DE20023323U1

DE20023323U1 - Hohlfasermembran und geflochtene rohrförmige Halterung für die Membran

Info

Publication number: DE20023323U1
Application number: DE20023323U
Authority: DE
Original assignee: Zenon Environmental Inc
Current assignee: Suez Water Technologies and Solutions Inc
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2010-06-02
Also published as: CY1111997T1; EG22586A; AU4907500A; US20050051479A1; CN1356924A; HK1047062A1; AU776072B2; EP2054142A1; ATE511414T1; ES2365126T3; HUP0201735A2; EP2054142B8; EP2054142B1; IL147045A; CN1301150C; IL147045A0; WO2000078437A1; US6354444B1; CA2377255A1; DK2054142T3

Abstract

Eine Trennmembran mit folgenden Merkmalen:
(a) einer rohrförmigen Geflechthalterung für eine Hohlfaser-Trennmembran, die aus 16 bis 60 separaten Garnen hergestellt ist, wobei jeder Garn einen Denier-Wert zwischen 150 und 500 aufweist; und
(b) einer porösen Substanz, die an der Halterung angebracht ist, wobei die poröse Substanz die Außenumfangsoberfläche der Halterung bedeckt und Poren aufweist, die geeignet zur Verwendung als eine Trennmembran sind.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung ist eine Fortsetzungsanmeldung der Anmeldung Nr. 08/886,652 vom 1. Juli 1997, die am 22. Juni 1999 als US-Patent Nr. 5,914, 039 erteilt worden ist.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine geflochtene rohrförmige Halterung für einen Polymerfilm, der als asymmetrische semipermeable Membran für Mikrofiltrier- (MF-) und Ultrafiltrier- (UF-) Anwendungen dient. Das geflochtene Rohr hat einen Außendurchmesser von maximal ungefähr 3 mm und stützt sich auf den Polymerfilm, um das Fasermembranprodukt mit einem aufrechtzuerhaltenden hohen Durchfluss sowie einem ausreichenden Widerstand gegen Abrasion zu versehen, so dass ein Faserstrang (der auch als "Modul" bezeichnet wird) mehrere Monate lang in einer handelsüblichen Filtrieranwendung arbeiten kann, ohne dass er Nadellöcher bildet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im US-Patent Nr. 5,472,607 von Mailvaganam Mahendran et al ist eine semipermeable Hohlfasermembran beschrieben, bei der eine rohrförmige makroporöse Halterung auf der Oberfläche mit einen dünnen Polymerfilm beschichtet ist, bei der bevorzugtesten Variante handelt es sich dabei um Polyvinylidendifluorid. Das rohrförmige Geflecht ist schlaff, weitere Details der Geflechtstruktur sind jedoch nicht spezifiziert. So war z. B. der Effekt der Charakteristiken des das Geflecht bildenden Materials nicht bekannt; dies galt auch für den Effekt eines Querschnitts, der nicht genau kreisförmig war, d. h. eine "Zylindrizität " von wesentlich weniger als 1,0 aufwies. Der Ausdruck "Zylindrizität" (manchmal auch als "Rundheit" bezeichnet) bezieht sich darauf, wie perfekt der kreisförmige Querschnitt der rohrförmigen Halterung der Geometrie eines echten Kreises, der gezogen wird, um dem mittleren Durchmesser des Geflechts zu entsprechen, angeglichen ist, wobei eine perfekte Angleichung 1,0 ist. Es war daher zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt, wie kritisch die physikalischen Charakteristiken eines bevorzugten Geflechts hinsichtlich der Funktion einer Hohlfasermembran waren, bei der das Geflecht zum Einsatz kommt.
Bei einem handelsüblichen Geflecht, das mit einer herkömmlichen Flechteinrichtung aus handelsüblichem Garn hergestellt wurde, fanden sich zahlreiche "Brüche" in der Faser; ferner führte eine Anhäufung von Klumpen gebrochener Fäden, die als "Faserflaum" bezeichnet wurden, welche in die zylindrische Wand des Geflecht eingeflochten waren, zu Schwachstellen in dem auf die Oberfläche aufgebrachten Polymerfilm; und gebrochene Fäden, die als "Whiskers" bezeichnet wurden, welche von der Oberfläche des rohrförmigen Geflechts vorstanden, führten zu übermäßig dicken Polymerbereichen, die sich um die Whiskers konzentrierten; und wenn der Bereich nicht zu dick war, neigten die Whiskers dazu, die Bildung von Nadellöchern zu initiieren.
Ferner wurde die gebildete Fasermembran, wenn die offene Bindung des Geflechts entweder eine zu große oder eine zu kleine Geflechtporosität bewirkte, die mittels des Widerstands gegen einen Luftstrom gemessen wurde, für einen kommerziellen Gebrauch unbrauchbar. Eine zu offene Bindung führte zu einem eingebetteten Geflecht, d. h. einem Geflecht, das von dem Polymer, das auch in die Öffnung des Geflechts eintrat, umschlossen und fest in diesem fixiert war; somit führte eine zu offene Bindung zu einer stark verringerten Permeabilität. Eine zu enge Bindung führt dazu, dass das Polymer nicht in ausreichendem Maße auf der Oberfläche verankert wird; dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass sich bei Gebrauch der Polymerfilm von dem Geflecht löst. Wenn der Betriebs-Durchfluss exzellent war, stellte sich manchmal heraus, dass sich Teile des Polymerfilms gelöst hatten, wenn die Fasern mit Reinwasser oder einem anderen flüssigen Medium, entweder Wasser oder Permeat, unter Druck rückgespült wurden; oder es wurden Teile des Films von der Oberfläche der Fasern "abgeblasen", wenn deren Lumen unter Druck mit Luft gepulst wurden. Selbst beim unter kontrollierten Bedingungen hergestellten optimalen Geflecht variierte die Schrumpfung während des Gebrauchs in einem wässrigen Medium in unvorhersehbarer Weise. Dies führte zu straff gespannten Fasern, die frühzeitig verschmutzten, da sie sich nicht in ausreichendem Maße bewegen konnten, um sauber zu bleiben oder sich aneinander zu reiben. Wenn die Fasern zu straff gespannt waren, brachen sie, bevor sie verschmutzt wurden, oder wurden aus dem Gießharz in dem Kopfelement gerissen. Da es für eine optimale Funktion und das Entfernen von Schmutzstoffen von den Oberflächen der Hohlfasermembranen wesentlich ist, dass ein Faserstrang mit "schlaffen" Fasern arbeitet, muss die Struktur des Geflechts wiederholtem Verdrehen standhalten, und es war nicht bekannt, welche physikalische(n) Charakteristiken) des Geflechts einem solchen Standhalten förderlich war(en). Eine Zylindrizität von weniger als 0,8 führte zu einem Polymerfilm mit inakzeptablen Dickenunterschieden, was zu einem ungleichmäßigen Durchfluss und Zonen führte, die zu leicht verschmutzten.
Die Aufgabe, eine große Festigkeit zu erreichen, führte zu der Auswahl eines hochfesten Garns, z. B. aus Glas, Aramid oder einem anderen Hochmodulmaterial, um von seiner großen Festigkeit und Stabilität zu profitieren. Ein aus Mehrfachglasfäden gewobenes Geflecht weist z. B. eine insignifikante maximale Bruchdehnung von weniger als ungefähr 5 % auf und ist im wesentlichen schrumpffest. In der Praxis sind geflochtene Fasern aus solchen stabilen Hochmodulgarnen jedoch nicht wünschenswert, da sie eine inadäquate Haftung des Films an der Oberfläche des Geflechts bewirken, und zwar aufgrund der vernachlässigbaren Feuchtigkeitsaufnahme solcher Fasern, und im nassen Zustand ist das Geflecht für einen längeren Gebrauch zu zerbrechlich. Insbesondere war nicht bekannt, dass ein bestimmtes Maß an Feuchtigkeitsaufnahme in dem Geflechtmaterial für einen optimalen Betrieb der mit einem hydrophilen Polymerfilm beschichteten und in einer wässrigen oder alkoholischen Umgebung arbeitenden Hohlfasermembranen wesentlich war. Die Feuchtigkeitsaufnahme ist der Prozentsatz an Feuchtigkeit in einem Textilma terial, der mit einer Standardatmosphäre nach teilweisem Trocknen ins Gleichgewicht gebracht und als Prozentsatz des Gewichts ohne Feuchtigkeit berechnet ist.
Die Aufgabe der unlösbaren Verankerung des Polymefilms und des Erreichens eines hohen "Blasenpunkts" in einer Membran, die keine Defekte (wie z. B. Nadellöcher) aufweist, wurde in der Offenbarung '607 nicht genannt, da die Faktoren, die die Lösung dieser Aufgabe verhinderten, nicht bekannt waren. Der "Blasenpunkt" bezieht sich auf den Druck, unter dem ein Luftstrom durch die größte Pore in einer Wand einer fehlerfreien Membran, die den gewünschten Durchfluss aufweist, entweicht. Ferner war die Bedeutung der Stabilität der Geflechtstruktur während des Betriebs, insbesondere der Effekt der Schrumpfung, nicht bekannt.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es hat sich herausgestellt, dass bestimmte physikalische Charakteristiken eines rohrförmigen Geflechts hinsichtlich einer gewünschten Hohlfaser-MF oder –UF kritisch sind, d. h. einer Flüssigkeitsabscheidemembran, die stabil und fest ist, jedoch eine im wesentlichen störungsfreie Lebensdauer und eine akzeptable, gewünscht hohe Permeabilität hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die generelle Aufgabe zugrunde, eine rohrförmige geflochtene Halterung für eine asymmetrische Membran zu schaffen, die aus einem Garn mit Kunstharzfäden gewoben ist, welche in dem Lösungsmittel im wesentlichen unlöslich sind, in dem das die Membran bildende Polymer gelöst ist, wobei das Geflecht eine stabile durch Wärme vorgeschrumpfte Länge aufweist, die ungefähr 1 % bis 20 % kleiner ist als die ungeschrumpfte Länge, vorzugsweise derart, dass es unabhängig von dem die Fasern bildenden Material bei Dehnung des vorgeschrumpften Geflechts in Längsrichtung eine "Elastizität" aufweist, d. h. die Bruchdehnung mindestens 10 %, vorzugsweise von 10 % bis 30 %, besser noch 20 %, beträgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die spezifische Aufgabe zugrunde, ein durch Wärme vorgeschrumpftes rohrförmiges Geflecht mit spezifizierten Mustern zu schaffen, bei dem Träger benutzt werden, die ein Garn mit einer definierten Anzahl von Fäden, Enden, Denier-Werten und Schussfäden tragen, und zwar unter Bedingungen, unter denen die Porosität (gemessen als Permeabilität gegenüber Luft) des Geflechts gesteuert wird, wobei eine solche gesteuerte Porosität zum unlösbaren Verankern eines Polymerfilms auf der Oberfläche des rohrförmigen Geflechts dient.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die spezifische Aufgabe zugrunde, in einer flexiblen makroporösen rohrförmigen Geflechthalterung für eine asymmetrische Wende-Hohlfasermembran, die einen rohrförmigen Film aus Kunstharzmaterial aufweist, der auf der Außenumfangsfläche des Geflechts gehalten ist, ohne dass die Halterung in einem dünnen Film mit einer Wanddicke von weniger als 0,2 mm eingebettet ist, eine Verbesserung zu schaffen, die 16 bis 60 separate Garne aufweist, die sich jeweils auf ihrem eigenen Träger befinden, wobei jedes Garn ein Mehrfachfadengarn mit 150 bis 500 Denier (g/9000 Meter) ist, jeder Mehrfachfaden aus 25 bis 750 Fäden gebildet ist und jeder Faden einen Denier-Wert von 0,5 bis 7 aufweist. 1 bis 3 Mehrfadenenden bilden ein Garn, und die einzelnen Enden sind bei der bevorzugtesten Variante nicht doubliert, sondern liegen linear benachbart zueinander, bis sie in dem "Warenrand" des Geflechts, das gewoben wird, aufgenommen sind. Das Geflecht, das gewoben wird, weist 30 bis 45 Schussfäden (Kreuzungen/Inch) auf. Je höher der Denier-Wert der Fäden, desto weniger Fäden werden verwendet, die Geflechtwanddicke wird jedoch im Bereich von ungefähr 0,2 mm, jedoch bei weniger als dem Dreifachen des Durchmessers des Garns, aus dem das Geflecht gewoben ist, vorzugsweise weniger als 1,0 mm, gehalten. Die Permeabilität des Geflechts aus Kunstharzgarn gegenüber Luft liegt im Bereich von ungefähr 1 bis 10 cm³/s/cm² (cc/sec/cm²) bei einem Differenzdruck von 1,378 kPa (0,2 psi); und die Feuchtigkeitsaufnahme liegt im Bereich von ungefähr 0,2 bis 7 Gewichtsprozent. Die fertige Fasermembran wird mit einem dünnen Polymerfilm mit einer Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm, bei der bevorzugtesten Variante weniger als 0,1 mm, beschichtet. Der Film weist eine ringförmige periphere Sperrschicht oder "Haut" auf, die mit aufeinanderfolgenden mikroporösen Schichten in dem Film einstückig am Umfang ausgebildet ist, wobei jede Schicht an eine vorhergehende Schicht angrenzt und die Schichten eine ringförmige Außenschicht, eine mittlere Transportschicht und eine ringförmige Innenschicht aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorgenannten und zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf schematische Darstellungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verständlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines "Diamant"-Musters in einem rohrförmigen Geflecht;
1B eine schematische Darstellung eines "normalen" Musters in einem rohrförmigen Geflecht;
1C eine schematische Darstellung eines "Herkules"-Musters in einem rohrförmigen Geflecht;
2 eine entlang einer Längsachse quergeschnittene Seitenansicht einer Beschichtungsdüse zum Ausbilden der dünnen nicht tragenden Membran auf dem Geflecht;
3 eine quergeschnittene Endansicht einer erfindungsgemäßen Hohlfasermembran mit schematischer Darstellung der radial angeordneten ringförmigen Zonen, die sich axial in Längsrichtung über die Länge der Membran erstrecken, und mit Darstellung, wie der rohrförmige nicht selbsttragende Film auf dem Geflecht gehalten wird, ohne darin eingebettet zu sein;
4 einen stark vergrößerten Querschnitt zur Darstellung der Größenverhältnisse der Poren in den Komponentenschichten der von dem Geflecht gehaltenen Membran, wobei die Poren die Membran so effektiv machen, insbesondere für die Mikrofiltration und die Ultrafiltration.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Details einer Hohlfasermembran sind in dem vorgenannten Patent '607 und der vorgenannten Anmeldung 08/886,652 genannt, wobei die Offenbarungen jeweils zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht werden, so als wären sie hier vollständig aufgeführt. Ein bevorzugtes rohrförmiges Geflecht ist aus Garn gewoben, dessen Denier-Wert unter Berücksichtigung des Außendurchmessers des Geflechts, auf das der Polymerfilm aufgebracht werden soll, und des Einsatzes der Membran für MF oder UF gewählt ist. Eine gewünschte Permeabilität für eine UF-Membran für Trinkwasser liegt im Bereich von ungefähr 5 bis 25 l/m²/kPa/h (5 bis 25 LMH/kPa = liters/m²/kPa/hr) oder 20 bis 100 GFD/psi =US-day/ft²/psi), vorzugsweise von ungefähr 7,4 bis 18,5 l/m²/kPa/h (7,4 bis 18,5 LMH/kPa oder 30 bis 75 GFD/psi), gemessen an RO-(Umkehrosmose-) Wasser; eine gewünschte Permeabilität für eine MF-Membran zum Filtern von städtischem Abwasser und Aufbereiten von Reinwasser liegt im Bereich von 10 bis 50 l/m²/kPa/h (10 bis 50 LMH/kPa = 40 bis 200 GFD/psi), typischerweise von ungefähr 12,5 bis 25 l/m²/kPa/h (12,5 bis 25 LMH/kPa = 50 bis 100 GFD/kPa), gemessen an RO-Wasser. Eine typische fehlerfreie Membran hat einen Blasenpunkt, der im Bereich von ungefähr 140 bis 280 kPa (20 bis 40 psi) liegt. Bei einer UF-Membran ist es wünschenswert, dass der Blasenpunkt im Bereich von 13 bis 40 kPa (2 bis 6 psi), vorzugsweise ungefähr 35 kPa (5 psi) liegt, um die Bedeutung eines Defekts in einer Faser hervorzuheben; bei einer MF-Membran ist es aus den gleichen Gründen wünschenswert, dass der Blasenpunkt im Bereich von 6 bis 20 kPa (1 bis 3 psi), vorzugsweise bei ungefähr 13 kPa (2 psi) liegt.
Die Struktur des rohrförmigen Geflechts wird von der Maschine bestimmt, die zum Weben des Geflechts verwendet wird, welches aus verschlungenen spiralförmigen Garnen gebildet ist, so dass seine Dicke kleiner ist als das Dreifache des Garndurchmessers und das Garn schraubenförmig ausgerichtet ist. Das geflochtene Rohr kann entweder auf vertikalen oder horizontalen Flechtmaschinen gewoben werden, wobei erstere bevorzugt wird. Eine Maschine weist auf: eine Spurplatte mit Verschlingungsspuren, mehrere Rohr- oder Spulenträger für das Garn, die sich für einen Flechtvorgang entgegen dem Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn entlang der Spuren bewegen können, eine Formungseinrichtung und eine Aufwickelvorrichtung. Die Spulen sind angeflanschte Rohre, die für schwer handhabbare Garne verwendet werden. Garne von Spulen, die auf die Spulenträger aufgesetzt sind, werden geflochten, wenn sie zu einer über der Scheibenmitte angeordneten Kräuselführung geführt werden. Jeder Spulenträger wird von einem unter der Spurplatte angeordneten Antriebsrad gedreht, während er sich die Spuren entlang bewegt. Das Verhältnis zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit der Spulenträger und der Geflechtdehngeschwindigkeit kann durch Verändern des Übersetzungsverhältnisses verändert werden, so dass die Geflechte hinsichtlich des Strähnenwinkels unterschiedlich sein können. Unterschiedliche Verschlingungen oder Webmuster können durch Steuern der Bewegung der Garnträger erzielt werden. Durch Steuern der Aufwickelrate kann der Flechtwinkel gesteuert werden. Es ist wichtig, dass die Garnspannung gesteuert wird, um eine gleichmäßige Spannung zu erreichen, damit ein gleichmäßiges Geflecht ausgebildet wird. Maschinen zum Herstellen des rohrförmigen Geflechts und das Verfahren zum Herstellen des rohrförmigen Geflechts sind bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung. Falls gewünscht, können durch Verwendung eines dritten Garnsystems, das zum Herstellen eines dreiachsigen Geflechts zwischen den Flechtgarnen eingesetzt wird, axiale Verstärkungen vorgesehen sein. Eine solche Verstärkung hat sich typischerweise als unnötig herausgestellt.
Ein typisches rohrförmiges Geflecht ist aus zwei Gruppen von Garnen oder Enden, die miteinander verschlungen sind, hergestellt. Bevorzugte Materialien sind Polyester und Nylon in Garnform, bei der bevorzugtesten Variante mit einem Wert im Bereich von ungefähr 200 bis 400 Denier (g/9000 Meter), wobei 40 bis 100 Fäden einen Denier-Wert im Bereich von ungefähr 3 bis 6 aufweisen. Das Geflecht wird vorzugsweise mit 16 bis 28 Trägern mit ungefähr 36 bis 44 Schussfäden (Kreuzungen/Inch) gewoben, um einen Außendurchmesser im Bereich von ungefähr 1,5 mm bis 2,5 mm und eine Wanddicke im Bereich von ungefähr 0,15 m bis ungefähr 0,50 mm, bei der bevorzugtesten Variante ungefähr 0,3 mm, aufzuweisen.
Das Muster, in dem das Geflecht gewoben wird, ist nicht sehr kritisch, vorausgesetzt, dass die Porosität innerhalb der gewählten Grenzen gehalten wird, und obwohl ein "normales" oder "Herkules-" Geflecht möglich ist, ist ein "Diamant"-Muster die bevorzugteste Variante. 1A zeigt eine schematische Darstellung eines diamantförmigen Geflechts, bei dem abwechselnd ein Faden erst über und dann unter dem anderen Faden (1/1) verläuft. Gemäß 1B verläuft das normale Geflecht in einem Rapport über zwei und unter zwei Fäden (2/2). 1C zeigt das Herkules-Geflecht mit einer Struktur aus 3 oben und 3 unten verlaufenden Fäden (3/3).
Die Bruchlast eines bevorzugten thermogeschrumpften Geflechts beträgt mindestens 222 N (50 lb), vorzugsweise von 444 bis 888 N (100 bis 200 lb), wobei festgestellt wird, dass das durch Wärme vorgeschrumpfte Kunstharzgeflecht eine stabile Länge aufweist, die 1 % bis 16 % kleiner ist als die nicht geschrumpfte Länge.
Die kritische Bedeutung des Herstellens einer stabilen, durch Wärme vorgeschrumpften Länge liegt darin, dass die Außenflächen gespannter Fasern in einem Strang (gespannt aufgrund der Schrumpfung während des Betriebs) so verschmutzt werden, dass sie für das Filtern nutzlos werden. Ferner wird durch auf gespannte Fasermembranen wirkende Belastungen nicht nur das rohrförmige Geflecht belastet, sondern auch der darüber liegende Polymer film. Eine unzulässige Belastung des Geflechts führt zu einem Brechen, und zwar typischerweise nahe den Enden der Fasermembranen, wo sie in Kopfelemente eingegossen sind; und eine unzulässige Belastung des Polymerfilms verringert die Haftung und erhöht die Anfälligkeit für Ablösen oder Abrutschen von der Oberfläche des Geflechts.
Obwohl ein "Schrumpftest" an Garnen normalerweise durch Thermoschrumpfen in Wasser bei 98 °C mittels einer Texurmat-Abkocheinrichtung oder in trockener Luft bei 177 °C mit einer Spannung von 0,045 gf/dtex über einen Zeitraum von 2 Min. (DuPont) oder in trockener Luft bei 190 °C mit 0,135 gf/dtex für einen Zeitraum von 30 Sek. (Monsanto) durchgeführt wird, hat es bis jetzt keinen Grund gegeben, an einem rohrförmigem Geflecht aus Kunstharz ein Vorschrumpfen mittels Wärme vor dem Beschichten mit Polymer durchzuführen. Insbesondere da ein mit Glasfaser gewobenes Geflecht im wesentlichen nicht thermoschrumpfbar ist, hat es keinen Grund gegeben, eine stabile Länge eines rohrförmigen Geflechts aus Polyester oder Nylon durch ein derartiges Vorschrumpfen herzustellen, dass seine geschrumpfte Länge bei ungefähr 84 % seiner vorgeschrumpften Länge liegt, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass das Geflecht mindestens 95% seiner Zugfestigkeit behält.
Thermoschrumpfen von rohrförmigen Geflechten aus Polyester und Polyamid in trockener Luft, das als Testrite-Tests bezeichnet wird, zum Erzielen einer Schrumpfung von ungefähr 16 % bis 18 % bei der bevorzugtesten Variante, kann in einem Elektroofen bei 232 °C über einen Zeitraum von 29 Sek. durchgeführt werden.
Der Denier-Wert des Garns und die strukturellen Charakteristiken des Geflechts bestimmen die Permeabilität gegenüber Flüssigkeit und Gas. Die Permeabilität des Geflechts gegenüber Flüssigkeit ist mindestens eine Größenordnung (d. h. mehr als 10 Mal) größer als die Permeabilität des Polymerfilms. Somit ist die Bindung des Geflechts so offen, dass es eine unwesentliche Sperre gegen einen Gasstrom darstellt.
Die Permeabilität bevorzugter Polyester- ("PE"-) und Nylon- ("NY"-) Geflechte gegenüber Luft, die anhand der ASTM-Norm "Permeabilität von Textilgeweben D 737–96" bestimmt wird, wird bei einem Differenzdruck von 1,38 kPa (0,2 psi) gemessen. Diese ist in der nachfolgenden Tabelle 1 unter "@0,2 kPa" aufgeführt. Ebenfalls aufgeführt sind die Permeabilitäten "@0,02 kPa" (0,029 psi), die durch Extrapolation der durch die Messungen bei 0,2 kPa erhaltenen Datenkurve im entsprechenden Bereich erhalten werden:
Tabelle 1
Die Feuchtigkeitsaufnahmewerte für Polyester-Geflechte liegen im Bereich von ungefähr 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent und für die oben genannten PE-Proben von ungefähr 0,4 bis 0,5 Gewichtsprozent. Bei Nylon-Geflechten liegen die Feuchtigkeitsaufnahmewerte im Bereich von 4 bis 7 Gewichtsprozent und bei den oben genannten NY-Proben von ungefähr 4 bis 5 Gewichtsprozent. Die Struktur des rohrförmigen Geflechts bildet eine Außenfläche, die einzigartig ausgebildet ist, so dass der Polymerfilm einer Membran in ausreichendem Maße an der Oberfläche haftet und sich beim Rückspülen der Membran nicht löst; der Polymerfilm wird von dem oberen Teil der Wand des Geflechts gehalten, ohne dass die Wand in dem Film eingebettet ist. Das Ausmaß der Haftung wird in einem gewissen Grad von der Affinität der chemischen Zusammensetzung des Polymers für das Geflechtmaterial, jedoch in einem größeren Ausmaß von der Geflechtstruktur beeinflusst. Der Polymerfilm kann aus einem beliebigen Polymer hergestellt sein, das die Anforderungen an eine zufriedenstellende asymmetrische Membran erfüllt, und kann aus einem Polyester, Polyamid, Polyolefin, Polyamin, Polyurethan, Polysulfon oder Zelluloseacetat, bei der bevorzugtesten Variante aus PVDF mit kaziniertem α-Aluminiumoxid gebildet sein, wie in Nr. 08/886,652 beschrieben, wobei die Beschreibung zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, so als wäre sie hier vollständig aufgeführt.
Der Test zum Feststellen, ob die Haftung zufriedenstellend ist, erfolgt mittels eines Ablöse-Testverfahrens, das mit einem "Materialtester" (LR K5 mit einer 50 N-Lastzelle) mit einem sogenannten "German wheel" (der Kürze halber "Tester" genannt) von Lloyds Instruments durchgeführt wird.
Das "German wheel" wird zum Durchführen eines Ablösetests an einer auf einem flexiblen Substrat befindlichen Beschichtung bei 90° zu der Oberfläche des Substrats verwendet. Jede Probe wird gemäß der angewandten Norm speziell präpariert. Das German wheel weist ein freilaufendes, auf einer Achse montiertes Rad und einen Bügel auf, der das Rad aufnimmt und zum Ausführen eines Tests mit der Last verbindet. Die Radfläche weist einen scharfkantigen Schlitz auf, in den ein Ende des beschichteten Substrats eingesetzt und gegen das scharfe Ende zurückgefaltet wird. Dadurch wird eine mechanische Verriegelung gebildet, die die Probe festhält, wenn ihre Länge mit der Beschichtungsseite nach oben um die Peripherie des Rads gedehnt und durch eine Verriegelungsklemme geführt wird. Die Stelle, an der sich die Klemme befindet, liegt gerade oberhalb einer Region, in der die Beschichtungsvorsprungslänge von dem Substrat getrennt ist. Somit ist das flexible Substrat festgeklemmt und hängt die Beschichtungsvorsprungslänge frei vor der Klemme.
Sämtliche Tests werden mit nassen Membranen durchgeführt, und zwar durch Einschlitzen einer 15,24 cm (6") großen nassen Membran in Längsrichtung. 3,8 cm (1,5") der Membran lösen sich von dem Geflecht. Ein freiliegender Abschnitt des Geflechts mit einer Größe von 2,54 cm (1") wird in den Winkelschlitz eingesetzt und der Rest des Geflechts um das Rad gebogen, so dass der Längsschlitz in Richtung der Radfläche weist. Der Winkelschlitz verankert ein Ende, und das lose Ende wird in die schwimmende Klemme platziert und dort befestigt. Ein möglicher Durchhang wird mittels der Probenspannschraube eliminiert.
Das lose Ende des abgelösten Membranabschnitts wird in die obere Klemme des Testers platziert. 10,16 cm (4") der Membran werden mit einer Rate von 100 mm/Min. von dem Geflecht abgezogen. Das German wheel dreht sich frei, um den Ablösewinkel konstant zu halten. Der Materialtester gibt ein Diagramm aus, das das Ausmaß an Kraft anzeigt, die zum Ablösen der Membran von dem Substrat erforderlich ist. Die mit den Proben erzielten Ergebnisse werden gemittelt und in ein Diagramm eingezeichnet. Die durchschnittliche Höchstkraft für den ungefähr 5,08 cm (2") großen Abschnitts wird aufgezeichnet.
Die Zugfestigkeit jeder Probe wird wie folgt ermittelt:
Die durch den Ablösetest erhaltenen nassen Membranproben werden in die Klemmen des Testers platziert. Die Klemmen sind einen Inch voneinander entfernt angeordnet. Die Membranprobe wird mit einer Rate von 100 mm/ Min. auseinandergezogen. Die durchschnittliche Höchstkraft für die Proben wird zusammen mit der Standardabweichung aufgezeichnet.
Die Zylindrizität des Geflechts wird durch Sichtprüfung unter einem Mikroskop bestimmt.
Der asymmetrische Film weist eine sehr dünne Haut über einer poröseren Struktur auf, in der die Poren in offener Verbindung miteinander stehen. Eine solche Membran kann zum Filtern von entweder wässrigen oder nicht wässrigen Lösungsmitteln verwendet werden. Zum Filtern eines Lösungsmittels, wie z. B. eines primären oder sekundären Alkohols, eines Ketons oder eines Kohlenwasserstoffs, setzt sich der Polymerfilm von einer Lösung eines lösungsmittelresistenten Polymers, wie z. B. Polyacrylnitril (PAN) oder Polyetheretherketon (PEEK), ab.
2 zeigt einen Querschnitt der Beschichtungsdüse, die generell mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und die zusätzlich zu dem Begrenzen der Menge an die Düse durchlaufender Beschichtungsmasse (Polymer in Lösung) die korrekte Menge an Beschichtungsmasse auf die Oberfläche dosiert und die dosierte Menge gleichmäßig über die Oberfläche des (nicht gezeigten) Geflechts verteilt, wenn dieses axial in Längsrichtung durch die Düse gezogen wird.
Die Düse 10 weist einen Innenlauf 12 mit einer Innenbohrung 13 auf, durch die das Geflecht in eine axiale Bohrung 14 eines Nippels 15 bewegt wird, der in das Ende 16 des Innenlaufs 12 eingeschraubt ist. Die Bohrung 14 bildet eine Rundungsöffnung, die das Ausbilden eines kreisförmigen Querschnitts des Geflechts vor dessen Beschichtung mit einer Beschichtungsmasse unterstützt. Die Rundungsöffnung 14 hat einen Durchmesser, der ungefähr 1 % bis 10 % kleiner ist als der Nenndurchmesser des Geflechts. Der Lauf 12 mit dem Nippel 15 wird in ein Außenlaufelement 20 mit einem zylindrischen Basisteil 25 eingesetzt. Der Außenlauf 20 weist eine gestufte axiale Innenkammer mit einer größeren Bohrung 22 und einer kleineren Bohrung 23 auf, welche mit (nicht gezeigten) Gewinden nahe dem Ende der Bohrung 23 versehen sind. Eine Hutbuchse 27 mit einer gestuften axialen Bohrung 27' wird in die kleinere Bohrung 23 eingeschraubt, bis sie einen O-Ring 27" in einer Nut zwischen dem Ende des Laufs 20 und dem unteren Teil der Buchse zusammendrückt. Eine Dimensionierungsform 28 mit einer Dimensionierungsöffnung 24 wird in die gestufte axiale Bohrung 27' gepresst. Die Dimensionierungsöffnung gewährleistet die Kreisform des Querschnitts der fertigen Hohlmembran, wenn diese die Rundungsöffnung verlässt. Wenn das mit der Beschichtungsmasse beschichtete Geflecht durch die Dimensionierungsöffnung bewegt wird, wird der Außendurchmesser der mit Polymer beschichteten Oberfläche bearbeitet, um der Beschichtungsmasse die gewünschte Wanddicke zu verleihen, wobei beim Koagulieren eine Dünnfilmmembran entsteht, die höchstens 0,1 mm dick ist.
Das Basisteil 25 weist einen unteren Port 21 und einen oberen Port 26 auf, die jeweils mit den gestuften Bohrungen 22 und 23 in offener Verbindung stehen, so dass eine in den Port 21 eingebrachte Beschichtungsmasse in das von den gestuften Bohrungen 22 und 23 um den Innenlauf 12 ausgebildete Reservoir strömen und axial in Längsrichtung in diejenige Richtung fließen kann, in der das Geflecht durch die größere Bohrung 22 und die kleinere Bohrung 23 gezogen wird, wobei beim Füllen des Reservoirs Luft verdrängt wird. Wenn die in das Reservoir gefüllte Beschichtungsmasse aus dem oberen Port 26 strömt, wird dieser mit einem Stopfen verschlossen. Das Basisteil 25 ist mit (nicht gezeigten) durch das Basisteil 25 verlaufenden Durchgangsschrauben abnehmbar an einem sich radial erstreckenden Befestigungsflansch 29 mit einem längsverlaufenden Körperteil 29' befestigt. Der Körperteil 29' weist eine axiale Bohrung mit Innengewinde auf, so dass der Körperteil 29' koaxial in seiner Position gesichert werden kann, wodurch die Rundungsöffnung 14 und die Dimensionierungsöffnung 24 miteinander ausgerichtet werden. Durch Vergrößern oder Verkleinern der Anzahl von Drehungen des Körperteils 29' kann die Distanz zwischen der Mündung der Öffnung 14 und der Öffnung 24 variiert werden. Diese Distanz wird je nach der Rate, mit der das Geflecht durchgezogen wird, der Viskosität der Beschichtungsmasse und der Dicke des Films aus Beschichtungsmasse, der auf das Geflecht aufgebracht wird, bevor dieses in das Koagulans eingetaucht wird, eingestellt. In sämtlichen Fällen wird die Distanz nach dem Trial-and-Error-Verfahren eingestellt, um einen Film aus Beschichtungsmasse auf der äußeren Umfangsfläche des Geflechts aufzubringen, der gerade ausreicht, um das Geflecht oberflächlich zu beschichten, und nicht so dick ist, dass das Geflecht in dem Film eingebettet ist.
Um das Geflecht durch die Öffnung 24 zu ziehen, wird eine in Längsrichtung wirkende Spannung von mindestens 1 Newton in dem Geflecht aufrechterhalten, die jedoch nicht ausreicht, um die Leerräume in dem Geflecht so stark zu verziehen, dass diese nicht mehr in einen Gleichgewichtszustand zurückkehren können, wenn sie mit der Beschichtungsmasse beschichtet werden. Da das Geflecht nicht in der viskosen Polymerlösung eingebettet ist, steht nur die Außenfläche des Geflechts mit der Beschichtungsmasse in Kontakt, um das Geflecht mit einer mit Beschichtungsmasse und Polymer beschichteten Außenfläche zu versehen.
Es ist offensichtlich, dass die Beschichtungsdüse 10 eine Spezialdüse ist, die insbesondere zum Herstellen einer vorbestimmten Distanz zwischen der Rundungsöffnung 14 und der Dimensionierungsöffnung 24 vorgesehen ist, während ein mit einer Beschichtungsmasse beschichtetes Geflecht, das höchstens ungefähr 2,5 mm (Nenn-AD) groß ist, nacheinander durch beide Öffnungen bewegt wird. Die Menge an in die Beschichtungsdüse eindosierter Beschichtungsmasse und die Rate, mit der das Geflecht durch die Rundungsöffnung bewegt wird, werden durch Anwendung des Trial-and-Error-Verfahrens ermittelt, was für einen Fachmann unter vergleichbaren Umständen die normale Vorgehensweise ist.
Wenn das mit der Beschichtungsmasse beschichtete Geflecht die Dimensionierungsöffnung verlässt, wird es in ein Koagulierbad geführt, wobei es typischerweise über und unter einer Anzahl von Rollen geführt wird, so dass das flüssige Koagulans in dem Bad mit der gesamten Umfangsfläche des beschichteten Geflechts in Kontakt kommt. Da das Polymer in dem Koagulans unlöslich ist, dringt es nicht in den ausgebildeten Dünnfilm ein und tritt nicht in das Lumen ein. Beim Kontaktieren des Koagulans koaguliert die Beschichtungsmasse, so dass die gewünschte Dünnfilmmembran entsteht. Die Bohrung der Faser enthält unter atmosphärischem Druck stehende Luft.
3 zeigt einen stark vergrößerten diametralen Querschnitt eines rohrförmigen Geflechts, das generell mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist und das aus gewebtem Garn 31 mit einem Lumen ("Innenbohrung") 32 gebildet ist. Eine Dünnfilmmembran, die generell mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet ist, ist selbsthaftend an der äußeren Umfangsfläche 34 befestigt, welche rau und uneben ist, da sie aus dem verwobenen Garn gebildet ist, das angesichts der verwendeten Dicken und der Anzahl von Schussfäden, mit denen es verwoben ist, keine ebene Fläche bildet. Die wesentliche Charakteristik der Dünnfilmmembran 33 besteht darin, dass sie oberflächlich auf der Umfangs fläche des rohrförmigen Geflechts gehalten wird, ohne dass das Geflecht in den Dünnfilm eingebettet ist. Diese Charakteristik wird in einem Fotomikrograf ersichtlich, in dem eindeutig gezeigt wird, dass die innere Umfangsfläche der Bohrung 32 des rohrförmigen Geflechts im wesentlichen frei von Polymer ist.
4 zeigt eine stärker als in 3 vergrößerte schematische Darstellung der asymmetrischen Dünnfilmmembran 33, die, wenn sie durch Koagulieren gebildet wird, selbst in eine darüber liegende ultradünne Sperrschicht oder "Haut" 35 und drei eindeutig identifizierbare Porenschichten, nämlich eine Außenschicht 36, eine Innenschicht 38 und eine mittlere Transportschicht 37 zwischen der Außenschicht 36 und der Innenschicht 38 geschichtet ist, wie eine genauere schematische Darstellung in 4 zeigt. Die Haut ist eine sehr dünne dichte Polymerschicht, die gebildet wird, wenn die Beschichtungsmasse mit dem Koagulans in Kontakt kommt. Aufgrund der Art und Weise, in der die Haut und jede Schicht aus dem gleichen Polymer gebildet werden, weisen die Schichten in einer radial nach innen verlaufenden Richtung von unterhalb der Haut zu dem geflochtenen Garn 39, welches die Bohrung 32 begrenzt, immer größer werdende Poren auf. Gemäß 4 weist jedes "Ende" 39 oder Garn eine Vielzahl von Fäden 39' auf, und bildet die Umfangsfläche der miteinander verwobenen Garnsträhnen keine glatte zylindrische Fläche. Die Haut ist generell dünner und die Poren einer MF-Membran sind größer als diejenigen einer UF-Membran aus dem gleichen Polymer. Die (durch Elektronenmikroskopie) gemessene Hautdicke bestimmter Filme, die für die geflochtene Membran ausgebildet sind, ist nachstehend aufgeführt, um ihre Dicke in Bezug auf die Poren der Schichten anzugeben. Die ungefähren Größenbereiche der Poren der bevorzugten MF- und UF-Membranen sind nachstehend aufgeführt:
Tabelle 2
Bei Membranen ist die Dicke der Haut generell klein relativ zu der Dicke der Schichten. Die Haut ist bei einer UF-Membran dicker als bei einer MF-Membran, und bei einer (nicht gemessenen) RO-Membran wäre sie sogar noch dicker. Obwohl 4 nicht maßstabgetreu ist, ist aufgrund der Art und Weise, in der die Membran ausgebildet ist, die Dicke der Außenschicht generell kleiner als die der Transportschicht, welche wiederum nicht so dick ist wie die Innenschicht.
Die ungefähre Dicke jeder Schicht in einer geflochtenen MF- und UF-Membran ist in der folgenden Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, dürfen jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung, die in den beiliegenden Patentansprüchen definiert ist, angesehen werden.
Beispiel 1
Beschichten von unterschiedliche Eigenschaften aufweisenden Geflechten mit der gleichen Beschichtungsmasse:
In den folgenden Beispielen werden zwei rohrförmige Geflechte A und B aus Nylongarnen mit 6/6 Fasern, die bei anfänglicher Untersuchung Eigenschaften aufweisen, die im wesentlichen gleich sind, mit Ausnahme des Denier-Werts des Fadens, jeweils mit einer Beschichtungsmasse aus Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) in N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP), das ein hydrophiles Additiv aus Polyalkohol und eine Viskosität von 38.000 cP (cps) aufweist, beschichtet. Die Strömungsrate der Lösung zu der Düse ist derart eingestellt, dass die Lösung über eine Beschichtungsdistanz von 3 mm (0,125") auf und um die Peripherie des Geflechts fließt. Das mit der Lösung beschichtete Geflecht wird dann durch eine Dimensionierungsform mit einem Durchmesser von 2,5 mm gezogen und anschließend in einen Koagulationstank geführt, in dem die Polymerlösung in Wasser koaguliert, um eine semipermeable Membran mit einer Dicke von ungefähr 0,06 mm zu bilden, die auf dem rohrförmigen Geflecht gehalten wird, welches einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt annimmt. Das Geflecht wird dann durch ein Glycerinbad gezogen, getrocknet und auf die Spule einer Wickelmaschine aufgewickelt. Die Beschichtungsbedingungen sind für jedes Geflecht gleich, nämlich:

Badtemperatur 46 °C (115 °F)

WUS* 12,19 m/min (40 ft/min)
Die Geflechte unterschieden sich wie folgt voneinander:
Beim Testen der Filtrationseigenschaften zeigte das beschichtete Geflecht B eine Permeabilität, die doppelt so groß war wie die des beschichteten Geflechts A. Bei Untersuchung der beschichteten Geflechte hat sich herausgestellt, dass Geflecht A, das aus einem Garn mit einem niedrigeren Denier-Wert gebildet ist, ein "lockereres" Geflecht ergab, das es der Beschichtungsmasse ermöglichte, in die Innenwand des Geflechts einzudringen, das Geflecht einzubetten und wenig davon auf der Außenfläche zu belassen, wie nachfolgend gezeigt:
Ein Foto eines Querschnitts der geflochtenen MF-Membran, das mit einem Elektronenmikroskop hergestellt worden ist, zeigt, dass die Filtermembran auf dem Geflecht ungefähr 0,05 mm dick und das Geflecht nicht in den Film eingebettet ist. Die Dicke der Haut 35 und jeder einzelnen Schicht 36–38 ist abhängig von den Bedingungen, unter denen der Film hergestellt wird. Messungen in einer vertikalen Ebene durch den Umfang, über die Wand des Films liefern folgende Daten über die Porengrößen:

Abschnitt μm

Hautdicke 0,8

Außenschicht 36 0,781

Zwischenschicht 37 3,9

Innenschicht 38 14–32
Die geflochtene Membran wurde zur Herstellung eines MF-Filtrationsmoduls mit einer Konstruktion verwendet, die im US-Patent Nr. 5,783,083 von Mahendran et al beschrieben ist. Die bei 67 kPa (5 psi Ansaugdruck) und 22 °C gemessene Permeabilität gegenüber Wasser betrug 170 l/m²/h (170 LMH = 100 US–gfd).
Beispiel 2
Vergleich zwischen Geflechten aus Polyester- und Glasfasergarnen und einer "ADC"-Membran:
Eine Beschichtungsmasse, Code ADC, wird in ähnlicher Weise hergestellt wie die PVDF-in-NMP-Lösung, die in dem vorstehenden Beispiel 1 verwendet wird, und zwar mit 16 Teilen PVDF, 81 Teilen NMP, 2 Teilen HPVA und 1 Teil LiCl, weist eine Viskosität von 56.000 cP (cps) auf und wird einer Düse zugeführt, durch die rohrförmige Geflechte aus Glasfaser und Polyester bewegt werden, um Fasern zu bilden, die im wesentlichen identisch sind, mit Ausnahme des Materials des Garns, aus dem die Geflechte gebildet werden. Wie zuvor ist der Beschichtungsmassenfluss derart eingestellt, dass die Lösung über eine Beschichtungsdistanz von 3 mm (0,125") auf und um die Peripherie jedes Geflechts fließt, durch die gleiche Dimensionierungsform gezogen wird, in Wasser koaguliert, um eine dünne semipermeable Membran mit einer Dicke von 0,05 mm zu bilden, auf dem Geflecht gehalten wird und anschließend durch ein Glycerinbad gezogen wird. Jede geflochtene MF-Membran hat einen AD von ungefähr 1,88–1,92 mm, eine Zylindrizität von ungefähr 0,9 und einen ID von ungefähr 0,9 mm. Jedes beschichtete Geflecht wird auf die Spule einer Wickelmaschine aufgewickelt und zu Herstellen von Strängen verwendet.
Die Stränge jeweils mit einer Fläche von 12 m² (130 ft²) werden für einen MF-Betrieb in ein Reservoir mit Wasser platziert, das mit Sickerwasser von einer Mülldeponie kontaminiert ist. Der COD des Sickerwassers liegt im Bereich von 1000 bis 1500 mg/l. Luft in einer Menge von 400 bis 450 m³/h wird am Basisteil jedes Strangs bereitgestellt. Nach sechsmonatigem Betrieb unter normalen Betriebsbedingungen und bei Anwendung identischer Rückspülverfahren hat sich herausgestellt, dass jeder Strang, der ein Glasfasergeflecht enthielt, 2 bis 20 gebrochene Fasern aufwies.
Wenn Stränge, die aus Fasern eines Polyestergeflechts hergestellt sind, unter den gleichen Betriebsbedingungen und bei Anwendung der gleichen Rückspülverfahren dieselbe Operation durchführen wie die Fasern des oben genannten Glasfasergeflechts, war nach sechsmonatigem Betrieb keine einzige Faser des Polyestergeflechts gebrochen.
Beispiel 3
Eine Beschichtungsmasse wird in ähnlicher Weise hergestellt wie die PVDF-in-NMP-Lösung in dem oben beschriebenen Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass sie mit folgenden Komponenten in den folgenden relativen Mengen (Gewichtanteilen) hergestellt wird: N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) 82, Polyvinylidenfluorid (PVDF) 15; kalzinierte α-Aluminiumoxidpartikel ("α-Al") 2, 50 %iges hydrolysiertes Polyvinylacetat (HPVA) 1, was zusammen 100 Teile ausmacht.
70 g kalzinierte α-Partikel mit einer durchschnittlichen Primärpartikelgröße von ungefähr 0,4 μm werden in einem Glaskolben abgewogen, und es werden 2787 g NMP hinzugefügt und in einem Sonicator^® mindestens 1,5 Std. lang gründlich gemischt, um sicherzustellen, dass Agglomerate von Primärpartikeln aufgebrochen werden, um eine Suspension zu bilden, in der einzelne Primärpartikel in dem NMP voneinander beabstandet gehalten werden. Die Suspension ist milchigweiß, wobei die weiße Farbe von dem weißen kalzinierten α-Al hervorgerufen wird. Dieser Suspension werden langsam 525 g PVDF mit einem zahlenmäßigen Mittelwert des Molekulargewichts von 30.000 Dalton zugegeben, während ein Hochgeschwindigkeits-Rührvorgang durchgeführt wird, bis die Zugabe von PVDF abgeschlossen ist. Während der Zugabe von PVDF verändert sich die milchigweiße Farbe der Suspension zuerst zu pink, dann zu gelbbraun und am Ende zu graubraun. Da in NMP gelöstes PVDF keine Farbveränderung bewirkt und die milchigweiße Farbe der Suspension auf die α-Al-Partikel zurückzuführen ist, sind die Farbveränderungen ein Nachweis für eine Reaktion zwischen dem kalzinierten α-Al oder einer in dem kalziniertem Aluminiumoxid vorhandenen Base.
Wenn die graubraune Farbe des NMP/PVDF/α-Al-Komplexes in Suspension stabil ist und sich nicht verändert, wenn der Komplex über einen längeren Zeitraum von 4 Std. bis 24 Std. stehen gelassen wird, werden 118 g einer 30 %igen Lösung aus 50 %-igem HPVA mit 1,6–1,7 % Schwefelsäure in NMP zugegeben, um eine Beschichtungsmasse zu bilden, die über Nacht gerührt wird. Die Beschichtungsmasse wird dann entgast, und zwar entweder dadurch, dass sie 24 Std. lang stehen gelassen wird, oder durch Zentrifugieren. Die Viskosität der entgasten Beschichtungsmasse liegt bei ungefähr 14,500 Centipoise (cP).
Die gebildete Beschichtungsmasse wird einer Düse zugeführt, durch die das in dem vorstehenden Beispiel 1 verwendete Geflecht B mit ungefähr 12,2 m/min (40 ft/min) bewegt und von der es unter einem Druck von 274 kPa (25 psig) über eine Beschichtungsdistanz von 3 mm (0,125") beschichtet wird. Das beschichtete Geflecht wird in einer Dimensionierungsform mit einem Durchmesser von 2,55 mm dimensioniert, anschließend in einen Koagulationstank geführt, in dem die Polymerlösung in Wasser koaguliert, um eine semipermeable Membran mit einer Dicke von ungefähr 0,13 mm zu bilden, die von dem rohrförmigen Geflecht gehalten wird, welches eine Zylindrizität von ungefähr 0,9 aufweist. Dieses beschichtete Geflecht wurde dann durch sequentielles Eintauchen in erste und zweite Koagulationsbäder aus Wasser jeweils mit einer Temperatur von 47 °C (116 °F) abgeschreckt und schließlich durch ein Glycerinbad geführt, bevor es auf die Spule einer Wickelmaschine aufgewickelt wurde. Bei Tests hat sich herausgestellt, dass mit der geflochtene MF-Membran exzellente Resultate erzielt werden.
Nachdem ein Abschnitt der geflochtenen Membran über Nacht in kaltem Wasser gewaschen worden ist, wird ihre Permeabilität gegenüber Wasser durch Messung des Durchflusses bestimmt, wobei sich ein Wert von 6 l/m²/kPa/h (6 LMH/kPa) ergab, oder bei der es sich um eine Permeabilität von 25 GFD/psi, gemessen bei 35 kPa (5 psi), handelte. Ein weiterer Abschnitt der geflochtenen Membran wird mit einer wässrigen Lösung mit 2000 ppm Natriumhypochlorit (NaOCl) behandelt. Die Permeabilität der mit NaOCl behandelten Membran gegenüber Wasser betrug 12 l/m²/kPa/h (12 LMH/kPa), gemessen bei 35 kPa (50 GFD/psi, gemessen bei 5 psi). In jedem Fall lieferten die Porengrößenmessungen und die Molekulargewicht-Rückhaltevermögen-Messungen einen Nachweis dafür, dass die Poren in dem Film für die Mikrofiltration geeignet sind.

Claims

Eine Trennmembran mit folgenden Merkmalen: (a) einer rohrförmigen Geflechthalterung für eine Hohlfaser-Trennmembran, die aus 16 bis 60 separaten Garnen hergestellt ist, wobei jeder Garn einen Denier-Wert zwischen 150 und 500 aufweist; und (b) einer porösen Substanz, die an der Halterung angebracht ist, wobei die poröse Substanz die Außenumfangsoberfläche der Halterung bedeckt und Poren aufweist, die geeignet zur Verwendung als eine Trennmembran sind.
Die Membran gemäß Anspruch 1, bei der die Halterung im allgemeinen rohrförmig ist und einen Innendurchmesser von 0,5 mm oder mehr und einen Außendurchmesser von 3 mm oder weniger aufweist.
Die Membran gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Halterung im allgemeinen rohrförmig ist und eine Wanddicke zwischen etwa 0,2 mm und 1 mm aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung zumindest 30 Schußfäden (Kreuzungen/Zoll) aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung einen Mehrfachfaden aufweist, der aus 25 bis 750 Fäden hergestellt ist, wobei jeder Faden einen Denier-Wert von 0,5 bis 7 aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung ein rohrförmiges Geflecht aufweist, das mit 1 bis 3 Mehrfachfadenenden gewebt ist, wobei die Enden in jedem Garn nicht doubliert sind, sondern linear benachbart zueinander liegen, bis sie aufgenommen werden, um das Geflecht zu bilden.
Eine Trennmembran mit folgenden Merkmalen: (a) einer Halterung für eine Hohlfaser-Trennmembran, die aus Garnen hergestellt ist, die in ein Rohr geflochten sind, wobei jeder Garn einen Denier-Wert zwischen 200 und 400 aufweist, mit 16 bis 28 Trägern; und (b) einer porösen Substanz, die an der Außenumfangsoberfläche der Halterung angebracht ist und dieselbe bedeckt und Poren aufweist, die geeignet zur Verwendung als eine Trennmembran sind, wobei die Halterung zumindest 30 Schußfäden pro Zoll, einen Außendurchmesser zwischen 1,5 mm und 2,5 mm und eine Wanddicke zwischen 0,15 mm und 0,5 mm aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung zumindest 16 separate Garne aufweist und mit 1 bis 3 Mehrfachfadenenden gewebt ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung einen Mehrfachfaden aufweist, der aus 40 bis 100 Fäden hergestellt ist, wobei jeder Faden einen Denier-Wert von 0,3 bis 6 aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung separate Garne aufweist, die in ein Muster gewebt sind, das aus einem Diamantmuster, einem normalen Muster und einem Herkules-Muster ausgewählt ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung mit 1 bis 3 Mehrfachfadenenden gewebt ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Permeabilität der Halterung gegenüber Luft ohne die angebrachte poröse Substanz bei 1,378 kPa zumindest 1 cm³/sek/cm² beträgt.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Permeabilität der Halterung gegenüber Luft ohne die angebrachte poröse Substanz bei 1,378 kPa weniger als etwa 10 cm³/sek/cm² beträgt.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Garne auf eine stabile Länge vorgeschrumpft sind.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung eine Bruchdehnung von zumindest 10% aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung eine vorgeschrumpfte Länge aufweist, die zumindest 1% kleiner als eine ungeschrumpfte Länge der Halterung ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung eine vorgeschrumpfte Länge aufweist, die zwischen 1% und 20% kleiner als eine ungeschrumpfte Länge der Halterung ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung eine vorgeschrumpfte Länge aufweist, die zwischen 1% und 8% kleiner als eine ungeschrumpfte Länge der Halterung ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung flexibel, makroporös und rohrförmig ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung eine Bruchdehnung von zumindest 20% aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die poröse Substanz von der Außenoberfläche der Halterung bis zu der Außenseite der porösen Substanz zumindest 0,05 mm dick ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die poröse Substanz über die Außenoberfläche der Halterung hinaus bis zu der Außenseite der porösen Substanz zwischen 0,5 mm und 3,0 mm dick ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die poröse Substanz über die Außenoberfläche der Halterung hinaus bis zu der Außenseite der porösen Substanz weniger als 2,0 mm dick ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung nicht in die poröse Substanz eingebettet ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung im allgemeinen rohrförmig ist und einen Innendurchmesser von 0,5 mm oder mehr aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung im allgemeinen rohrförmig ist und eine Wanddicke von etwa 0,3 mm aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die poröse Substanz Poren mit einer Größe aufweist, die geeignet zur Verwendung als eine Mikrofiltrier- oder Ultrafiltriermembran ist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halterung eine Feuchtigkeitsaufnahme von 0,2 bis 7 Gewichtsprozent aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der sich jeder Garn auf seinem eigenen Träger befindet.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran zwischen 36 und 44 Schußfäden aufweist.
Die Membran gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Garne aus Polyester sind.