DE2234289C3 - Verfahren zur Herstellung eines Membran- Modulaggregats fur die Umkehrosmose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Modulaggregats für die Umkehrosmose.

Die Umkehrosmose stellt bekanntlich den Umkehrprozeß zur Osmose dar und dient zur Abtrennung von molekular-dispers verteilten Substanzen aus (üblicherweise wäßrigen) Lösungen unter Verwendung einer sehr dünnen Membran, deren Trennmechanismus auf der Fähigkeit des abzutrennenden Materials beruht, in der Membranphase in Lösung zu gehen und sodann durch die Membran im Wege eines Molekulardiffusionsprozesses hindurchzuwandern. Die Trennwirkung der Grenzschichtmembran beruht auf Unterschieden in der Löslichkeit und der Diffusionsgeschwindigkeit zwischen den in Lösung befindlichen Molekülarten und dem Lösungsmittel (in der Regel Wasser). Bei der Umkehrosmose handelt es sich somit nach dem zugrundeliegenden Trennmechanismus um einen molekularen Diffusionsprozeß der in erster Linie von der Löslichkeit und der Diffusionsgeschwindigkeit der zu trennenden Substanzen bestimmt wird, während die Teilchengrößen der (regelmäßig im niedrigmolekularen Bereich liegenden) Trennsubstanzen keine ausschlaggebende Rolle spielen, vielmehr die zu trennenden Substanzen (beispielsweise die Wassermoleküle des Lösungsmittels Wasser und die Moleküle der darin gelösten Substanzen) durchaus in der gleichen Größenordnung liegen können. Damit unterscheidet sich die Umkehrosmose in gewisser Weise hinsichtlich des zugrundeliegenden Trennmechanismus von der Ultrafiltration bzw. der DiaSyse, deren Trennmechanismus in erster Linie auf einer unterschiedlichen Teilchengröße der zu trennenden Substanzen beruht und die daher im eigentlichen engeren Sinn Filtrationsverfahren sind und regelmäßig zur Abtrennung kolloidaler Substanzen oder jedenfalls hochmolekularer Substanzen von niedrigmolekularen im Sinn eines Filtrationsverfahrens dienen. Diesen

ίο grundsätzlich verschiedenen Trennmechanismen von Umkehrosmose einerseits und Ultrafiltration bzw. Dialyse andererseits entsprechen unterschiedliche Verfahrensbedingungen. Die Umkehrosmose wird bei relativ hohen Drücken oberhalb etwa 30 at ausgeführt,

ι S während die Ultrafiltration und die Dialyse entweder überhaupt bei Normaldruck oder jedenfalls bei wesentlich niedrigeren Drücken von typischerweise weniger als etwa 7 at, d. h. also weniger als einem Viertel der Mindestdrücke bei der Umkehrosmose, ausgeführt werden. Die Umkehrosmose wird mit verhältnismäßig niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten der Einsatzlösung in dem Membrankanal durchgeführt, mit verhältnismäßig hohem Membrandurchsatz der durchgelassenen Substanz je Durchgang der Einsatzlösung durch den Membrankanal. Umgekehrt wird die Ultrafiltration bei wesentlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten der Einsatzlöfung durch den Membrankanal und mit sehr geringem Membrandurchsatz der durchgelassenen Substanz je Durchgang der Einsatzlösung durch den Membrankanal ausgeführt. Die vorstehend genannten Unterschiede hinsichtlich des zugrundeliegenden Trennmechanismus und der grundlegenden Verfahrensbedingungen zwischen Umkehrosmose einerseits und Ultrafiltration und Dialyse andererseits haben auch grundlegende Unterschiede der für die beiden Verfahrensarten verwendeten Vorrichtungen und insbesondere der Membrankonstruktionen zur Folge. Hinsichtlich der Membranstruktur wird für die Umkehrosmose gewissermaßen ein Molekularfilter benötigt, während für die Ultrafiltration bzw. Dialyse ein Filter für kolloidale oder jedenfalls große Teilchenabmessungen erforderlich ist. Wesentlich unterschiedliche Anforderungen ergeben sich auch aus der unterschiedlichen Druckbelastung, welcher die Membranen im Betrieb bei den erwähnten Prozeßarten unterliegen. Für die Umkehrosmose ist eine geeignete Druckabstützung der Membran von kritischer Bedeutung, angesichts der erwähnten verhältnismäßig hohen Druckbeaufschlagung in Verbindung mit dem für diesen Prozeß üblicherweise verwendeten leicht zerbrechlichen, spröden, dünnen Polymermembranmaterial und angesichts der Tatsache, daß die Membran im Betrieb einer großen Zahl von Druckbeaufschlagungs- und Druckentlastungszyklen ausgesetzt ist. Demgegenüber sind bei der

SS Ultrafiltration und der Dialyse angesichts der wesentlich geringeren Drücke die Beanspruchungen und die sich daraus ergebenden Anforderungen für die Ausbildung der Druckabstützung wesentlich niedriger und weniger kritisch.

Insgesamt folgt aus den vorstehenden Darlegungen, daß trotz der äußeren Ähnlichkeit der für Umkehrosmoseverfahren bzw. für Ultrafiltrations- oder für Dialyseverfahren verwendeten Apparaturen und trotz der zum Teil fließenden Übergänge zwischen den erwähnten verschiedenen Prozeßarten, die geschilder ten Unterschiede der Verfahrens- und vorrichtungsmäßigen Voraussetzungen, insbesondere die in unterschiedlichen Größenordnungen liegenden zur Anwen-

dung kommenden Betriebsdrücke eine einfache Übertragung von Merkmalen bzw. Erkenntnissen zwischen den genannten Prozeßarten ausschließen.

Rohrförmige Membranen bzw. Diaphragmen für die Umkehrosmose, wie sie beispielsweise i'ur mit Umkehrosmose arbeitende Reinigungs- und Aufbereitungsanlagen verwendet werden, werden normalerweise in geradlinigen Stücken von manchmal 6 m Länge und mehr hergestellt; ihre Handhabung bereitet daher manchmal Schwierigkeiten, und zwar sowohl während des Zusammenbaus und der Montage, wie auch bei einer späteren Auswechselung. Da ferner für die Membran ein Halterungs- bzw. Stützüberzug zur Aufnahme der Druckbelastung erforderlich ist, sind, da derartige Längen durch unsachgemäße Handhabung und beim Transport leicht beschädigt werden können, ziemlich starre Halterungsgebilde während des Transports und nach dem Einbau in einen Modul erfordeuich; unter einem Modul wird dabei ein Aggregat aus mehreren derartigen Membranen (zur Erhöhung des nutzbaren Durchsatzes) verstanden. Da ferner der Ausstoß an »Produktflüssigkeit«, d. h. der der Umkehrosmose-Behandlung unterworfenen Flüssigkeit, eine Funktion der Gesamtfläche der Membran ist, wird üblicherweise eine große Anzahl derai uger rohrförmiger Membranen entweder in Reihe, parallel oder in beiderlei Anordnung angewandt, was wiederum eine betriebsmäßige Halterungsvorrichtung von erheblicher Abmessung erforderlich macht. Eine Verringerung der Länge und eine entsprechende Erhöhung der Zahl von geradlinigen Membranrohren ist deshalb unerwünscht, weil hierdurch mehr Anschlußfittings benötigt werden, was entsprechende zusätzliche Kosten verursacht und außerdem Leck- und andere Störprobleme eröffnet. In der Fachwelt war es daher bekannt, daß für eine bestimmte Produktwasserausgangsleistung weniger und längere Membranrohre vorzuziehen sind.

Die bei der Installation und Auswechselung langer geradliniger Membranen auftretenden Schwierigkeiten hatten es mit sich gebracht, daß häufig zwei oder mehr Arbeiter für diese Arbeiten erforderlich waren, wobei gleichzeitig stets die Gefahr bestand, dab die Membran durch Unachtsamkeit über das zulässige Maß gebogen und hierdurch geschwächt oder dauerhaft beschädigt würde.

Aus der CH-PS 4 50 360 ist eine speziell zum Auswaschen von dispergierten Stoffen im Gegenstrom bestimmte Vorrichtung bekannt, bei welcher auf einem zylindrischen Tragkörper eine Rohrschlange spulenförmig aufgewickelt ist, wobei die Rohrschlange als konzentrisches Doppelrohr mit einem inneren teildurchlässigen Membranrohr und einem äußeren undurchlässigen Rohrmantel ausgebildet ist. In dem inneren Membranrohr strömt die zu behandelnde Dispersion, während in dem umgebenden Ringraum zwischen dem Membranrohr und dem Außenrohr eine Auswaschfiüssigkeit im Gegenstrom geführt wird. Die bekannte Anordnung ist zwar wie gesagt in erster Linie für die Behandlung von Dispersionen bestimmt, jedoch sind als weitere Anwendungsgebiete auch die Behandlung echter und kolloidaler Lösungen im Wege der Dialyse, Elektrodialyse, Osmose bzw. Ultrafiltration erwähnt. Nähere Angaben über die Herstellung des Rohrwickels, insbesondere über die Bedingungen, unter welchen das Doppelrohr zu dem Spulenwickel gebogen und aufgewickelt wird, sind nicht gemacht.

Aus der FR-PS 13 97 297 ist ein speziell für Dialyse und Ultrafiltration bestimmtes Modulaggregat bekannt, das in einem zylindrischen starren Gehäuse, beispielsweise aus Pyrex-Glas auf einem Traggerüst ein zu einer mehrlagigen Spule gewickeltes Mernbranrohr aufweisL Im einzelnen sind zur Halterung des Membranrohrs Stützkörper für die inneren und für die äußeren Spulenlagen vorgesehen, die an einem zentralen Schaft bzw. an Stangen befestigt sind. Nähere Angaben über die Herstellung des Membranrohrs und seine Formgebung zu dem Spulenkörper sind nicht gemacht

ic Die US-PS 26 50 709 schließlich betrifft eine Vorrichtung zur extrakorporealen Blutdialyse (»künstliche Niere«). Die bekannte Vorrichtung ist eine Spiralanordnung, bei welcher zwischen zwei stirnseitigen Kreisplatten ein Membranflachschlauch spiralförmig von einer radiai äußeren Zufuhrstelle zu einer radial inneren Austrittsstelie verläuft. Die einzelnen Lagen der Membranschlauchspirale sind durch Wellmetalleinlagen in Abstand voneinander gehalten; dieser ebenfalls spiralig zusammenhängende Abstandsraum zwischen den einzelnen Lagen des Membranschlauches bildet den Strömungweg für die den Membranschlauch außen umspülende Waschflüssigkeit, welche an einer radial innen gelegenen Stelle zu- und an einer radiai außen gelegenen Stelle abgeführt wird. Das zu reinigende Blut fließt somit in der Dialyseapparatur in der Membranschlauchspirale von außen nach innen und entsprechend die Waschflüssigkeit von innen nach außen. Als Material ist für den Membranschlauch 19 ebenfalls Cellophan angegeben. Nähere Angaben über die Herstellung des Membranrohrs und seine Formgebung zu dem Spulenkörper sind auch hier nicht gemacht.

Insgesamt ist diesen bekannten Anordnungen somit im vorliegenden Zusammenhang ein speziell für Dialyse oder Ultrafiltration bestimmtes Membranrohraggregat in Form eines Spiral- bzw. Spulenwickels zu entnehmen, ohne daß jedoch nähere Angaben über die Herstellung eines derartigen gebogenen Aggregats gemacht werden. Wie eingangs dargelegt, ergeben sich bei speziell für Umkehrosmose-Anagen bestimmten Membranen besondere Probleme aus dem für derartige Membranen erforderlichen spröden und daher leicht zerbrechlichen und außerdem sehr dünnen Membranmaterial und der erforderlichen hohen Druckfestigkeit des Membranrohrmodulaggregats gegenüber den hohen Betriebdrükken.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Membran- Modulaggregats für die Umkehrosmose, das in an sich bekannter Weise ein zu einem Spulenwickel gebogenes und aufgewickeltes, mit einer Abstützhalterung zur Aufnahme des hohen Betriebsinnendruckes versehenes Membranrohr aufweist.

Der Erfindung liegt, ausgehend von den Dialyse- und Ultrafiltrationszwecke an sich bekannten spulenwickelförmigen Membranschlauchaggregaten, als Aufgabe die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Aggregats zugrunde, das den besonderen Erfordernissen der für Umkehrosmose bestimmten Membranschlauchaggregate (d. h. Aggregate, die bezogen auf eine gegebene Membranschlauchlänge bzw. -fläche einen möglichst geringen Vclumenbedarf besitzen) mit innerhalb eines verhältnismäßig weiten Bereichs genau kontrollierbaren Osmoseeigenschaften der Membran ermöglicht. Insbesondere soll durch die Erfindung die Herstellung eines kompakten Membranschlauchaggregats bzw. -segments für die Umkehrosmose ermöglicht werden, das einzeln oder zu mehreren kombiniert verwendet werden kann, wobei in dem

Modulaggregat ggfs. Rohrstücke unterschiedlicher Länge auswechselbar angeordnet sein sollen, derart daß der Ausstoß eines derartigen Modulaggregates in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bedarfsanforderungen in einfacher Weise durch Zufügung oder Wegnahme von Membraneinheiten veränderbar ist; das erfindungsgemäß hergestellte Membranaggregat soll die Anwendung hoher hydraulischer Betriebsdrücke ohne Gefahr der Beschädigung durch Bruch eines rohrförmigen Elements ermöglichen, das Segmentaggregat soll beliebig austauschbar sein und plastische Verformungen oder wärmebedingte Änderungen der Gesamtlänge aufnehmen können.

Zu diesem Zweck ist bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß man das mit einem Fasergeflecht als Abstützhalterung versehene Meinbranrohr zum Biegen und Aufwickeln um kleine Krümmungsradien von innen mit einer auf erhöhter Temperatur gehaltenen Druckflüssigkeit beaufschlagt, daß man nach dem Biegen und Aufwickeln des Membranrohrs unter Vermeidung der Ausbildung eines negativen Drucks in dem Membranrohr die zum Biegen und Aufwickeln verwendete heiße Druckbeaufschlagungsflüssigkeit entfernt und durch eine weitere Druckflüssigkeit ersetzt, weiche mit einem zur Erhöhung des Kontakts zwischen der Außenseite des Membranrohrs und dem Halterungsfasergeflecht ausreichenden Druck beaufschlagt wird, und daß man mittels dieser weiteren Druckflüssigkeit das Membranrohr einer Wärmebehandlung zur kontrollierten Ausbildung der gewünschten Osmoseeigenschaften unterwirft. Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird somit die Herstellung eines zu einem Spulenwickel gebogenen und aufgewickelten, kompakten Membranschlauchaggregats ermöglicht, und zwar in einem zweistufigen Verfahren mit zweimaliger Druckbeaufschlagung mit einer auf erhöhter Temperatur gehaltenen Druckflüssigkeit, wobei die erste Beaufschlagung mit Druckflüssigkeit im wesentlichen zur Erleichterung des mechanischen Biege- und Wickelvorganges dient, um eine Beschädigung der (spröden und daher leicht zerbrechlichen und außerdem sehr dünnen) Membran zu vermeiden und, bezogen auf ein gegebenes Membranmaterial gegebener Stärke, kleinere Krümmungsradien (und damit einen kompakteren Aufbau) störungsfrei herstellen zu können; die zweite Beaufschlagung des Membranrohrs nach dem Biegen und Aufwickeln mit einer weiteren Druckflüssigkeit dient zur Vornahme einer Wärmebehandlung, durch weiche die gewünschten Osmoseeigenschaften der Membran in kontrollierter Weise eingestellt werden können. Die Druckbeaufschlagung während dieses Wärmebehandlungsschrittes dient dabei gleichzeitig dazu, einen möglichst innigen Kontakt zwischen der Membran und dem außen anliegenden Halterungsstützgeflecht zu gewährleisten, wie dies zur Erzielung eines hohen Betriebsdrucks standhaltenden Membranrohraggregats erforderlich ist

Nach bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß während des Biege- und Aufwickelvorgangs ein Druck im Bereich von 4,08 bis 8,16 atü und eine Temperatur im Bereich von 60 bis 70° C angewandt werden; und daß die abschließende Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 92° C erfolgt

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Anwendung von Membranrohren erheblicher Länge, von beispielsweise 15 m oder mehr, die jeweils zu einem Wickel bzw. einer wendeiförmigen Konfiguration aufgewickelt werden und ein Segment bzw. ein Modulaggregat darstellt, das mit weiteren gleichartigen Segmenten bzw. Modulaggregaten in Reihe oder parallel zu einem Flüssigkeitsreinigungssystem beliebiger Ausgangskapazität zusammengschlossen werden kann; das Membranrohr wird dabei zweckmäßig auf einen Spulenkörper aufgewickelt, wobei die Anschlußfittings des Membranrohres an dem oder den Flanschten) des Spulenkörpers enden und vorzugsweise ίο an den Flanschen gehaltert sind. Die Flansche des Spulenkörpers besitzen einen größeren Durchmesser als der Membranrohrwickel; die Membran ist daher gegen Beschädigung beispielsweise beim Aufsetzen auf den Boden geschützt. Ein derartiges erfindungsgemäß ι j hergestelltes Membranaggregat in aufgewickelter Form kann in einfacher Weise von einem Mann allein ohne Gefahr der Beschädigung gehandhabt werden.

Die erste Druck- und Wärmebeaufschlagung zur Ermöglichung des Biege- und Wickelvorgangs erfolgt dabei mit einer für die Osmoseeigenschaften des Membranrohres unschädlichen Flüssigkeit, wobei Temperatur und Druck für diese Behandlung einerseits ausreichend hoch gewählt werden, daß das Membranrohr ohne Beschädigung um einen verhältnismäßig kleinen Krümmungsradius gebogen werden kann, die Temperatur jedoch andererseits unter einem Wert gehalten wird, der eine Wärmebehandlung der Osmosemembran im Sinn einer Verringerung ihrer Strömungseigenschaften bewirken würde.

Für die zweite, nach dem Biege- und Wickelvorgang vorgesehene Druck- und Wärmebeaufschlagung mit einer weiteren, für die Osmoseeigenschaften des aufgewickelten, gehalterten Membranrohrs unschädlichen Flüssigkeit ist die Anwendung eines erheblichen Drucks vorgesehen, um den Kontakt zwischen der Außenseite des Membranrohrs und dem Halterungsfasergeflecht zu erhöhen, und die Erhitzung auf eine Temperatur, die zur Ausbildung der gewünschten Osmoseeigenschaften für die Umkehrosmose in dem aufgewickelten, mit der Halterung abgestützten Membranrohr ausreicht.

Im einzelnen wird z. B. ein Membran- bzw. Diaphragma-Gußrohr zunächst dicht sitzend in ein Halterungsbzw. Behältergeflecht, -gewirk oder -gewebe eingeschlossen, um dem hohen Innendruck und der erhöhten Temperatur standzuhalten, die zum Aufwickeln des Membran· bzw. Diaphragmarohres auf einen Spulenbzw. Haspelbehälter erforderlich ist. Im weiter unten beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel ist eine Spule mit zylindrischer Form zugrundegelegt, jedoch können gegebenenfalls Spulen mit quadratischer, rechteckiger oder anderer Formgebung verwendet werden.

Die Aufformung der aus der Membran und der Halterung zusammengesetzten Gebilde auf Träger vor

entweder wendeiförmiger, rechteckiger oder beliebigei anderer Form wird durch die erfindungsgemäß inr ersten Verfahrensschritt vorgesehene Anwendung vor hohem Druck, Temperatur und Zugspannung zui

Erhöhung der Biegsamkeit der Membran und zui

Dehnung des Garns (falls Kunststoffgarn verwende

wird) ermöglicht bzw. erleichtert Die kombiniert«

Anwendung von Wärme, Druck und Zug bewirkt dahei

mehrere Dinge. Zum einen wird das Ein- odei Mehrschichten-Flechtgebilde in einen Gleichgewichts

zustand eingestellt, derart, daß vor dem Einbau des au;

der Membran und dem Halterungsgeflecht bestehender Gebildes auf die Spule kleine Längen- oder Durchmes

seränderungen stattfinden können. Im Verlauf dieses Prozesses wird die Membran eng sitzend an die Innenoberfläche des Halterungsflechtgebildes angepaßt. Durch den hohen Druck wird die Tendenz der Membran zur Einbeulung beim Herumformen um die Trägerspule verringert. Die Anwendung erhöhter Temperaturen von beispielsweise bis zu 70°C (im Falle von asymmetrischen Zelluloseacetatmembranen) bewirkt eine Verringerung der Festigkeit der Membran bis zu einem Punkt, wo ein plastisches Fließbiegen der Membran ohne Beschädigung der Membran möglich ist. Die bei diesem Verfahren angewandten Drücke können bis zu 7 bis 14 at betragen. Dies bewirkt auch ein plastisches Fließen der Membran bei deren Einpassung in das Gewebe an der Innenfläche des Halterungsgeflechts. Die Ausübung einer Zugspannung von etwa 1 kp auf das Rohr beim Aufwickeln auf die Spule hat sich als wirksam erwiesen.

Hohe Drücke von bis zu 7 bis Hat werden auch während des zweiten oder Wärmebehandlungsschrittes angewandt, um die vollständige Verbindung der Membran und der flexiblen Träger- bzw. Halterungsvorrichtungen zu gewährleisten und eine weitestmögliche Verringerung der Ausbildung von Durchlöcherungs-Fehlstellen in der Membran während des späteren Entsalzungsprozesses zu erreichen. In starrfesten Halterungen, im Gegensatz zu biegsamen geflochtenen Halterungen, war es bisher üblich, den Wärmebehandlungsschritt bei Drücken im Bereich von 0,35 bis 1,4 at durchzuführen. Bei der Verwendung von flexiblen geflochtenen oder gewirkten Halterungen werden höhere Drücke erforderlich. Die Anwendung von hohem Druck bewirkt, daß die Membran während des Wärmebehandlungsvorgangs in einen völlig einstückigen Verbund mit dem Gewebe der Innenoberfläche der flexiblen, porösen Halterung tritt. Hierdurch ist bei Inbetriebnahme des zusammengebauten Aggregats gewährleistet, daß die Membran bis in die feinsten Einzelheiten gut gehaltert und abgestützt ist und ein plastisches Fließen unter den nachfolgenden Betriebsbedingungen weitgehend verringert ist. Hierdurch wird eine Verringerung der Ausbildung von Durchlöcherungs-Fehlstellen im Hochdruckbetrieb und die weitestgehende Verringerung von Dehnungsbeanspruchungen in der »aktiven« Membranschicht (d. h. der Innenhaut, über welche der Trennvorgang in erster Linie stattfindet) gewährleistet. Die Größe des erforderlichen Druckes hängst von dem Aufbau und den Werkstoffen der biegsamen Halterung ab. Für Halterungen mit größerer Starre und Steifigkeit, die an ihren Innenoberfläche aus feinerem Material hergestellt sind, ist ein niedrigerer Druck erforderlich; bei elastischeren Werkstoffen die eine gröbere Innenoberfläche ergeben, sind höhere Drücke erforderlich. Die Anwendung von hohem hydraulischen Druck mit oder ohne vollständigem Eintauchen stellt einen besonders bedeutsamen Aspekt des Wärmebehandlungsschrittes dar und ist in vollem Umfang erforderlich, um den erfolgreichen Abschluß dieser Phase unter isothermischen Bedingungen und die spätere zufriedenstellende Arbeitsweise der zusammengebauten fertigmontierten Anlage, beispielsweise Entsalzungsapparatur, zu gewährleisten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt

F i g. 1 in auseinandergezogener Darstellung die einzelnen Teile einer typischen Ausführung eines Membranmodulaggregats gemäß der Erfindung;

I i g. 2 ein erfindungsgemäßes Membran-Modulaggregat im zusammengebauten Zustand, in teilweise aufgebrochener Darstellung zur Veranschaulichung des Montageverfahrens;

F i g. 3 ein Blockschema eines Wärmebehandlungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im einzelnen ist in F i g. 1 mit 1 eine zylindrische Spule mit flanschartigen Seitenwänden bezeichnet. Mit 2 ist

ίο ein umflochtenes Membran- bzw. Diaphragmarohr im Aufwickelzustand dargestellt. 3 und 4 sind Auskleidungen, die sich etwa über 240° erstrecken und zur Erleichterung des Zusammenbaus zwischen Wicklungslagc-n eingefügt sind; die Enden der Auskleidungen

ι s stehen in der gezeigten Weise in Abstand voneinander, um die Strömung der Ausgangsflüssigkeit, d.h. der gefilterten Flüssigkeit zum Abflußanschluß 7 und 15 zu erleichtern. Die Verwendung derartiger Auskleidungen 3 und 4 ist fakultativ, und es wurden auch zufriedenstellende Segment-Aggregate ohne derartige Zwischenlagen gebaut. Klemmvonrichtungen 9, 10 und 11 bzw. 12, 13, 14 bilden die Anfangs- und Endpunkte für die aufgewickelte Membran. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, sind die Teile 9 und 13 so vorgeformt, daß sie den halben

^5 Rohrdurchmesser aufnehmen, sie sind einstückig mit der Spule 1 ausgebildet. Nach dem Aufwickeln des Wickels 2 auf die Spule 1 und Festlegung mittels der Klemmvorrichtungen 9, 10 und 11 sowie 12, 13 und 14 wird ein Deckel 5 angebracht, wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich, worauf Halteringe 8 aufgebracht werden oder der Deckel in anderweitiger Weise gesichert wird. An der Unterseite des Deckels 5 ist eine öffnung zur Aufnahme des Abflußanschlußfittings 7 vorgesehen. Der Decke! 5 wird in seiner Lage durch einen Streifen 6

3s gesichert, der mit dem Deckel 5 durch Klcbung verbunden wird.

Nachdem vorstehend der Aufbau der typischer Ausführungsform einer Membran- bzw. Diaphragmaeinheit beschrieben wurde, soll nunmehr das Warmebehandiungsverfahren erläutert werden. Die Wärmebehandlung dient zur Einstellung und Regelung der Durchlässigkeit der Membran; nachfolgend wird die Erzielung eines bestimmten vorgegebenen Durchlässigkeitsgrades beschrieben.

4s Das Aggregat wird mittels einer durch die Spulenmitte gesteckten Stange gehaltert. Das Aggregat soll sich dabei in einer aufrechten Stellung befinden (d. h. mit der Anschlußfit»ings nach oben, vergl. F i g. 3).
Nunmehr werden Einlaß- und Auslaßleitungen (Heiß- und Kaltwasserversorgung) an das Aggregat angeschlossen. Sodann wird langsam auf Zimmertemperatur befindliches Wasser dem Aggregat zugeführt, indem man das Strömungs-Drosselventil 19 (Kalt) öffnet, das Ventil 20 (in der Rückführleitung zum Wärmebehand-

S.i lungsbehälter) schließt, das Ventil 21 (in der Leitung zum Austritt) öffnet und langsam das Ventil 16 (Vorrat von entionisiertem Wasser) öffnet, bis die Moduleinheit auf etwa 1,05 at mit Druck beaufschlagt ist. Das Nebenschlußventil 18 soll geöffnet und die Pumpe in Gang

fco gesetzt werden. Durch allmähliches öffnen des Ventils 17 (Heißwasserversorgung) wird die Zufuhr vor Heißwasser eingeleitet, der eingestellte Druck wird aufrechterhalten und das Ventil 16 (Vorrat ar entionisiertem Wasser) wird bis zum vollständiger

f>5 Schließen dieses Ventils geschlossen. Sobald das durcl· das Aggregat strömende Wasser eine Temperatur voi (beispielsweise für Zelluloseacetat) 66⁰C besitzt, wir< das Ventil 20 geöffnet und das Ventil 21 geschlossen.

Sodann wird das Ventil 18 (Nebenschluß) allmählich geschlossen, bis der gewünschte Druck (beispielsweise etwa 6,3 at) erreicht ist. Die gewünschte Temperatur (beispielsweise 70 bis 92°C) und der gewünschte Druck werden etwa 30 Minuten lang aufrechterhalten. Die innerhalb dieser Grenzen angewandte jeweilige tatsächliche Temperatur bestimmt die schließliche Permeabilität der fertigen Membrane. Höhere Temperaturen ergeben Membranen mit stärkerer Unterdrückung bzw. Sperrung des Gelösten und dementsprechend beispielsweise geringerem Durchsatz der Austrittsproduktströmung. Es sei darauf hingewiesen, daß in bestimmten Anwendungen ein anderes Strömungsmittel als Wasse- verwendet werden kann.

Die gewünschten Werte von Temperatur und Druck werden etwa 30 Minuten lang aufrecht erhalten, sodann wird das Ventil 16 (entionisiertes Wasser) geöffnet und das Ventil 17 (Heißwasserquelle) geschlossen, der eingestellte Druck wird aufrechterhalten, bis die Temperatur des durch das Segmentmodul fließenden Strömungsmittels etwa 38°C beträgt. In diesem Zeitpunkt beginnt man das Ventil 18 (Nebenstrom) zu öffnen und das Ventil 19 (Strömungsdrosselung) zu schließen, der eingestellte Druck wird aufrechterhalten, bis das Ventil 19 fast vollständig geschlossen ist; gleichzeitig wird das Ventil 19 geschlossen und die Systempumpe abgeschaltet. Das Segment bleibt mittels des Ventils 16 unter dem Druck der Leitung für das entionisierte Wasser bis zur Entnahme des Segments aus dem Wärmebehandlungssystem zur Testung.

Wie erwähnt, haben die jeweilige Temperatur und der jeweilige Druck während des Wärmebehandlungsvorgangs einen Einfluß auf die abschließende Permeabilität der Membran; diese Phänomen wird zur Erzielung einer »Gradierung« der Permeabilität ausgenutzt, indem man beispielsweise mittels eines sorgfältig geregelten Temperaturabfalls entlang dem Rohr dem Einlaßende des Membranrohres eine höhere Durchlässigkeit als dem Auslaßende erteilt. Um das zu erreichen, hat es sich als zweckdienlich erwiesen, das Rohr in solcher Weise an die Heißwasserversorgung anzuschließen, daß dessen Strömungsrichtung der unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen bei Umgebungstemperatur entgegengesetzt ist. Dies wird (etwas ungenau) als »Rückwärts«-Wärmebehandlung bezeichnet.

Sodann wird das Segment aus der Wärmebehandlungsanlage entnommen, indem man das Ventil 16 (entionisiertes Wasser) und die Dichtungen am Einlaß- und Auslaßanschluß des Segments öffnet. Das Segment sollte sich dabei in aufrechter Stellung befinden.

Gleichzeitig ist da'ür zu sorgen, daß sich im Verlauf der Entwässerung des Segments kein negativer Druck ausbildet.

Nachfolgend werden im einzelnen an Hand eines speziellen Beispiels die erforderlichen Verfahrensweisen für die Herstellung eines kommerziell brauchbaren Segments für die Umkehrosmose beschrieben. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird Vertrautheit mit der neueren Literatur über die Umkehrosmose, und im besonderen mit dem US-PS 34 46 359 vom 27. Mai 1969 sowie mit dem 1969 im Verlag M. I.T.-Press erschienenen Buch von M er ten »Desalination by Reverse Osmosis« vorausgesetzt Da der Hauptanteil der veröffentlichen Literatur der Umkehrosmose durch Zelluloseacetatmembranen gewidmet ist, wird das folgende spezielle Beispiel auf derartige Beispiele beschränkt

Die Herstellung der Membran erfolgt durch Gießen

aus einer Lösung von 25% Zelluloseacetat in 45% Aceton und 30% Formamid (Acetamid). Das vollständig trockne Zelluloseacetat wird in dem Aceton-Acetamidgemisch gelöst, und die so erhaltene Lösung zur ι Entfernung von Unreinheiten, welche Mängel in der fertigen Membran zur Folge haben könnten, gefiltert.

Das Gießverfahren entspricht im wesentlichen dem in der US-PS 34 46 359 beschriebenen Verfahren.

Das nach dem in der US-PS 34 46 359 beschriebenen

ίο Gießverfahren hergestellte mit der Halterungsumflechtung versehene Zelluloseacetat-Membranrohr darf zu keiner Zeit einem negativen Druck oder einem plötzlichen Druckanstieg ausgesetzt werden. Sehr erwünscht ist auch, daß die Membran nicht trocknet.

is Das Zelluloseacetat-Membranrohr wird nunmehr für den Aufwickelvorgang zur Erzielung eines kompakten Segments vorbereitet, indem man es mit einem Druck von 6,3 at durch Einleiten von heißem Wasser beaufschlagt. Der anfängliche Durchsatz des heißen Wassers durch das Segment beträgt etwa 6,8 l/min; dieser Durchsatz wird allmählich auf 2,27 l/min vor dem Beginn des Aufwickeln herabgesetzt. Das während dem Aufwickeln aus dem Membranrohr austretende Wasser hat eine Temperatur von etwa 58°C, bei Aufrechterhaltung eines Drucks am Eingang von 6,3 at. Zwischen dem Beginn der Durchleitung von Heißwasser und dem Beginn des Aufwickelvorganges ist ein Zeitraum von etwa 30 Minuten erforderlich. Druck- und Temperaturwerte zwischen 4,2 at und 8,4 at und zwischen 60 und 70° C wurden mit zufriedenstellenden Ergebnissen angewandt. Der Gesamtdurchmesser der Spule 1 beträgt etwa 50 cm, ihre axiale Höhe 15,4 cm. Die Spule nimmt etwa 10 Windungen eines umflochtenen Zelluloseacetat-Membranrohrs von 2,54 cm Durchmesser in Schraubwendelform auf. Das Wickeln des geradlinigen, umflochtenen Zelluloseacetat-Bauteils um die erforderlichen kleinen Radien erfolgt in einfacher Weise, während des Membranrohrs unter den angegebenen Druck- und Temperaturwerten steht.

Nach Beendigung des Aufwickelvorganges wird das in dem Membranrohr enthaltene Heißwasser allmählich durch Wasser von Zimmertemperatur ersetzt, ohne hierbei jedoch die Druckbeaufschlagung von 6,3 at um mehr als 0,7 at zu verändern. Das fertige Segment mit der Wasserfüllung ist entweder zur Wärmebehandlung oder zur Aufbewahrung bereit

Die endgültigen Eigenschaften der rohrförmigen Zelluloseacetat-Membrane, soweit sie die umgekehrte Osmose betreffen, stellen sich durch den Wärmebehandlungsvorgang ein. Diese Wärmebehandlung wird normalerweise zwischen 70 und 92° C durchgeführt wobei den höheren Temperaturen geringere Durchsätze der Produktflüssigkeit und ein erhöhtes Zurückhalten von Gelöstem entspricht Zur Wärmebehandlung wird das kalte Wasser in den fertigen Segmenten durch Wasser mit der gewünschten Wärmebehandlungstemperatur und bei einem Druck von etwa 63 at ersetzt Die gewünschten Werte von Temperatur und Druck sollen etwa 30 Minuten lang aufrechterhalten werden; danach wird das in dem Segment befindliche heiße Wasser allmählich durch kaltes Wasser ausgewechselt und der Druck allmählich auf atmosphärischen Druck verringert. Auch diesmal muß dafür gesorgt werden, daß die Ausbildung eines negativen Drucks während des Vorganges zuverlässig vermieden wird. Ein so behandeltes Membranrohr soll 90% des Salzes aus einer 1/2-prozentigen NaCl enthaltenen Speiselösung zurückhalten, und zwar bei einem Durchsatz von mehr als

0,08 l/Tag · cm². Diese Werte werden bei einem Betriebsdruck von 42,2 at erreicht.

Die gesamte Beschreibung erfolgte anhand der »Umkehrosmose«. Jedoch eignen sich erfindungsgemäß hergestellte Membranaggregate auch für »Ultrafütra- > tionsrt-Anlagen, da die Parameter der Umkehrosmose einerseits und der Ultrafiltration andererseits aneinander ansehließen bzw. ineinander übergehen.

Modulaggregate für umgekehrte Osmose, die aus umflochtenem Zelluloseacetatrohr von 2,54 cm bestanden, wurden bei einer Temperatur im Bereich von 78 bis 82°C hergestellt und wärmebehandelt.

Die so erhaltenen Modulaggregate wurden in Colorado-River-Wasser getestet, das etwa 800 ppm Gesamtgehait an aufgelösten Feststoffen enthielt. Die is Speisezufuhr für das Modulaggregat wurde auf einer Temperatur von 25°C und einem Druck von 42,2 at gehalten. Dieser Test wurde etwa drei Stunden lang bei einer Reynold-Zahl von 11 700 fortgesetzt. Der Durchsatz an behandelten Produkt war mit 0,11 1/ Tag ■ cm² und Tag ausgezeichnet. Die Salzabtrennung betrug 97,4%. Dieser Wert wird erhalten, indem man die Salzkonzentration im Behandlungsprodukt von der Salzkonzentration in der zugeführten Lauge abzieht und dieses Ergebnis durch die Konzentration der Eintrittslauge dividiert. Entsprechend betrug die Salzreduktion 38,0; diesen Wert erhält man, indem man die Salzkonzentration der Einsatzlauge durch die Salzkonzentration im Behandlungsprodukt dividiert. Der Wasserdurchdringungskoeffizient betrug 3,18 · IO-⁵ cm/sec · atm und der Salzdurchdringungskoeffizient betrug 1,71 ■ 10-'cm/sec.

Diese Modulaggregate wurden ferner mit einer Speiselösung getestet, die 5000 ppm Natriumchlorid, entsprechend typischem Brackwasser enthielt. Die Testbedingungen waren die gleichen und es ergab sich ein Produktdurchsatz von 0,115 l/Tag ■ cm² pro Tag, eine Salzabweichung von 90,3, eine Salzverringerung von 10,3, ein Wasserdurchdringungskoeffizient von 3,94 · IO-⁵cm/sec · atm und ein Salzdurchdringungskoeffizient von 8,37 · IO-⁵ cm/sec.

Die halbdurchlässigen Membranaggregate wurden vorstehend in erster Linie für die Gewinnung von entsalztem Wasser aus einer höher salzhaltigen Speiselösung beschrieben. Sie eignen sich aber ebensogut zur Konzentration eines gelösten Stoffes in einer Speiselösung durch Eliminierung eines verdünnteren »Filtrats«. Die Anwendung des Verfahrens kann ohne weiteres auf die Reinigung von Abwässern ausgedehnt werden. Ein weiteres besonders vielversprechendes Anwendungsgebiet ist die Konzentrierung oder selektive Modifizierung von Getränken, wie beispielsweise Bier und Fruchtsäften. Nichthaltbare medizinische Flüssigkeiten, wie beispielsweise Seren und Impfstoffe können ebenfalls nach diesem Verfahren modifisiert oder konzentriert werden.

Hierzu 3 IJhHt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Membran-Modulaggregats für die Umkehrosmose, das in an sich bekannter Weise ein zu einem Spulenwickel gebogenes und aufgewickeltes, mit einer Abstützhalterung zur Aufnahme des hohen Betriebsinnendrucks versehenes Membranrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man das mit einem Fasergeflecht als Abstützhalterung versehene Membranrohr zum Biegen und Aufwickeln um kleine Krümmungsradien von innen mit einer auf erhöhter Temperatur gehaltenen Druckflüssigkeit beaufschlagt, daß man nach dem Biegen und Aufwickeln des Membranrohrs unter Vermeidung der Ausbildung eines negativen Drucks in dem Membranrohr die zum Biegen und Aufwickeln verwendete heiße Druckbeaufschlagungsflüssigkeit entfernt und durch eine weitere Druckflüssigkeit ersetzt, welche mit einem zur Erhöhung des Kontakts zwischen der Außenseite des Membranrohrs und dem Halterungsfasergeflecht ausreichenden Druck beaufschlagt wird, und daß man mittels dieser weiteren Druckflüssigkeit das Membranrohr einer Wärmebehandlung zur kontrollierten Ausbildung der gewünschten Osmoseeigenschaften unterwirft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Biege- und Aufwickelvorganges ein Druck im Bereich von 4,08 bis 8,16 atü und eine Temperatur im Bereich von 60 bis 70° C angewandt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abschließende Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 92⁰C erfolgt.