseitige Druck) während des DAF-Tests;
- ηA
- = die Viskosität der Luft bei der Temperatur der Filtration und
- l
- = die Dicke der Membran
- Der Massenluftstrom durch den Defekt kann durch den Volumenluftstrom mit der Dichtekorrektur
Qm,a,defect = ρQv,a,defect (5) - ρ
- = die Dichte der Luft in der Membran
- Die Dichte der Luft kann aus der idealen Gasgleichung:
ρ = PM / RT (6) - P
- = der Druck;
- M
- = das Molekulargewicht der Luft;
- R
- = die Gaskonstante; und
- T
- = die Temperatur
-
-
- In Anbetracht dessen, daß das Volumen des durch die Luft verdrängten Wassers auf der stromabseitigen Seite liegt, kann das Volumen der zu betrachtenden Luft nun aus dem Luftmassenstrom durch den Defekt beim Luftdruck (stromabseitigen Druck) berechnet werden.
-
- Die Hagen-Poiseuille-Gleichung kann ebenfalls zum Berechnen des Flüssigkeitsstroms durch einen Defekt verwendet werden. Die Gleichung für den Flüssigkeitsstrom ist einfach die gleiche Gleichung wie die durch Gleichung 4 gegebene Gleichung für den Luftstrom. Da die verwendete Flüssigkeit allgemein Wasser ist, das inkompressibel ist, braucht keine der für den Luftstrom erforderlichen Druckbetrachtungen betrachtet werden. Der Volumenflüssigkeitsstrom durch den gleichen Effekt wie oben ist durch: gegeben, wobei das TMP der Transmembrandruck, d. h. der Betriebsdruck der Filtration, ist, der genau gleich der Druckdifferenz über die Membran während der Filtration ist.
-
- Es wird angemerkt, dass QV,I,defect, da QV,a,defect gerade der gemessene DAF-Strom ist, aus dem Experiment berechnet werden kann, während der Rest der Parameter in Gleichung 12 entweder bekannt oder leicht zu messen ist.
- Das gemessene QV,I,defect kann zum Berechnen der LRV-Werte verwendet werden. Nach Gleichung 3 ist der LRV durch gegeben, wobei QV,I,filt gerade der Strom durch die Membran in der Normalfiltrationsbetriebsart ist. Durch Kombinieren der Gleichungen 12 und 13 kann der LRV in der folgenden Form berechnet werden:
- Es wird angemerkt, daß alle Parameter in Gleichung 14 direkt meßbar sind.
-
- Qbypass
- = entsprechender Flüssigkeitsnebenstrom
- QDAF
- = während des DAF-Tests gemessener Luftnebenstrom
- μair
- = Viskosität der Luft
- μfilt
- = Viskosität des Filtratfluids (üblicherweise Wasser während des Tests)
- Ptest
- = DAF-Testdruck, absolut
- PVent
- = DAF-Entlüftungsdruck, absolut, üblicherweise Luftdruck
- Pfilt
- = Filtrations-Transmembrandruck
-
- QFilt
- = Filtratdurchflußmenge
- Wie bei dem DAF-Test kann aus den Druckabfallergebnissen der logarithmische Reduktionswert abgeschätzt werden. Die einzigen zusätzlichen erforderlichen Informationen sind das mit Druck beaufschlagte Volumen der Filtratrohrleitungen während des Druckabfalltests für das gegebene System. Der Nebenstrom kann aus der folgenden Gleichung: abgeschätzt werden, wobei:
- ΔP
- = während der Zeitdauer t gemessener Druckabfall
- Vfilt
- = Volumen des Filtratsystems unter dem Testdruck
- Patm
- = Luftdruck
- μair
- = Viskosität der Luft
- μfilt
- = Viskosität des Filtratfluids (üblicherweise Wasser während des Tests)
- Ptest
- = Testdruck, absolut
- PVent
- = Entlüftungsdruck, absolut, üblicherweise Luftdruck
- Pfilt
- = Filtrations-Transmembrandruck
-
- QFilt
- = Filtratdurchflußmenge
- Um eine regelmäßige Prozeßüberwachung der Systemunversehrtheit während des Betriebs zu schaffen, können der DAF- und der PDT-Test automatisiert werden. Ferner sind diese Tests hochempfindlich und ermöglichen ein direktes Überwachen der Systemunversehrtheit, ohne komplizierte Wassertests zu erfordern. Die vorausgesagten logarithmischen Reduktionswerte können zum Überwachen und zum Steuern der Systemleistung und des Verlusts der Unversehrtheit verwendet werden. Die Systemsteuerung kann für ein besonderes System durch den Vergleich gewünschter oder geforderter LRVs mit den vorausgesagten LRVs und durch Einstellen der Systemleistung in Abhängigkeit von einen solchen Vergleich geschaffen werden.
- Es ist klar, daß weitere Ausführungen und Exemplifizierungen der Erfindung möglich sind, ohne von dem Erfindungsgedanken oder von dem Umfang der beschriebenen Erfindung abzuweichen.
Claims (4)
- Verfahren zur Voraussage logarithmischer Reduktionswerte für ein Membranfiltrationssystem, das die folgenden Schritte umfaßt: i) Ermitteln der Filtratdurchflußmenge durch die Membran ii) Ermitteln der Membran-Umgehungsdurchflußmenge unter Verwendung von Unversehrtheitstestmessungen; iii) Abschätzen des logarithmischen Reduktionswerts unter Verwendung des Quotienten aus der ermittelten Filtratdurchflußmenge und aus der ermittelten Umgehungsdurchflußmenge wie folgt:
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Testen der Unversehrtheit einer porösen Membran die folgenden Schritte durchgeführt werden: i) Benetzen der Membran ii) Beaufschlagen einer Seite der Membran mit einem Gasdruck unterhalb des Blasenpunkts der Membranporen; und iii) Messen des Gasstroms durch die Membran, wobei der Gasstrom den Diffusionsstrom durch die Membran und den Strom durch die Lecks und Defekte in der Membran umfaßt, wobei der Gasstrom mit irgendwelchen Defekten in der Membran in Verbindung steht.
- Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Gasstrom durch Überwachen des Druckabfalls des Gasdrucks, mit dem eine Seite der Membran beaufschlagt wird, gemessen wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Gasstrom dadurch gemessen wird, daß die andere Seite der Membran mit einem Fluidvolumen umgeben und die von dem Gasstrom herrührende Verdrängung des Fluids gemessen wird.
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