DE2221951C2 - Membraneinheit zum Reinigen eines Flüssigkeitsgemisches durch Anwendung der umgekehrten Osmose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membraiieinhelt gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Anwendung der umgekehrten Osmose wird ein Flüssigkeitsgemisch, z. B. eine Lösung, eine Aufschlämmung oder eine kolloidale Suspension mit einer halbdurchlässigen Membran in Berührung gebracht und einem Druck ausgesetzt, der den osmotlschen Druck des Flüssigkeitsgemisches übersteigt. Infolge hiervon wird die Membran von dem verhältnismäßig reinen Lösungsmittel durchdrungen, das aufgefangen oder beseitigt werden kann, während das Flüssigkeitsgemisch selbst konzentriert wird. Die Höhe des aufgebrachten Drucks hängt vorwiegend von dem zu behandelnden Flüssigkeitsgemisch ab und sie kann verhältnismäßig hoch sein. Beispielsweise beträgt der osmotische Druck von Meerwasser ungefähr 24,5 kg/cm², und Meerwasser wird bei der umgekehrten Osmose einem Druck von 70 kg/cm² ausgesetzt. Die Membran muß daher so abgestützt werden, daß sie bei den hohen Betriebsdrücken nicht reißt.

Bei einer bekannten Membraneinheit der eingangs erwähnten Art (US-PS 34 85 374) weisen die Membranzellen jeweils In einer zu deren Längsachsen senkrechten Ebene einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind in bezug aufeinander so angeordnet, daß jede Zelle an benachbarten Zellen punktförmig anliegt, was eine ungünstige Druckverteilung zur Folge hat. Die semipermeable Membran Ist auf der lnnenrohrfläche eines porösen Rohres mit kreisförmigem Querschnitt abgestützt.

das aus einem gegen verhältnlsmäßg hohe osmotische Drücke widerstandsfähigem Material hergestellt Ist. Das heißt es kann bruchlos bei einem Druck von 70 kg/cm² und mehr arbeiten, bei dem die umgekehrte Osmose stattfindet. Das Rohr, das aus Kunstharz-Material hergestellt sein kann, weist im Abstand angeordnete, die Porosität des Rohres bildende Löcher sowie ein poröses Filterrohr auf, das aus einem Nylongewebe bestehen kann, das wiederum Innen mit der semipermeablen Membran ausgerüstet ist. Das Nylongewebe und die Membran sind notwendigerweise schlaff ausgebildet und weisen eine hohe Flexibilität auf, wodurch sich jedoch ihre Auswechslung schwierig gestaltet. Auch besteht die Gefahr, daß das Nylongewebe und die Membran von dem auf die lnnenrohrfläche wirkenden Druck durch die die Perforation bildenden Löcher hinausgedrückt werden, wobei die Membran drehen kann. Die Enden der Rohre der bekannten Membraneinheit weisen eine Umfangsnut auf, und feste Wicklungen eines Fiberglasbandes sind um die Enden eines Bündels der Rohre gewickelt. Endflansche sind an den Enden der Außenrohre angegossen, wodurch eine dichte Verbindung mit den Oberflächen und den Umfangsnuten der Rohre geschaffen wird. Das gesamte Rohrbündel stellt somit eine starre, dauerhafte Anordnung dar, die ein Entfernen eines einzelnen Rohres aus dem Bündel im Falle einer Beschädigung nicht zuläßt.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Membraneinheit gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß durch verbesserte Druckverteilung der aneinanderliegenden Membranzellen eine Membranabsiützung, die an sich für die bei der umgekehrten Osmose auftretenden verhältnismäßig hohen Drücke nicht widerstandsfest zu sein braucht, mit gegenüber dem Stand der Technik beträchtlich gesteigerter Effektivität einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst, daß jede Membranzelle in einer zu deren Längsachse senkrechten Ebene an der Außenseite einen sechseckigen Querschnitt aufweist, und daß jede Membranzelle auf der Innenseite in Längserslreckung verlaufende Rillen zur Ableitung des die Membran und die poröse Abstützung durchströmten Permeats aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Membraneinheit ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bekannt ist eine Membraneinheit für die umgekehrte Osmose (DE-OS 21 19 906), bei der die einzelnen rohrförmigen Membranzellen In einer zu deren Längsachse senkrechten Ebene eine hexogonale Querschnitlsfläche aufweisen und eine honigwabenförmige Anordnung bilden. Die porösen Stützen der Membranen weisen hier einen verhältnismäßig massiven Aufbau auf, der stabil genug Ist, um einen Druck der Größenordnung von 70 kg/cm², wie er bei der umgekehrten Osmose auftritt, zu widerstehen.

Bekannt ist ferner bei einer Einrichtung zum Entfernen eines aufgelösten Materials einer Flüssigkeit durch umgekehrte Osmose (DE-OS 20 03 792) das Abstützrohr mit Rillen zu versehen, um das Permeat innerhalb des Rohres in Längsrichtung ableiten zu können.

Die erfindungsgemäße Membraneinheit erweist sich durch ihren speziellen Aufbau Insbesondere dadurch als vorteilhaft, daß die poröse Abstützung jeder Membranzelle nicht für sich allein widerstandsfest für die bei der umgekehrten Osmose auftretenden Betriebsdrücke zu sein braucht, die bei der Entsalzung von Meerwasser 70 kg/cm² und mehr betragen. In diesem Fall genügt es, wenn die Abstützungen einzeln einem Innendruck von

2,8 bis 3,5 kg/cm² widerstehen können. Infolgedessen können diese Abstützungen verhältnismäßig dünnwandig hergestellt werden, wodurch Materialeinsparungen möglich sind. Es können verschiedene Werkstoffe verwendet werden, die die erwünschte Korrosionsfestigkeit aufweisen, jedoch nicht allzu fest sind, wie z. B. korrosionsfeste und preiswerte Kunststoffe. Da aufgrund der Zueinanderordnung der Membranzellen keine Zwischenräume zwischen Ihren Abstützungen bestehen und letztere selbst verhältnismäßig dünnwandig sind, können in dem rohrförmigen Gehäuse mit gegebenen Abmessungen im Vergleich zum Stand der Technik mehr Abstützungen und damit mehr Membranzellen angeordnet werden, so daß Insgesamt eine wesentlich größere Membranfläche zur Verfügung steht. Mit der erfindungsgemäßen Membranelnheit ist daner eine Steigerung der gesamten Abscheidekapazität pro vorgegebener Zeitspanne möglich.

Die erfindungsgemäße Membraneinheit wird nun im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben. In letzteren ist

Fig. 1 ein senkrechter Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membraneinheit,

Fi g. 2 ein vergrößert gezeichneter Schnitt gemäß Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 ein Ausschnitt einer Schnitts einer Abstützung einer Membranzelle der erfindungsgemäßen Membraneinheit,

Fig. 4 ein Ausschnitt einer Draufsicht auf eine Leitplatte, die in der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Membraneinheit Anwendung findet.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membraneinheit mit einem langgestreckten rohrförmigen Gehäuse 10, das zur Schaffung ausreichender Festigkeit aus einem mit Glasfasern verstärkten Harz herstellbar Ist. Das Gehäuse 10 ist an den Enden von zwei Kappen 12 abgeschlossen, die an der Gebrauchsstelle von Federringen 14 festgehalten werden, die In Nuten 16 an der Innenseite des Gehäuses 10 eingesetzt sind.

Das am weitetesten links gelegene Ende der Kappe 12 weist, wie Flg. 1 zeigt, eine Gewindebohrung 18 auf, die als Einlaß für ein zu behandelndes Flüssigkeitsgemisch dient. Das am weitesten rechts gelegene Ende der Kappe 12 weist ebenfalls eine Gewindebohrung 20 auf, die als Auslaß für das zu behandelnde Flüssigkeitsgemisch dient.

Jede Kappe 12 Ist am Umfang mit einer Nut 22 zur Aufnahme eines Dichtungsringes 24 versehen.

Im Gehäuse 10 sind zwischen den Kappen 12 mehrere langgestreckte, rohrähnliche Membranzellen 26 angeordnet. Jede Membranzelle 26 wird von einer unperforierten Abstützung 28, die als Leitung für die reine Flüssigkeit dient, und einer einheitlichen Membrananordnung 30 gebildet, die aus einem aus porösem Material bestehenden äußeren Rohr 32, einer an der Innenrohrfläche angegossenen, halbdurchlässigen, rohrähnlichen, folienartigen Membran 34 sowie aus je einer flüssigkeitsundurchlässigen Kunststoffbuchse 36 an Ihren Enden besteht.

Wie aus den Flg. 2 und 3 hervorgeht, weist die Abstützung 28 in einer zur Längsachse der Membranzelle 26 senkrechten Ebene an der Außenseite 40 einen sechseckigen Querschnitt mit gleich langen Seiten und eine kreisrunde Innenseite 38 auf. Die kreisrunde Innenseite 38 weist eine Vielzahl In Längserstreckung verlaufender Rillen 42 auf. Insbesondere strömt das Permeat, das die Membran 34 und das diese umgebende poröse Rohr 32 durchdrungen hat, zwischen die Membrananordnung 30 und die Abstützung 28 und wird in deren Rillen 42 zum Ende der Abstützung 28 abgeleitet und dann gesammelt. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, sind ein Bündel bildende Membranzellen unter Bildung einer honlgwabenförmigen Anordnung im Gehäuse 10 In bezug aufeinander so angeordnet, daß jede Zelle an benachbarten Zellen anliefet, so daß die Drücke an benachbarten Zellen sich gegenseitig aufheben, und/oder mit einem keilförmigen Element 44 in Berührung steht. Das keilförmige Element

ic 44 ist zwischen dem Gehäuse 10 und dem Zellenbündel angeordnet, dessen eine Oberfläche 48 der Innenfläche des Gehäuses 10 und dessen entgegengesetzte Oberfläche 46 den äußeren Flächen des Zellenbündels angepaßt sind. Um das Zusammensetzen der erfindungsgemäßen Membraneinheit zu erleichtern, wird das keilförmige Element zweckmäßig vom Gehäuse 10 gesondert hergestellt. Zweckmäßig können mehrere keilförmige Elemente 44 zu einer kreisrunden Anordnung im Gehäuse 10 zusammengesetzt werden.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, verlaufen die Kunststoffbuchsen 36 jeder Membrananordnung 30 vom Ende der zugeordneten Abstützung 28 aus durch eine Stauplatte 50, einen Hochdruckbereich 52 bis zu Abdichtungen 54, die an der Innenseite der Kappen 12 anliegen. Jede Abdichtung 54 weist mehrere Öffnungen 56 auf, die die Enden der Kunststoffbuchsen 36 aufnehmen und die auf Umleitungskanäle 58 in den Kappen 12 ausgerichtet sind. Eine der Öffnungen 56 in einer der Abdichtungen 54 ist auf die Einlaßbohrung 18 und eine andere Öffnung £6 an der entgegengesetzten Abdichtung 54 auf die Auslaßbohrung 20 ausgerichtet.

Die Abdichtungen 54 sollen bewirken, daß das durch den Einlaß einströmende Flüssigkeitsgemisch mit Sicherheit durch jede Membranzelle 26 In derjenigen Reihenfolge geleitet wird, die von der Anordnung der Umleitungskanäle 58 In beiden Kappen 12 bestimmt wird, so daß die Flüssigkeit schließlich zum Auslaß 20 strömt. Die Abdichtung 54 braucht nicht zu verhindern, daß das Flüssigkeitsgemisch zwischen der Kunststoffbuchse 36 und der Abdichtung 54 zum Hochdruckbereich 52 strömt, da erwünscht ist, daß eine gewisse Menge der unter Druck stehenden Flüssigkeit zu den Hochdruckbereichen 52 strömt.
Jede Stauplatte 50 weist, wie am besten aus den Fi g. 1 und 4 hervorgeht, eine Anzahl Öffnungen 60 auf, die zu den Abstützungen 28 ausgerichtet sind und durch die die Kunststoffbuchsen 36 sich erstrecken. An der Innenseite jeder Stauplalte 50 sind mehrere Nuten 62 vorgesehen, die alle Öffnungen 60 untereinander strömungsmäßig zu der Öffnung 60 hin verbinden, die zu der mittig gelegenen Abstützung der Membraneinheit ausgerichtet 1st.

An der entgegengesetzten Seite jeder Stauplatte 50 1st mittels eines geeigneten Klebstoffes ein Abdichtungselement 64 befestigt. Das Abdichtungselement 64, das mit der Stauplatte 50 auch einstückig ausgebildet sein kann, weist eine Anzahl Öffnungen 66 auf, die auf die Öffnungen 60 ausgerichtet sind und einen kleineren Querschnitt als letztere aufweisen, so daß über jeder Öffnung 60 eine kleine ringförmige Lasche 68 liegt. Am gesamten Umfang jeder Stauplatte 50 1st eine ähnliche Lasche 69 vorgesehen.

Wird gemäß Fig. 1 eine Kunststoffbuchse 36 durch eine Öffnung 60 der Stauplatte 50 In die Abdichtung 54 eingesetzt, so werden die Laschen 68 und 69 nach außen abge'^nkt, so daß die Laschen 68 die Kunststoffbuchsen 36 eng umfassen und die Laschen 69 sich fest an die Innenseite des Gehäuses 10 anlegen und sich jeweils dabei in den Hochdruckbereich 52 hineinerstrecken.

Wird In den Einlaß 18 ein Flüssigkeitsgemisch unter dem Betriebsdruck der umgekehrten Osmose eingelassen, so strömt eine gewisse Menge der Flüssigkeit zwischen der Abdichtung 54 und den Kunststoffbuchsen 36 in den Hochdruckbereich 52 und drückt auf die Außenseite der Laschen 68 und 69. Hierdurch legen sich die Laschen 68 an die Kunststoffbuchsen 36 und die Laschen 69 an die Innenseite des Gehäuses 10 abdichtend fest an. Je höher der Druck im Hochdruckbereich 52 Ist, um so sicherer Ist die von den Laschen 68 und 69 bewirkte Abdichtung.

Die Membraneinheit weist ferner zwei nach außen vorragende Auslaßrohre 70 für das abgeleitete Permeat auf, die sich durch in der Mitte der Kappen 12 gelegene Bohrungen 72 erstrecken, Jede Bohrung 72 weist In der Bohrungswand eine Nut 74 auf, In die ein Abdichtungsring 76 eingesetzt Ist, der am betreffenden Auslaßrohr 70 abdichtend anliegt.

Die am weitesten innen gelegenen Enden der Auslaßrohre 70 weisen eine Aufweitung 78 auf, über die die Auslaßrohre 70 jeweils In der zugeordneten Öffnung 60 der Stauplatten 50 gehaltert sind. Die Aufweitungen 78 sind auf das In der Mitte des Bündels gelegene Abstützrohr 80 ausgerichtet, das Im Gegensatz zu den Abstützrohren 28 so stark bemessen ist, daß es widerstandsfest für den bei der umgekehrten Osmose auftretenden Betriebsdruck ist. Zwischen den Aufweitungen 78 und den zugeordneten Enden des Abslützrohres 80 ist jeweils ein kleiner Spalt 82 vorhanden.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Membraneinheit wird ein Flüssigkeitsgemisch unter dem bei der umgekehrten Osmose auftretenden Betriebsdruck in den Einlaß 18 eingelassen, durchströmt alle Membranzellen 26 und tritt schließlich am Auslaß 20 der Membraneinheit wieder aus. Ein Teil des Lösungsmittels des Flüssigkeitsgemisches durchdringt die Membran 34 in jeder Membrananordnung 30 und das die Membran 34 umgebende poröse Außenrohr 32, worauf das Permeat von den In der Innenseite der Abstützung 28 in Längsrichtung verlaufenden Rillen 42 zu den Stauplatten 50 abgeleitet wird. Hier strömt das Permeat In den Nuten 62 an der Innenseite der Stauplatten 50 zu der In der Mitte gelegenen Öffnung 60 der Stauplatten 50, an die sich jeweils das Auslaßrohr 70 für das Permeat anschließt, durch das das Permeat aus der Membraneinheit zwecks Wiederverwendung oder Beseitigung abgelassen werden kann. Das Im Bündel der Membranzellen 26 mittig gelegene Abstützrohr 80 ermöglicht eine Strömung des Permeats von einem zum anderen Ende der Membraneinheit, so daß ein Auslaßrohr 70 bei Bedarf durch einen Stopfen verschlossen werden kann.

Im Betrieb der Membraneinheit besteht in jeder Membranzelle 26 ein erheblicher Druck, der nach außen gegen die Abstützung 28 wirkt. Da jede Abstützung 28 jedoch an den benachbarten Abstützungen 28 und/oder an dem keilförmigen Element 44 umfangsmäßig anliegt und da in den Membranzellen 26 im wesentlichen der gleiche Druck herrscht, heben sich die Drücke benachbarter ZeI-len gegenseitig auf und übertragen den gesamten Druck entweder auf das In der Mitte gelegene Abstützrohr 80, das dem bei der umgekehrten Osmose auftretenden Betriebsdruck zu widerstehen vermag, oder der gesamte Druck wird auf das keilförmige Element 44 und damit auf das Gehäuse 10 übertragen. Das Gehäuse 10 ist ebenfalls ausreichend stabil ausgebildet, um den ausgeübten Drücken zu widerstehen, so daß ein Reißen der einzelnen Abstützungen 28 vermieden wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Membraneinheit zum Reinigen eines konzentrierten Flüssigkeitsgemisches durch Anwendung der umgekehrten Osmose mit einem langgestreckten, rohrförmigen Gehäuse (10), das bruchfest den bei der umgekehrten Osmose auftretenden Betriebsdrücken widersteht, mit einer Vielzahl langgestreckter, rohrähnlicher Membranzellen (26) in dem Gehäuse (10), von denen jede ein äußeres Abstützrohr (28), ein inneres poröses Rohr (32) und eine auf der Innenfläche des porösen Rohrs (32) angeordneter, semipermeable Membran (34) aufweist, wobei die Membranzellen in bezug aufeinander so angeordnet sind, daß jede Zelle an benachbarten Zellen anliegt, so daß die Drücke an benachbarten Zellen sich gegenseitig aufheben, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membranzelle (26) zur Bildung einer honigwabenförmigen Anordnung in einer zu seiner Längsachse senkrechten Ebene an der Außenseite einen sechseckigen Querschnitt aufweist, und daß jedes Abstützrohr (28) unperforiert ist in auf der Innenseite in Längserstrekkung verlaufende Rillen (42) zur Ableitung des die Membran (34) und die poröse Abstützung (32) durchströmenden Permeats aufweist.

2. Membraneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein keilförmiges Element (44) zwischen dem Gehäuse (10) und den ein Zellenbündel bildenden Membranzellen (26) angeordnet ist, dessen eine Oberfläche (48) der Innenfläche des Gehäuses (10) und dessen entgegengesetzten Oberflächen den äußeren Flächen des Zellenbündels angepaßt sind.

3. Membraneinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützrohr (28) aus einem Kunststoff besteht.