DE2513751B2

DE2513751B2 - Ultrafiltrationsanlage und Ultrafiltrationsverfahren

Info

Publication number: DE2513751B2
Application number: DE2513751A
Authority: DE
Inventors: Shizuoka Fuji; Yasuo Fuji Shizuoka Hashino; Koryo Ito; Toshiaki Kikuchi; Tsugio Konno; Kaoru Yokohama Kanagawa Maeda; Kohichi Matsumoto; Shinichi Tokio Ohkubo; Hitoshi Sawabu; Giichi Kurashiki Okayama Sayanagi
Original assignee: Asahi Kasei Kogyo KK
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 1974-03-28
Filing date: 1975-03-27
Publication date: 1979-05-31
Also published as: DE2513751A1; FR2265437A1; GB1497298A; FR2265437B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultrafiltrationsanlage mit den im Oberbegriff des Patentanspruches und ein Ultrafiltrationsverfahren mit den im Patentanspruch 4 bezeichneten Merkmalen.

ίο Diese können über lange Zeiträume ohne eine Verminderung der Filterleistung durch eine Systematisierung des Ultrafiltrationsprozesses betrieben werden. Diese Verfahrenssystematisierung sieht eine automatisch und periodisch wiederholte Rückspülstufe vor.

Unter »Rückspülen« ist im Rahmen dieser Beschreibung ein Waschen der Filtermembran zu verstehen, bei dem eine Flüssigkeit in einer Richtung durch die Membran tritt, die der Richtung des Flüssigkeitsdurchtritts durch die Membran beim normalen Filterbetrieb entgegengesetzt isL

Die Ultrafiltration unter Verwendung semipermeabler Fasern ist als Trennverfahren industriell nur vereinzelt für Grenzfälle eingesetzt worden. Häufig auftretende Blockierungen und Konzentrationspolari sierungen, die zu einem raschen Abfall der Filterleistung führen, sind die Ursache für den bishei nur beschränkt erfolgten Einsatz der Ultrafiltration unter Verwendung semipermeabler Fasern.

Bisher steht kein Verfahren zur Verhinderung der

Verstopfung und uor Ablagerung von Filtrationsschlämmen für die bekannten Ultrafiltrationsanlagen zur Verfügung. Die bekannten Ultrafiltrationsanlagen sind daher bislang für kontinuierliche und langfristige stationär betriebene Trennverfahren in der industriellen

Fertigungstechnik nach wie vor nicht einsetzbar,

obwohl sie für einige Spezialverfahren zur Herstellung hochwertiger Produkte im kleineren Maßstab bereits

Eingang in die Praxis gefunden haben. Aus der US-PS 34 42 002 ist eine Uhrafiltrationsvor-

richtung auf Hohlfaserbasis bekannt, mit der fließfähige Gemische (wie Gase oder Flüssigkeiten) dadurch getrennt werden können, daß ihre verschiedenen Bestandteile mit unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten durch die Membran durchtreten. Dabei wird die Lösung der Bestandteile an der Membranoberfläche und die Diffusion durch die Membran unter dem Einfluß von Druck- oder Konzentrationsunterschieden ausgenutzt. Bei diesem Trennproblem sind keine Verstopfungen oder Ablagerungen in der Membran zu befürchten und eine bei dem bekannten Verfahren verwendeten Abstreifflüssigkeit dient lediglich dazu. Bestandteile, welche die Membran bereits passiert haben, von der Membranrückseite mitzuführen. Eine Lehre, wie feststoffhaltige Flüssigkeiten in einer Ultrafiltrationsanlagc ohne Störungen durch Verstopfungen oder Ablagerungen getrennt werden können, ist der Beschreibung dieses bekannten Verfahrens nicht zu entnehmen.

In den US-Patentschriften 33 05 215 und 37 46 640 werden Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, die zur Entsalzung von Salzlösungen durch umgekehrte Osmose mit Hilfe von semipermeablen Membranen dienen. In diesen Fällen sollen also echt gelöste Stoffe aus ihren wäßrigen Lösungen abgetrennt werden. In beiden Fällen ist in der Vorrichtung ein Diaphragma

es vorgesehen, durch die das zu reinigende Wasser, welches eine Salzlösung darstellt, gepreßt wird, wobei das entsalzte Wasser am anderen Ende der Osmoseeinheit, in der das Diaphragma vorgesehen ist, entnommen

wird. Die Reinigung des Deaphragmas von oberflächlichen Ablagerungen erfolgt dadurch, daß das Diaphragma auf der Seite der Zuführung der zu reinigenden Lösung mit Ausgangslösung abgespült wird, die lediglich längs der Oberfläche des Diaphragmas fließt, dieses jedoch nicht durchdringt Dabei wird das Diaphragma lediglich durch den Abwascheffekt des mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über die Oberfläche strömenden Wassers oberflächlich gereinigt. Gemäß US-PS 35 05 215 ist schließlich zum Entfernen von Verunreinigungen aus dem Strömungsweg des Ausgangswassers ein Spülvorgang vorgesehen, in welchem der Strömungsweg des Ausgangswassers, d. h. die Seite der Zuführung der verunreinigten Lösung, gespült wird. Als Spülmittel wird jedoch die zu reinigende Lösung selbst verwendet.

Die eingangs genannten Verstopfungen in einer Ultrafiltrationsanlage sind nicht allein oberflächliche Ablagerungen auf der Außenfläche der Membran, sondern auch Ablagerungen im Inneren der Filtrationskanäle und für die Entfernung solcher Ablagerungen sind daher andere Maßnahmen erforderlich, als für die oberflächliche Reinigung von Diaphragmer., wie sie gemäß dem Stand derTechnik durchgeführt wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine rückspülbare und kontinuierlich arbeitende Ultrafiltrationsanlage auf Hohlfaserbasis für den großtechnischen Betrieb und ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen, in der kein Absinken der Filterleistung durch Verstopfungen oder Ablagerungen eintritt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt hinsichtlich der Vorrichtung durch (a) eine Rückspülvorrichtung mit einem Filtratspeicherbehälter, aus dem Filtrat zur Filtereinheit rückführbar ist, und durch (b) einen Regler oder eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Filtereinheit und der Rückspülvorrichlung; hinsichtlich des Verfahrens dadurch, daß man die Hohlfasern in der Weise rückspült, daß man als Rückspülflüssigkeit einen Teil der bei der Filtration durch die Hohlfaserwandungen in den Hohlraum der Hohlfasern durchgetretenen Flüssigkeit, also einen Teil des Filtrats vet wendet und diesen vom inneren Hohlraum der Hohlfasern durch die Hohlfaserwandungen hindurch nach außen treten läßt, und daß man diese beiden Verfahrensstufen des Filtrierens und Rückspulens ständig alternierend wiederholt.

Für die Erfindung ist es demnach gegenüber dem Stand der Technik wesentlich, daß während des Rückwaschvorgangs die Rückwaschflüssigkeit auf die umgekehrte Seite der Filtermembrari gebracht wird und in umgekehrter Richtung wie bei der Filtration durch die Poren der Membran strömt. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß für den Rückwaschvorgang das bereits gereinigte Filtrat, nicht aber Ausgangsflüssigkeit angewendet. Dabei werden durch den Rückwaschvorgang nicht nur oberflächliche Verunreinigungen von der Filtermembran entfernt, sondern auch die Ablagerungen im Inneren der Poren der Membran.

Die Erfindung schafft also eine Ultrafiltrationsanlage, die mindestens eine Filtereinheit, eine Rückspülanlage und ein Steuerungssystem oder Regelsystem zur koordinierten Steuerung der Filtereinheit und des Rückspülsystems umfaßt. Die Filtereinheit besteht aus einem Filterkanimergehäuse und einem Filtereinsatz. Der Filtereinsatz besteht im wesentlichen aus einer Vielzahl von Hohlfaserw mit semipermeablen Wänden. Die Hohlfasern sind weitgehend parallel zueinander ausgerichtet und geordnet zu Bündeln zusammengefaßt und zumindest an einem Ende in einer Vergußmasse festgelegt. Diese Ultrafilirationsanlage weist lange Betriebsstandzeiten ohne einen Abfall der Filterkapazis tat auf.

Die in der Vorrichtung der Erfindung eingesetzten semipermeablen Hohlfasern müssen so ausgebildet sein, daß jede von ihnen einen Hohlraum aufweist, der sich axial durch sie hindurch von einem zum anderen Ende to zusammenhängend erstreckt Sie müssen außerdem eine mechanische Festigkeit aufweisen, die sowohl einem Innendruck als auch einem von außen ausgeübten Druck standhält.

In den im Rahmen dieser Beschreibung beschriebe-

nen Ausführungsbeispielen ist die Verwendung von

Hohlfasern aus synthetischen hochmolekularen Stoffen

beschrieben, die im wesentlichen aus Acrylnitril bestehen. Gleicherweise können jedoch Hohlfasern aus anderem Material eingesetzt werden, beispielsweis t aus

Celluloseacetat, Pulysulfonen od·:. entsprechendem Material, solange solche Käsern die zu:, or spezifizierte

ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen.

Die im Rahmen dieser Erfindung einsetzbaren Filtereinheiten und Filtereinsätze sind in zwei Betriebsweiser verwendbar, nämlich unter äußerem Überdruck und unter innerem Überdruck.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausf'ihrungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig-i im schematischen axialen Längsschnitt eine Filtereinheit zum Betrieb unter Außendruck;

F i g. 2 einen radialen Querschnitt der in F i g. 1 gezeigten Einheit unter Darstellung des Filtereinsatzes in Sicht von der Seite, von der die Fasern offen sind: F i g. 3 in vergrößerte/ Darstellung den Ausschnitt A in F i g. 2;

Fig.4 im schematischen axialen Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Filtereinheit zum Betrieb unter Innendruck; F i g. 5 einen Schnitt nach V-V in F i g. 4;

I ig.6 ein Fließschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anlage der Erfindung für den Betrieb unter Außendruck;

F i g. 7 eine Steuerschaltung zur Steuerung der in Fig. 6 gezeigten Anlage;

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ultrafiltrationsanlage für den Betrieb unter Außendruck;

Fig.9 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ultrafiltrationsanlage für so den Betrieb mit Innendruck;

Fig. 10 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel für eine Anlage der in F i g. 9 gezeigten Art;

Fig. Il ein Ausführungsbeispiel für eine unter Außendruck arbeitende Ultrafiltrationsanlage für den diskontinuierlicher. Betrieb;

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel einer Ultrafiltrationsanlage für den Betrieb unter Außendruck in einem kontinuierlicher; Prozeß;

Fig. 13 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Ultrafiltrationsanlage, die zur Rückspülung mit reinem Wasser (deionisiertem Wasser) betreibbar ist;

Fig. 14 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Ultrafiltrationsanlage mit röhrenförmiger Ausbildung der Filtereinheit;

Fig. 15 in schematischer Darstellung eine Ultrafiltrationsanlage, bei der die Filtereinheit nach Art eines Platten- und Rahmenfilters oder eines Spifalfilters

ausgebildet ist;

F i g. 16 in schematischer Darstellung das Fließschaltbild eines diskontinuierlich unter Innendruck betreibbaren Konzentrator und

Fig. 17 in schematischer Darstellung das Anlagenschallbild eines unter Innendruck kontinuierlich betreibbaren Konzentrators.

Die in Fig. I gezeigten in einem Bünde! 1 zusammengefaßten Hohlfasern sind geordnet mit im Querschnitt vorzugsweise dichtester Packung in einem aus einer Vergußmasse bestehenden Element 2 zusammengefaßt und festgelegt. Auf der in F i g. I linken Seile des Fixierungsclementes 2 sind die Hohlfasern offen. F.ine Draufsicht auf diese Fläche mit den offenen, zu einem Bündel zusammengefaßten Fasern ist in F i g. 2 schematisch dargestellt. Am gegenüberliegenden, in der F i g. I rechts liegenden Ende 4 sind die Hohlfasern relativ zueinander nicht festgelegt. An diesen freien F.nden sind die Hohiiasern geschlossen. Die Aufgabe der zu filtrierenden Flüssigkeit erfolgt durch die Zuleitungsöffnung 5. Auf der Innenseite des Zulaufstutzens 5 ist ein Düsensystem 6 angeordnet. Der Zulaufstutzen 5 für die zu behandelnde Flüssigkeil ist zentral auf der Seite des Filtereinsatzes angeordnet, auf der die Fasern geordnet zur Bildung des Bündels festgelegt sind. Die Länge des Düsenrohrabsehnittes ist möglichst kurz ausgebildet. Die mit den Bezugszeichen 1 bis 6 versehenen Elemente bilden gemeinsam den Filtereinsatz. Der Filtereinsatz ist in das Filterkammergehäuse 7 eingepaßt und eingesetzt und kann durch Abziehen des Gehäusedeckels 8 leicht entnommen und ausgetauscht werden. Der Filtereinsatz ist unter Verwendung einer Dichtungspackung 9. eines Kunststoffringes 10 und eines äußeren Spannringes, der das Gehäuse und den Deckel miteinander verbindet, in die Filterkammer eingepaßt und eingesetzt. Durch diese Verschluß- und Dichtungselemente 9 bis Il wird eine Kammer 12 für die Aufgabeflüssigkeit flüssigkeitsdicht gegen eine Kammer 13 für das Filtrat abgedichtet. Die Trennwände zwischen beiden Kammern werden dabei von den Hohlfaserwandungen, die als Filtermembran wirken, gebildet. Die zu behandelnde Aufgabeflüssigkeit tritt durch den Einlaß 14 in die Aufgabekammer 12 über den Zulaufstutzen 5 und das Düsensystem 6 ein. Diejenige Komponente der Aufgabeflüssigkeit, für die die Hohlfaserwandungen durchlässig sind, tritt durch die Wandungen hindurch in den Hohlraum der Hohlfasern ein. Das Filtrat läuft aus den Faserhohlräumen in die Filtratkammer 13 und wird dort gesammelt. Aus der Kammer 13 wird das Filtrat über den Auslaß 15 abgezogen. Die konzentrierte Rückstandsflüssigkeit, die nicht durch die I :ohlfaserwandungen hindurchtreten kann, wird durch den Auslaß 16 abgezogen.

Der in Fig. 2 durch einen ausgezogenen Kreis gekennzeichnete und mit dem Bezugszeichen A bezeichnete Bereich ist in F i g. 3 vergrößert dargestellt. Im radialen Querschnitt sind die Öffnungen 17 der Hohlräume der Hohlfasern sowie die Anordnung und Packung der Hohlfasern erkennbar.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Filtereinheit, die unter Innendruck arbeitet, ist in den Fig.4 und 5 gezeigt. Die zu behandelnde Aufgabeflüssigkeit wird unter Druck in die Hohlräume der Hohlfasern eingeleitet. Die Komponente der Aufgabeflüssigkeit, für die die Hohlfaserwandungen durchlässig sind, tritt durch die Hohlfaserwandungen hindurch und wird außerhalb der Hohlfasern als Ultrafiltrat abgezogen.

Das Hohlfaserbündel 1 (Fig.4) ist an beiden Enden geordnet in Vergußmasseelementen 2 festgelegt. Die Hohlräume der Hohlfasern öffnen sich auf der Außenseite sowohl des rechten als auch des linken Fixierungselementes 2.

Ein Querschnitt durch diesen Filtereinsatz nach V-V in F i g. 4 ist in F i g. 5 gezeigt. Die beiden Fixierungsele mente 2 sind gegeneinander durch Rund- oder Halbr'indstäbc 18, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, gesteh« rt. Die Stützstäbe 18 verlaufen parallel zu den Hohlfasern und verhindern vor allem ein Durchbiegen

ίο oder Knicken der Fasern. Die mit den Bezugszeichen I, 2 und 18 versehenen Elemente bilden den Filtereinsat/., der im Fililcrkammergehäusc 7 eingesetzt ist. Durch Abnehmen der Kammcrdeckcl 8 kann der Filtereinsatz einfach und rasch ausgetauscht werden. Die Dichtung

i') erfolgt wie im zuvor beschriebenen Beispiel über eine Dichtungspackung 9, einen Kunststoffring 10 und ein außen liegendes Verschlußband H. Durch diese Elemente werden eine Aufgabekammer 12 für die zu behandelnde Flüssigkeit und eine Fiiiratkammcr i3 zum Sammeln des durch die I lohlfasermembran hindurchgctrctcncn Ullrafillrats gebildet und hermetisch gegeneinander abgedichtet. Die Trennwände zwischen beiden Kammern bilden die 1 lohlfaserwandungen.

Die zu behandelnde Flüssigkeit wird unter Druck

2s über den Einlaß 14 und die Aufgabekammer 12 in die Hohlfasern aufgegeben. Die Komponente der Aufgabeflüssigkeit, für die die Hohlfaserwandungcn durchlässig sind, tritt .iabci zumindest teilweise durch die Hohlfaserwandungen hindurch und wird außerhalb der llohlfa-

)o sern in der Filiratkammer 13 gesammelt und über den Auslaß 15 abgezogen. Die Rückstandsflüssigkeit (das Konzentrat), die die von den Hohlfaserwandungen nicht durchgclassene Komponente der Aufgabeflüssigkeit angereichert enthält, wird über den Auslaß 16 abgezogen.

Sowohl die unter Außendruck arbeitende Filtereinheit, die im Zusammenhang mil F i g. I beschrieben ist. als auch die unter Innendruck arbeitende Filtereinheit, die im Zusammenhang mit Fig.4 beschrieben ist.

können in der Ultrafiltralionsanlage eingesetzt werden. Ausführungsbeispiele für die Ultrafiltrationslagen sind im folgenden anhand der in den Figuren beschriebenen Anlagepläne näher beschrieben.

In der Fig. 6 ist eine Anlage gezeigt, die unter

4t Außendruck betreibbar ist. Die Aufgabepumpe 19 wird während der Rückspülphase abgestellt.

Die Aufgabepumpe 19 fördert die zu behandelnde Aufgabeflüssigkeit in die Filtcreinheit 20, die nach dem Außcndruckprinzip arbeitet. Das Ultrafiltrat wird über

w den Auslaß 21 abgezogen. Das abgezogene Filtrat wird im Speicherbehälter 22 gesammelt. Bei gefüi.ten Speicherbehälter 22 wird das Filtrat über eine Uberlaufleitung 23 aus der Anlage abgezogen. Das Konzentrat bzw. die Rückstandflüssigkeil mit der angereicherten Komponente, für die die Hohlfaserwandungen nicht durchlässig sind, wird über ein Rückstauventil 24 und eine Leitung 25 aus der Filtereinheit ausgetragen. Der Filtrationsdruck wird über ein Stellventil 26 geregelt Der Grad der bei einem Durchlauf erfolgenden Konzentrationserhöhung im Konzentrat wird am Rückstauventil 24 eingestellt.

Während der Rückspülphase wird die Aufgabepumpe 19 abgestellt, ein elektromagnetisch angetriebenes automatisch öffnendes und schließendes Stellventil 27 geschlossen und die Rückspülpumpe 28 eingeschaltet. Dadurch gelangt die Rückflüssigkeit aus dem Filtratspeichertank 22 unter Druck auf dem durch die unterbrochen gezeichneten Pfeile (Fig.6) in die

I iltercinhcil. Das Rückspülen erfolgt also vom Innenraum der Hohlfaser, durch die Hohlfaserwandung hindurch in den die Hohlfaser außen umgebenden Raum hinein. In der Rückspülleitung liegt ein Rückschlagventil 29, das in Richtung des unterbrochen gezeichneten Pfeils öffnet. Das Rückschlagventil unterbindcl ein Zurückschlagen von Luft in die Rückspülpumpe, wenn diese a&^cstclll wird.

F.in Teil der Rückspülfliissigkeit kehrt beim Rückspülen über das Druckregelvcntil 26 b/.w. oder die Aufgabcpumpe 19 zur Aufgabeflüssigkul zurück, während ein anderer Teil über die Auslaßleitung 25 mit dem Konzentrat vermischt wird. Der Rückspüldruck wird über das Stcllvcntil 30 geregelt, r.iiie Sequenzsteuerung 45 steuert gleich/eilig die Funktion der Pumpen 19 und 28 sowie des elektromagnetischen Stcllvcnlils 27.

Fin einfaches Ausführungsbeispiel für die automatische Rüekspüisteuerung im Rahmen der in F i g. b gezeigten Anlage ist in I ig. 7 dargestellt. Über einen Hauptschalter .SI sind die Aufgabepumpc Pi. die Kückspiilpumpc Pl und das elektromagnetische Stellventil Vl beaufschlagbar. Die Dauer des Filtrations/\- klus wird mittels der Schaltuhr 7*1 eingestellt. Die Schaltuhr 7*2 dient der Vorwahl der Rückspüldauer. Die Funktion der Kontakte t 1 und / 2 ist unten beschrieben. Der Kontakt χ I des Relais A' 1 ist durehgcschaltct. wenn kein Strom über das Relais X 1 fließt, und ist ausgeschaltet, wenn das Relais mit Strom beaufschlagt ist. Der Kontakt ν 2 des Relais Xl ist durehgcschaltct. wenn über das Relais V 2 Strom fließt, und ist ausgeschaltet, wenn das Relais .V 2 stromlos ist.

In der Fig. 7 sind die Schaltzuständc der einzelnen Kontakte in der Weise angegeben, daß der in der oberen Zeile angegebene Schaltzustand auf die Fillrationsphase und der in der jeweils unteren Zeile angegebene Schaltzustand auf die Rückspülphase bezogen ist.

Beim Einschalten des Hauptschalters 51 wird die Pumpe P 1 eingeschaltet und ist das elektromagnetische Ventil Vl für rlic Dauer des Stromflusscs geöffnet. Die Anlage ist auf Filtration geschaltet. Gleichzeitig mit dem Einschalten wird die Schaltuhr Π für die I'iltrationsphase gestartel. Sie ist beispielsweise wie im Beispiel 1 auf ■'■'' min eingestellt. Nach Ablauf der an der Schaltuhr T\ \orgegebenpn /eil wird der Kontakt /1 durchgeschaltet. Dadurch wird die Schaltuhr Tl für die Rückspülphase gestartet und der Kontakt /2 durchgeschaltet. Gleichzeitig wird dadurch das Relais .Y2 beaufschlagt, so daß dessen Kontakt ν 2 durchschaltet. Beim Durchschlagen des Kontaktes ν 2 beginnt die Rückspülpumpe Pl zu arbeiten. Damit fließt auch Strom durch das Relais X 1. so daß dessen Kontakt ν 1 öffnet. Die Aufgabepumpe wird ausgeschaltet und die Schaltuhr 7*1 für den Filtrationszyklus rückgesetzt. Das elektromagnetische Ventil Vl wird stromlos und schließt den in F i g. 6 durch ausgezogenen Pfeile dargestellten Materialfluß. Nach Ablauf der Schaltuhr T2, also nach Ablauf der Rückspülphase, die nach Beispiel 1 beispielsweise 30 s beträgt, öffnet sich Kontakt t 2, wird das Relais Xl stromlos und öffnet dessen Kontakt ν 2, so daß die Rückspülpumpe angehalten wird. Gleichzeitig wird das Relais X1 stromlos, so daß dessen Kontakt χ I durchschaltet, die Aufgabepumpe zu laufen beginnt und das elektromagnetische Ventil Vl öffnet. Gleichzeitig wird die Schaltuhr 7*1 gestartet, wodurch der Kontakt 11 geöffnet wird, so daß die Schaltuhr 7*2 rückgesetzt wird.

Auf diese Weise wird kontinuierlich und automatisch ein Wechsel zwischen Filtrationsphasen und Rückspülphasen eingestellt, wobei, unter Zugrundelegung der Daten aus dem Beispiel I, die Filtration mit anderen Worten alle 40 min für eine 30 s dauernde Rüekspülphase unierbrochen wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ultrafiltrationsanlagc ist in Fig.8 gezeigt. Die Anlagenclemente entsprechen den im Zusammenhang mit der Fig.6 beschriebenen Elementen. Das wichtigste zusätzliche Glied in der in I" i g. 8 gezeigten Anlage ist das elektromagnetische stellbare Ventil 31, das im geöffneten Zustand den durch das im Bypaß liegende Drosselventil aufgebauten Rückstaudruck in der Konzentratablauflcitung aufhebt. Diese Anlage wird vorzugsweise für die Behandlung von Flüssigkeiten eingesetzt, die besonders stark zur Ablagerung von Filtrationsrückständen auf den Hohlfascrobcrflächcn neigen. Der Rückstaudruck in der Fiitercinhcit 2ö kann durch öffnen des elektromagnetischen Ventils 31 trotz laufender Aufgabepumpe 19 völlig abgebaut werden. Die Aufgabcpumpe kann dadurch auch während der Rüekspülphase weiterlaufen. Auf diese Weise wird gleichzeitig mit der Rückspülung cm Waschen der Membranoberfläche mit relaitv schnell strömender Flüssigkeit bewirkt. Die Aufgabeflüssigkeit wird dabei in einem Speicherbehälter 32 zwischcngcspeichcrt. Bei ansatzweiser Konzentrierung von Flüssigkeiten wird das Rückspülen periodisch und automatisch im allgemeinen nach jeweils 30 min Fillrationszyklus für die Dauer von I min durchgeführt. Während unter dem Druck der Förderpumpe 19 die zu filtrierende Aufgabeflüssigkcit im Inneren der Filtereinheit 20 ständig umläuft, wird gleichzeitig das Filtrat über die Auslrags- und I Ibcrluuflcitiing 23 kontinuierlich abgezogen. Das Konzentnuionsverhältnis bestimmt sich nach der abgezogenen Filtratmcnge. Im Speicherbehälter 32 sammelt sich bei diskontinuierlichem Betrieb das Konzentrat.

In der F i g. 9 ist eine mit Innendruck arbeitende F'iltrationsanlagc gezeigt, bei der die Aufgabepumpe während der Rüekspülphase angehalten wird. Die zu reinigende Flüssigkeit wird auf die Filtereinheit 33 über die Aufgabepunipe 19 aufgegeben. Die Flüssigkeit wird in den Hohlraum der Hohlfasern eingedrückt. Die Komⁿonente. für die die Hohlfsscrwandun^cn durchlässig sind, tritt durch die Wandungen der Hohlfasern hindurch und wird über die Auslaßleitung 2i abgezogen und im Speicherbehälter 22 aufgefangen. Der Überlauf 23 zieht das F'iltrat aus der Anlage ab. Die mit derjenigen Komponente der Aufgabeflüssigkeit, die nicht durch die Hohlfaserwandungen hindurchtreten kann, angereicherte Rückstandflüssigkeit wird über das Drosselventil 24 und die Austragsleitung 25 abgezogen. Der bei einem Durchlauf erzielbare Grad der Konzentrationserhöhung wird durch Einstellen des Rückstau- oder Drosselventils 24 eingestellt. Während der Rüekspülphase ist die Aufgabepumpe t9 ausgeschaltet, das elektromagnetische Stellventil 27 angeschlossen und läuft die Rückspülpumpe 28, die die Rückspülflüssigkeit aus dem Speicherbehälter 22 für das Filtrat zum Rückwaschen auf dem in Fig.9 durch unterbrochen gezeichnete Pfeile angedeuteten Weg zur Filtereinheit 33 rückführt. Das Rückspülen erfolgt von der Außenseite der Hohlfaser her in den inneren Hohlraum der Hohlfaser hinein. In der Rückspülleitung liegt ein Rückschlagventil 29, das nur in der Richtung des in Fig.9 unterbrochen gezeichneten Pfeiles öffnet.

Dieses Rückschlagventil verhindert ein Rücksicigen von Luft in die Rückspülpumpe beim Stillstand der Rückspülpumpe. Während des Rückspulens gelangt ein Teil der Rückspülflüssigkeit über das Druckregclventil 26 und bzw. oder die Aufgabepumpe 19 auf die Seite der zu filtrierenden Flüssigkeit, während ein anderer Teil der RückspülP'issigkeit über die Austragsleitung 25 für das Konzentrat diesem zugemischt wird. Der Rückspüldruck wird am Stellventil 30 eingestellt. Die Steuervorrichtung 45 steuert gleichzeitig die Funktion der Pumpen 19 und 28 sowie des elektromagnetischen Stellventils 27.

In der Fig. 10 ist ein gegenüber der I·'i g. 9 modifiziertes Ausführungsbeispiel gezeigt. Die dargestellte Anlage wird vorzugsweise für Flüssigkeiten eingesetzt, die schwer entfernbare Filtrationsrückstäncle auf den Hohlfascrobcrflächcn niederschlagen. Auch die in F i ε. 10 gezeigte Anlage arbeitet wie die in F i g. 9 gezeigte Anlage nach dem Innendruckverfahren. Sie entspricht in ihrer Funktionsweise der in F i g. 8 gezeigten Anlage.

Die mit unter Außendruck arbeitenden Fiiiercinheiten ausgerüsteten Ultrafiltrationsanlagen werden vorzugsweise zur Behandlung hochviskoser Flüssigkeiten, die hohe Feststoffkonzentrationen aufweisen, eingesetzt.

Die mit Innendruck arbeitenden Filtereinheiten werden dagegen vorzugsweise in Filtrationsanlagcn eingesetzt, die zur Behandlung von Lebensmitteln oder Arzneimitteln verwendet werden. Sie werden insbesondere auf Gebieten eingesetzt, in denen eine möglichst geringe Verwcilzeit der Flüssigkeil in der Vorrichtung angestrebt wird und auf denen gegebenenfalls zur F.rfüllung hygienischer Vorschriften die Anlage desinfiziert werden muß.

Das optimale Intervall der zwischen den Filtrationsphasen festzulegenden Rückspülphasen kann durch Aufnahmen der Filtrationskurvc bestimmt werden. Die Filirationskurvu ist die Wasserdurchlässigkeit der Membran als Funktion der Zeit. Sie wird vorzugsweise durch Formulierung und Zugrundelegung einer Filtrationsgleichung bestimmt und durch graphische Integration auf dem Rechner ausgewertet. In allen praktischen Füllen wird die Rückspülphasenfrequenz jedoch im Bereich von 15 min-' bis 2 h-' liegen. Die Rückspülphase selbst wird üblicherweise etwa 1 min dauern.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Rückspülung mit dem Filtrat, in der Regel also mit dem der zu behandelnden Flüssigkeil entzogenen Wasser, durchgeführt wird.

Vorzugsweise werden die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung zur Behandlung verschiedener Latexarten eingesetzt, die besonders dazu neigen, Konzentrationspolarisationsschichten auszubilden und zu koagulieren. Mit den verschiedensten Latexarten können langfristig stabile Ultrafiltrationen im kontinuierlichen, aber auch im ansatzweisen Betrieb durchgeführt werden, die nach dem Stand der Technik völlig undurchführbar sind. Da eine Latex als besonders schwieriges Medium für die Ultrafiltration gilt, sind die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele auf die Ultrafiltration als Verfahren zur Konzentration einer Latex ausgerichtet. Unter Latex wird dabei Rahmen der Beschreibung eine Latex oder Emu'sion verschiedener Poiymerer oder Copoiymerer von Vinylacetat, Styrol, Methylmethacrylat, Metisylacrylat, Butadien, Isopren, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid und ähnlichen Hochpolymeren verstanden.

Das Problem <jir Konzentrierung einer solchen Latex kann häufig in üblichen Produktionsprozessen auftreten, beispielsweise wo die erforderlichen Konzentrationen nicht direkt herstellbar sind, wo verdünnte latexartige "> Ablaugen aufgearbeitet werden müssen oder wo eine Konzentrierung der für die Reinigung von Behältern oder Rohrleitungen verwendeten Waschwasser zur Aufarbeitung der Latexkomponente erforderlich ist. Solche verdünnte Suspensionen fallen vor allem

in während der Verfahrensendstufen der Latexherstellung an.

In der Anlage der Erfindung kann eine Latex ohne nachteilige thermische, mechanische oder elektrische Einwirkungen auf die Latex selbst konzentriert werden.

Auf der Ultrafiltermenibran bildet sich jedoch eine außerordentlich hoch konzentrierte Latexschicht, die der Fachmann als Kon/.cntrationspolarisationsschichi bezeichnet. Dadurch wird der von der Ultrafilicrmcmbran durchgelassene Wasseranteil sehr gering. Auf der Membranoberfläche bildet sich ein fest haftender zusammenhängender Latcxüberzug. Dadurch bricht die Emulsion zusammen und ist nicht mehr filtrierbar. Zur Verhinderung der Ausbildung der Konzentrationspolarisationsschichten ist bekannt, auf der Oberfläche der Ultrafiltermembran turbulente Strömungsbedingungcn einzustellen (Chemical Engineering Progress Symposium Series, Bd. 61, Nr. 90, S. 285). Fjne Latex, insbesondere eine Kunststofflatex, wird jedoch im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten, die zur Einstellung einer turbulenten Strömung erforderlich sind, außerordentlich instabil und koaguliert rasch. Dieses Verfahren hat für die Konzentrierung einer Latex daher in der industriellen Fertigung keinen Eingang gefunden. Die Ausbildung einer Konzentrationspolarisationsschicht

J5 hat daher trotz der erfolgversprechenden Voraussetzungen die Anwendung der Ultrafiltration zur Konzentrierung einer Latex in der industriellen Fertigung überhaupt verhindert.

Die Ultrafiltrationsanlagc der Erfindung ist nun aber dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Filtereinheit als Kernstück enthält, die problemlos der Rückspülung ausgesetzt werden kann. Bei Filtration einer Latex mit der Ultrafiltrationsanlage der Erfindung geht weiterhin ein Teil der überschüssigen Mengen von Dispersionsmittel aus der Latex gelöst in das Filtrat über. Die Rückspülung erfolgt periodisch unter Verwendung des das Dispersionsmittel gelöst enthaltenden Filtrats.

Als Dispersionsmittel für die Filtration einer Latex dienen ein anionisches Tensid, ein nichtionisches Tensid oder ein kationisches Tensid oder Gemische dieser Tenside, wie sie in an sich bekannter Weise bei der Emulsionspolymerisation eingesetzt werden.

Die Konzentration des Dispersionsmittels im Filtrat beträgt im Fall einer üblichen Synthesekautschuklatex, beispielsweise einer Styrol-Butadien-Kautschuklatex oder einer Acrylnitril-Butadien-Kautschuklatex, 20 bis 1000 ppm. Als Ultrafilter werden je nach Verwendungszweck Membrane mit einer Durchlässigkeitsgrenze für den Molekulargewichtsbereich zwischen 500 und 200 000 verwendet. Für die Konzentrierung einer üblichen Latex reicht jedoch in der Regel ein Ultrafilter mit einer Molekulargewichts-Filtrationsgrenze im Bereich von 1000 bis 40 000 aus.

In einer üblichen Latex ist normalerweise ein beachtlicher Überschuß an Dispersionsmittel enthalten. Während der Dauer des Konzentrationsprozesses wird im Filtrat praktisch keine Konzentrationsänderung des Dispersionsmittels eintreten oder zu erwarten sein. Zur

ausreichenden Konstanthaltung aer Dispersionsmitlelkonzentrsiion im Filtrat ist jedoch erforderlich, daß die Dispersionsmittelkonzentration in der der Konzentrierung durch Ultrafiltration zugeführten Late.': mindestens das 1,2-fache der üblicherweise in einer gebrauchliehen Latex vorhandenen Dispersionsmittelkonzentration entspricht.

Zur Ermittlung der für das Rückspülen mit dem dispersionsmittelhaltigen Filtrat erforderlichen Frequenz der Einschaltung der Rückspülphasen ist davon auszugehen, daß die Frequenz auf der Oberfläche der Ultrafiltermembran die Ausbildung einer Kon/entrationspolarisationssehicht in Form eines Über/uges verhindern kann. Diese Frequenz kann der Fachmann für den Spezialfall in einfacher Weise anhand des gegebenen Kriteriums selbst bestimmen. Als Obergrenze der Frequenz kann ein Rückspülen mit einer Dauer von 0.5 min gelten, das alle 5 min in den I iltnitionsprozeß eingeschaltet wird. Von F^:all zu Fall bestimmt sich die erforde; 'iche Frequenz jedoch nach de/ Konzentration der Latex und ihrer Tendenz zur Überzugsbildung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Durchführung einer l.atexkonzentrierung ist schcmaiisch in F i g. 11 dargestellt. Die Anlage ist für ansatzweisen Betrieb und die Filtereinheil 20 für den Betrieb mit 2^C> Aiißendruck ausgelegt. Im Spcichertunk 32 ist die zu konzentrierende Latex enthalten. Aus dem Tank 32 wird sie über die Pumpe 19 in die ί iltereinheit 20 aufgegeben. Die Aufgabe erfolgt unter konstantem Druck. Das Filtrat wird über die Ab/.ugsleitung 21 in den jo Filtratspeicherbehälter 22 überführt. In der Abzugleitung 21 liegt ein automatisch stellbares Regelventil 27. Ober die Abzugsleitung 34 wird die konzentrierte Latex in den Tank 32 rückgeführt. Die Rückspülung erfolgt über die Rückspülpumpe 28. Sie wird nur für die Rückspülphase in Betrieb gesetzt. Durch Schließen des Stellventils 27 wird das Filtrat durch die Leitung 21 in die Filtercinhcit 20 zum Rückspülen rückgeführt. In der Rückspülleitung liegt das Rückschlagventil 29. Ober eine Überlaufleitung 23 wird aus dem Speicherbehälter ·ιο 22 das Filtrat abgezogen. Die konzentrierte Latex wird über ein Stellventil und die Abzugsleitung 25 aus der Anlage abgezogen.

Ein gegenüber der Fig. 11 modifiziertes System. insbesondere zum Konzentrieren einer Kunststofflatex ist in Fig. 12 gezeigt. Das System arbeitet unter Außendruck und ist für den Einsat/ in kontinuierlichen Verfahren ausgelegt. Im Speicherbehälter 32 befindet sich die zu konzentrierende Latex. Dabei wird in den Speicherbehälter 32 kontinuierlich so viel zu konzentrierende Latex nachgefüllt, wie in der Summe über die Austragsleitungen 23 für das Filtrat und 25 für das Konzentrat entnommen wird. Bezogen auf die Filtereinheit 20 wird diese unter konstantem Druck mit in der Zeiteinheit so viel zu konzentrierender Latex beaufschlagt, wie Filtrat über die Leitung 21 und Konzentrat über die Auslaßleitung der Filtereinheit entnommen wird. Die Umwälzpumpe 35 dient dazu, die konzentrierte Latex in bestimmtem Anteil im Kreislauf zur Filtereinheit 20 rückzuführen. Das Konzcntrierungsverhältnis bestimmt sich daher aus dem Verhältnis der aus der Abzugsleitung 25 entnommenen konzentrierten Latex zum Filtrat, das an der Abzugsleitung 23 entnommen wird. Hinsichtlich der übrigen Anlageelemente entspricht die in Fig. 12 gezeigte Aniage der in b5 F i g. 11 gezeigten Anlage.

Für die im folgenden beschriebenen Vergleichsversuche werden gebräuchliche Ultrafilter verwendet, d'w folgenden Aufbau haben:

Der Rohrfiltcr ist ein im Handel erhältliches Produkt Die Membran ist über die Innenseite eines Rohres gezogen, das einen Durchmesser von 2,54 cm hat und aus porösem Celluloseacetat besteht. Jer lichte Innendurchmesser der Filtereinheit ist 2,54 cm bei einer Länge von 130 cm und einer nutzbaren Membranfläche von 0,1 m².

Als Platten- und Rahmenfilter wird ebenfalls eine im Handel erhältliche Vorrichtung verwendet. In den Rahmen sind mehrere Scheiben oder Platten eingespannt, die aus wasserdurchlässigem dicken Papier bestehen. Die Platten sind innen hohl und an eine Leitung angeschlossen, die Verbindung zu den Innenräumen jeder der Platten hai. Diese Elemente sind dabei so einander zugeordnet, daß die Hohlplatten auf der Rohrleitung wie die Schaufeln einer Turbine auf der Turbinenwelle angebracht sind. Die Plattenoberflächen sind jeweils mit IJItrafiltrationsmembranen bedeckt. Das Material, aus dem die Membran besteht, konnte von der Anmelderin nicht genau ermittelt werden. Die Filtereinheit hat die Form eines Quaders mit der Grundfläche 5,1 cm χ 7,6 cm und der Höhe von 31 cm. Die nutzbare Membranoberfläche beträgt 0.18 m².

Weiterhin wird ein ebenfalls im Handel erhältlicher .Spiralfilter für die Vergleichsversuche herangezogen, bei dem die Membran aus Celluloseacetat besteht. Der Membranfilter hat einen Durchmesser von 9 cm. eine Länge von 52 cm und eine nutzbare Membranoberfläche von 2.7 m-'.

In den Versuchen werden weiterhin Ultrafiltrationsanlagen der in Fig. 16 und in Fig. 17 gc/eigten Art eingesetzt. Die beiden Anlagen arbeiten mit Filtereinheiten, die für den Betrieb unter Innendruck ausgelegt sind, wobei die in Fig. 16 gezeigte Anlage für den ansatzweisen Betrieb und die in Fig. 17 gezeigte Anlage für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt sind Die in Fig. 16 gezeigte Anlage entspricht also der in F i g. 11 für eine Filtereinheit mit Außendruck gezeigten Anlage, während die in Fig. 17 gezeigte Anlage Jer in Fig. 12 ebenfalls für eine Filtereinheit mit Außendruck gezeigten Anlage entspricht.

Beispiel 1

In einer Anlage mit dem in F i g. 11 gezeigten Aufbau wird ein Styrnl-Butadien-Copolymerlatex (50 :50) von einer Anfangskonzentration von 3 Gew-% ansatzweise auf 2OGew.-°/o konzentriert. Die Hohlfasern der Filtereinheit haben einen Außendurchmesser von 1,3 mm und einen lichten Innendurchmesser von 0,7 mm. Die Hohlfasern bestehen aus Polyacrylnitril. Die Durchlässigkeit der Hohlfasern für reines Wasser beträgt 3,95 m³ · m~- · d~' - bar-' (entsprechend 4 m^J · m~² · d^-1 - atm-'). Die Membranoberfläehe wird unter Zugrundelegung der äußeren Oberfläche der Hohlfaser berechnet. Im einzelnen sind die hier verwendeten Hohlfasern in der |A-OS 90 684/1974 beschrieben. ]e Filtereinheit werden 2500 Hohlfasern mit einer wirksamen Länge von 700 mm und einer wirksamen Membrangesamtfläche von 7.5 m² verwendet. Die Filtereinheit ist in der in Fig. 1 beschriebenen Weise aufgebaut und für den Betrieb unter Außendruck bestimmt. Die Hohlfasern sind einseitig geschlossen. Auf der geschlossenen Seite der Fasern sind die Faserenden des Bündeis nicht festgelegt. Die Aufgabe erfolgt über einen zerriral angeordneten Einlaß auf der Seite, auf der die offenen Enden der Hohlfasern geordnet zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Das

Das Aufgabedusensystem ragt, von der axial inneren Oberfläche des Fixierungselements aas gemessen, 0,15 m lang in den Aufgaberaum hinein. Je Ansatz werden 3 m³ der Latex mit einer Gewichtskonzentration vor. 3 Gew.-% verarbeitet. Nach jeweils 40 min Filtration wird eine Rückspülphase mit einer Dauer von 0,5 min eingelegt Das Filtrat wird als Rückspülflüssigkeit verwendet Das Latexdispersionsmittel liegt im Filtrat in einer Konzentration von 70 bis 100 ppm vor. Als Dispersionsmittel dient ein Gemisch von Laurinsäuresorbitmonoester und Laurinsäure-Polyoxyäthylensorbitmonoester im Verhältnis 1 :1. Beim Rückspülen werden keine zusätzlichen Einwirkungen, insbesondere kein kräftiges Rühren, auf die Filtrationsflächen der Hohlfasern ausgeübt Beim Filtrieren wird relativ zur Oberfläche der Hohlfasern für die zu behandelnde Flüssigkeit eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,7 m/s oder etwas darüber eingestellt Zur Konzentrierung eines Ansatzes werden 16 bis 18 h benötigt. Der Filtereinsatz kann in jedem Fall für mindestens 90 Ansätze verwendet werden.

Vergleichsbeispiel 1

Die im Beispiel 1 verwendete Latex wird in der in Fig. 13 gezeigten Anlage konzentriert Zum Rückspülen wird reines, deionisiertes Wasser verwendet. Die Filtereinheit ist die gleiche, die auch im Beispiel 1 verwendet wird. Die Rückspülflüssigkeit, also das deionisierte Wasser, ist im Vorratsbehälter 36 gespeichert Das Filtrat wird über die Abzugsleitung 37 ausgetragen. Das zum Rückspülen benötigte reine deionisierte Wasser wird über die Leitung 38 in den Speicherbehälter 36 eingeführt Der Speicherbehälter 36 ist mit einem Überlauf 39 für das Rückspülwasser versehen. Der Betrieb der Anlage erfolgt ansonsten J5 unter genau den gleichen Betriebsbedingungen wie im Beispiel 1 beschrieben. Im Unterschied zum im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wird lediglich das gesamte Filtrat abgezogen und das Rückspülen mit reinem, frischem, deionisiertem Wasser durchgeführt. Es kann eine wäßrige Lösung der Styrol-Butadien-Copolymerlatex mit einer Konzentration von bis zu 20Gew.-% erhalten werden, jedoch ist die Stabilität dieser Latex nur sehr gering. Außerdem enthält die Latex relativ große Mengen an koagulicrter Substanz zugemischt. Die erhaltene Lösung weist also eine nicht in den Ausgangsprozeß der Fertigung rückführbare Qualität auf. Außerdem sammelt sich zusammenhängende gummiartige Latex zwischen den Hohlfasern des Filtereinsatzes. Nach Verarbeitung des dritten Ansatzes % sinkt die Wasserdurchlässigkeit des Filtereinsatzes auf etwa 33% des Anfangswertes ab. Selbst bei einer Verkürzung des Filtrationszyklus, also einer F.rhöhung der Rückspülfrequenz, und einer Verlängerung der Rückspüldaucr kann die volle Wasserdurchlässigkeil nicht wieder hergestellt werden.

Vergleichsbcispicl 2

Die in Beispiel I verwendete Ausgangslalcx wird in dem zuvor beschriebenen, aus dem Handel bezogenen m> Rohrfilter in der in Fig. 14 gezeigten Anlage konzentriert. Die Latex wird aus einem Behälter 32 für die Aufgabeflüssigkeit über eine Aufgabepumpe 19 in das Filterelement 40 überführt. Am Ausgang des Filtcrclcmentcs liegt das Drosselventil 41. Das Konzentrat wird ^h"> über die Leitung 34 zum Behälter 32 für clic Aufgabclösung rückgefiihrl. Das filtrat tritt durch diis poröse Trägerrohr des lilterelcmcntcs 40 aus, wird in einem Auffänger 42 gesammelt und über die Leitung 43 aus der Anlage abgezogen. Das Filtral besteht im wesentlichen aus klarem Wasser. Es werden 30 I der wäßrigen Latex von einer Konzentration von 3 Gew.-% auf 20 Gew.-% konzentriert Das erhaltene Latexkonzentral enthält große Mengen kohärenter Substanz zugemischt und kann nicht mehr als Latex in den Produktionsprozeß rückgeführt werden. Für die Konzentrierung werden für den ersten Ansatz etwa 20 h und für den zweiten Ansatz etwa 40 h, also die doppelte Zeit, benötigt. Trotz der längeren Dauer für die Konzentrierung ist der Prozentsatz der kohärenten Substanz im erhaltenen Konzentrat im zweiten Ansatz gegenüber dem ersten Ansatz noch erhöht Beim Versuch der Rückspülung löst sich die Membran vom Träger, so dafl die Filtration ohne Rückspülung durchgeführt werden muß.

Vergleichsbeispiel 3

Die auch in den vorhergehenden Beispielen eingesetzte oiyröi-uüiäuieTi-^OpöiyificTiäicX ΓΠίί cificfn mönomerenverhältnis von 50 :50 im Copolymer und einer Konzentration des Copolymers von 3 Gew.-% wird unter Verwendung des vorstehend beschriebenen, aus dem Handel bezogenen Plattenfilters in der in Fig. 15 gezeigten Anlage behandelt. Die zu konzentrierende Lösung wird aus dem Behälter 32 für die Aufgabeflüssigkeit über die Aufgabepumpe 19 auf das Filterelement 44 gegeben. Das Ritrat wird über die Leitung 43 abgezogen. Das Konzentrat wird über die Leitung 34. in der das Drosselventil 41 liegt, zum Behälter 32 rückgeführt. Um 801 der Latex auf 2OGew.-°/o resistoffgehalt zu konzentrieren, werden für den erster Ansatz 28 h benötigt Die erhaltene konzentrierte Latex enthält große Anteile kohärenter Substanz zugemisehl und weist eine Qualität auf, die zur Rückführung ungeeignet ist. Im zweiten Ansatz werden zur Erzielung der Konzentration von 20 Gcw.-% 50 h benötigt. Der Anteil der kohärenten koagulierten Substanz ist im Konzentrat des zweiten Ansatzes größer als im Konzentral des ersten Ansatzes. Der Filter kann nichl rückgespült werden, da beim Versuch der Rückspülung die Membran vom Substrat abgelöst wird. Der Vcrglcichsvcrsuch wird daher ohne Rückspülung durchgeführt.

Vergleichsbcispicl 4

Die gleiche Latex mit der Konzentration vor 3 Gcw.-°/o wird in der im Vcrglcichsbeispicl 3 beschriebenen Weise in der in Fig. 15 gezeigten Anlage konzentriert, wobei als Filterelement 44 jedoch der zuvor beschriebene, aus dem Handel bezogene Spiralfiltcr verwendet wird. Etwa 2 h nach Beginn der Filtraiior ist der Durchgang für das Konzentrat bzw. die Rückstandflüssigkeit in der Filtcreinheil verstopft. Der Versuch muß abgebrochen werden, da eine Fortsetzung des Betriebes nichl möglich ist. Beim Versuch der Rückspülung bricht die Filtermembran.

H c i s ρ i e I 2

!•!in Latex mit 0,3Gcw.-% eines Styrol-Buladicn-Co polymers mit einem Monomcrcnvcrhältnis von 25 : 7* wird ansat/.wcisc auf 20Gcw.-% konzentriert. Dazi: wird die auch im Beispiel I verwendete Filtcreinheil unt die in I'i g. 11 gezeigte Anlage eingesetzt. Je Ansnl/ werden Jm' der 0.3 gew.-%igcn Latex verarbeite! Nach jeweils 45 min Filtration wird I min riiekgewn sehen. Die Strömungsgeschwindigkeit der zu bchan

delnden Flüssigkeit auf der Filteroberfläche der Hohlfasern des Filtereinsatzes ist 0,7 m/s oder größer. Beim Rückspulen wird nicht gerührt. Das Filtrat wird zum Rückspulen verwendet Es wird das gleiche Dispersionsmittel wie im Beispiel 1 eingesetzt Die Konzentration des Dispersionsmittels im Ritrat beträgt 30 bis 60 ppm. Mit jedem Filtereinsatz können mindestens 100 dieser Ansätze einwandfrei konzentriert werden. Je Ansatz liegt die zum Konzentrieren benötigte Zeit auch nach dem einhundertsten Ansatz 17 bis 20 h.

Beispiel 3

Ein Latex mit einer Feststoffkonzentration von 48 Gew.-% wird ansatzweise auf 58 Gew.-% konzentriert Dazu dient das im Beispiel 1 beschriebene Filterelement und die in F i g. 11 gezeigte Anlage, je Ansatz werden 2 m³ der 48%igen Latex behandelt Nach jeweils 10 min Filtrationsdauer wird 03 min lang rückgespült Als Rückspülflüssigkeit wird das Filtrat verwendet. Das Dispersionsmittel für die Latex ist das gleiche wie im Beispiel 1. Dem zum Rückspulen verwendeten Filtrat wird dieses Dispersionsmittel in einer Menge zugegeben, daß eine Konzentration von 2s 1000 ppm aufrechterhalten wird. An der Filtrationsoberfläche der Hohlfasern ist die Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit 0.7 m/s oder größer. Es wird ohne zu rühren rückgespült. Der Filtereinsatz kann mindestens für die Verarbeitung von 32 solcher Ansätze verwendet werden. Für die Konzentrierung jedes dieser Ansätze werden 4 bis 6 h becötigt

Beispiel 4

35

Eine Latex mit 40Gew.-% Feststoffgehalt wird ansatzweise auf 50Gew.-% in der in Fig. 11 gezeigten Modellanlage mit der in Beispiel 1 verwendeten Filtereinheit konzentriert. Bei jedem Ansatz werden 3 m³ der 40%igen Latex verarbeitet. Nach jeweils 15 min Filtration wird eine Minute rückgespült Die Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit wird so eingestellt, daß sie auf der Filteroberfläche der Hohlfasern in der Filtereinheit während der Filtration 0,7 m/s oder größer ist Während des Rückspulens wird nicht gerührt Das Filtrat wird zum Rückspülen eingesetzt Während der Konzentrierung ist die Konzentration des Latexdispersionsmittels, dessen Zusammensetzung der im Beispiel 1 beschriebenen Zusammensetzung entspricht 100 bis 300 ppm. Der Filtereinsatz kann ohne Unterbrechung mindestens 40 dieser Ansätze konzentrieren. Je Ansatz wird für die Einstellung einer Konzentration von 50Gew.-% eine Zeit von 15 bis 20 h benötigt

Beispiel 5

Eine Vinylacetatlalex mit einer Konzentration von 3Gew.-% wird in der in Fig. 12 gezeigten Anlage mit eo dem im Beispiel 1 beschriebenen Filter auf 20 Gew.-% konzentriert. Die Durchsatzkapazität der Ultrafiltrationsanlage beträgt 3OmVd. Die auf 20Gew.-% Feststoff gehalt konzentrierte Latex wird kontinuierlich abgezogen. Die Strömungsgeschwindigkeit ist in der Filtereinheit 0,7 m/s oder größer. Nach jeweils 30 min Filtrationsbetrieb wird I min rückgespült. Als RückspülflUssigkeit dient das Filtrat Als Dispersionsmittel für die Latex dient Laurinsäure-po'.yoxyäthylensorbitmonoester. Die Konzentration des Dispersionsmittels beträgt während des Konzentrieren im Filtrat etwa 100 ppm.

Der Filtereinsatz kann mindestens 15Od ununterbrochen betrieben werden.

Beispiel 6

Ein Styrol-Butadien-Copolymerlatex mit einem Monomerenverhältnis von 50 :50 im Copolymer wird von einer Konzentration von 45 Gew.-% auf 50 Gew.-% in der in Fi g. 12 gezeigten Anlage unter Verwendung der im Beispiel 1 beschriebenen Filtereinheit konzentriert Die Durchsatzleistung der Anlage beträgt 30 mVd. Die auf 50 Gew.-% konzentrierte Latex wird kontinuierlich aus der Anlage abgezogen. Während des Betriebes ist die Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit in der Filtereinheit auf 0.7 m/s oder darüber eingestellt Nach jeweils 12 min Filtration wird 0,75 min rückgespült Als Rückspülflüssigkeit dient das Filtrat Die Latex enthält das gleiche Dispersionsmittel wie im Beispiel 1. Die Konzentration des Dispersionsmittels im Filtrat liegt bei 170 ppm. Der Filtereinsatz kann unter diesen Betriebsbedingungen 70d ununterbrochen und ohne Ausfall verwendet werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung weisen also auf dem Gebiet der Konzentrierung verschiedener Latexarten große Vorteile auf. In der Anlage kann eine Kunststofflatex konzentriert werden, deren Konzentration durch Ultrafiltration mit den bekannten Anlagen bislang nicht möglich ist In der Anlage der Erfindung kann eine solche Latex ansatzweise oder kontinuierlich in wirtschaftlicher Weise über lange Zeiträume ohne Niederschlagen der Feststoffe oder Ausbildung einer Konzentrationspolarisationsschicht durchgeführt werden. Die Latexkonzentrate können ohne Aufwendung thermischer, dynamischer oder elektrischer Einwirkungen auf die Latex, also ohne eine Qualitätsminderung, bewerkstelligt werden. Nach den bekannten Verfahren der Verdampfung, des elektrischen Dekantieren oder des Zentrifugieren kann eine Kunststofflatex bislang nicht konzentriert werden. Es treten bei diesen Versuchen Farbänderungen, Kohäsionen. verursacht durch elektrische Ladungen, ein Zusammenbrechen der Emulsion durch Einwirkung mechanischer Spannungen und andere unerwünschte Effekte auf. Dagegen kann die Konzentrierung auch einer empfindlichen Kunststofflates, wie vorstehend gezeigt, ohne Schwierigkeiten mit der Ultrafiltrationsanlage der Erfindung durchgeführt we·· den Dies ist von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung für die Anlagen zur Herstellung von synthetischem Kautschuk, die typischerweise mit einer Ausbeute vor. 90% arbeiten und 10% des Kautschukmaterials in Form verdünnter Abwässer verlieren. Durch den Einsatz der Ultrafiltration kann in solchen Anlagen die Ausbeute auf praktisch 100% erhöht werden, wenn die Abwässer in der beschriebenen Weise konzentriert und in den Prozeß riickgeführt werden. Dabei kann vor allem auch das Verfahren zur Aufarbeitung der Latexabwässer insgesamt wesentlich vereinfacht und verbessert werden. Vor allem die bei der üblichen Latexabwasserbehandlung erforderliche Stufe der Kohäsionsfällung, die zu großen Mengen Feststoffrückstand führt, kann entfallen. Außerdem kann mit der Anlage der Erfindung unter einer Verfahrensführung gemäß dem Verfahren der Erfindung eine Latex mit einer Konzentration hergestellt werden, die aufgrund der beim Polymerisie-

ren auftretenden Schwierigkeiten in höheren Konzentrationsbereichen bislang nicht erhältlich sind. Durch die Ultrafiltration kann eine Latex hergestellt werden, deren Konzentration praktisch unmittelbar unter dem Gelpunkt liegt.

Beispiel 7

Eine Latex mit 3 Gew.-% eines Styrol-Butadien-Copolymers niiit einem Monomerenverhältnis von 50 :50 wird ansatzweise auf 20Gew.-% in der in Fig. 16 gezeigten Anlage konzentriert. Die Filtereinheit 33 arbeiten nach dem Innendruckprinzip und ist prinzipiell in der in: Fig.4 gezeigten Weise aufgebaut. Die Hohlfasenn haben einen Außendruchmesser von 3 mm und einen: lichten Innendurchmesser von 2 mm. Sie bestehein aus Polyacrylnitril. Die Wasserdurchlässigkeit der HohLFasern beträgt 2£6 m³ · m~² · m~² - d·-' · bar-' (entsprechend 3,0m³ · m~² · d-' · atm-'). Die wirksame Mebrajflache wird auf die Außenfläche der Hohlfasern bezogen. Der Filereinsatz enthält 600 Hohlfasiern mit einer wirksamen Länge von je 850 mm. Die Fasern sind im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Sie sind beidseitig offen und beidseitig eingespannt Die wirksame Membranoberfläche beträgt 4,2 m². Als; Stützelemente für den Filtereinsatz dienen vier Runds täbe aus rostfreiem Stahl. Die Stützstäbe liegen außerhalb des Hohlfaserbündels.

Je Arasaia: werden 3 m³ der 3%igen Latex verarbeitet. Nach jeweils 20 min Filtration wird 0,75 min rückgespült. Als Rücksp"'!flüssigkeit dient das FiltraL Das Latexdispe.Tsionsmittel ist das gleiche wie im Beispiel 1. Die Konzentration des Dispersionsmittels im Filtrat beträgt während der Konzentrierung 75 bis 110 ppm. Während des Rückspulens wird nicht gerührt und werden auch nicht auf andere Weise Turbulenzen erzwungen. Die Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit beträgt während der Filtrationsphase, bezogen auf die Hohlfaseroberfläche, 0,7 bis I m/s. Mit einem Filtereinsatz werden mindestens 50 Ansätze verarbeitet. Die je Ansatz erforderliche Verarbeitungsdauer beträgt auch nach dem 50. Ansatz etwa 13 bis 115 h.

Beispiel 8

In der in Fig. 17 gezeigten Anlage wird eine Vynylacetatlatex mit einer Konzentration von 3 Gew,-% auf 20 Gew.-% konzentriert. Es wird die im Beispiel 7 beschriebene Ritereinheit verwendet. Die Kapazität der Ultnifiltrationsanlage beträgt 30 mVd. Die auf 20 Uew.-% konzentrierte Latex wird kontinuierlich aus der Anlage abgezogen. Während des

<o Konzentrationsprozesses beträgt die Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit in der Ultrafiltrationseinheit 0,7 m/s. Nach jeweils 30 min Filtrationsdauer wird 1 min rückgespült Als Rückspülflüssigkeit dient das initrat

Das Latexdispersionsmittel ist das gleiche wie im Beispiel 5. Die Konzentration des Dispersionsmittels beträgt im für die Rückspülung verwendeten Filtrat 100 ppm. Unter diesen Bedingungen kann der kontinuierliche Betrieb, ohne daß der Filtereinsatz gewechselt

M zu werden braucht, mindestens 80 Tage lang aufrechterhalten bieiben.

Beispiel 9

Das im Beispiel 7 beschriebene Verfahren wird mit der Abänderung wiederholt, daß als Rückspülflüssigkeit deionisiertes Wasser eingesetzt wird. Ai>f den Innenwandungen der Hohlljsern der Filtereinheit setzt sich ein Latexüberzug ab. Nach der Verarbeitung von nur 6 Ansätzen der beschriebenen Art muß der Filtereinsatz gewechselt werden. Für die Verarbeitung des ersten Ansatzes werden 15 h benötigt während für die Verarbeitung des sechster. Ansatzes bereits 32 h erforderlich sind.

Beispiel 10

Das im Beispiel 8 beschriebene Verfahren wird mit der Abänderung wiederholt, daß statt des Filtrats deionisiertes Wasser als Rückspülfliissigkeit eingesetzt wird. Wie auch iim Beispiel 9 hüdet sich ein Latexüberzug auf den Innenwandungen der Hohlfasem. Nach 133 h kontinuierlichem Betrieb unter den im Beispiel 8 angegebenen Bedingungen muß der Filtereinsatz gewechselt werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultrafiltrationsanlage, enthaltend eine Ritereinheit mit einem Filtereinsatz (1—6; 1, 2, 18) aus geordnet und im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet zu einem Bündel zusammengefaßten Hohlfasern mit semipermeablen Wandungen, wobei die Fasern an mindestens einem Ende in einer Vergußmasse festgelegt und an diesem Ende offen sind und der Filtereinsatz in ein Filterkammergehäuse mit einem Einlaß für die zu filtrierende Aufgabeflüssigkeit, einem Auslaß für das Filtrat und einem Auslaß für die nicht durch die Hohlfaserwandungen hindurchgetretene Rückstandsflüssigkeit so eingepaßt ist, daß die Vergußmasse zusammen mit den Hohlfaserwandungen in der Filterkammer eine Aufgabekammer und eine Filtratkammer hermetisch dichtend gegeneinander abgrenzt, gekennzeichnet durch (a) eine Rückspülvorrichtung mit einem Filtratspeicherbehälter (22), aus dem Filtrat zur Filtereinheit rückführbar ist, und durch (b) einen Regler oder eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Filtereinheit und der Rückspülvorrichtung.

2. Ultrafiltrationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtereinsatz so ausgebildet ist, daß die Hohlfasern einseitig geschlossen sind, daß sie am offenen Ende in geordneter Weise und im wesentlichen parallel zueinander zu einem Bündel zusammengciaßt und in einem Vergußmassenelement festgelegt sind, daß die^schlossenen Faserenden nicht festgelegt frei'iegen und daß an dem Ende des Faserbündels, an dem die F iern festgelegt sind, zentral im Hohlfaserbündel ein Einlaßsystem für die aufzugebende zu behandelnde Flüssigkeit angeordnet ist, das sich axial in Richtung auf die geschlossenen Faserenden zu erstreckt.

3. Ultrafiltrationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtereinsatz so ausgebildet ist, daß das Hohlfaserbündel aus im wesentlichen parallel und geordnet zueinander ausgerichteten beidseitig offenen und beidseitig in Vergußmassenelementen festgelegten Hohlfasern aufgebaut ist, wobei die beiden aus der Vergußmasse bestehenden Fixierungselemente durch außerhalb des Faserbündels und im wesentlichen parallel zu diesem liegende Stützelemente festgelegt sind.

4. Ultrafiltrationsverfahren, bei dem man die zu behandelnde Flüssigkeit von außen durch die Wandungen von Hohlfasern mit semipermeablen Wandungen und durchgehendem inneren Hohlraum in den Hohlraum der Hohlfasern hinein überführt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hohlfasern in der Weise rückspült, daß man als Rückspülflüssigkeit einen Teil der bei der Filtration durch die Hohlfaserwandungen in den Hohlraum der Hohlfasern durchgetretenen Flüssigkeit, also einen Teil des Filtrats verwendet und diesen vom inneren Hohlraum der Hohlfasern durch die Hohlfaserwandungen hindurch nach außen treten läßt, und daß man diese beiden Verfahrensstufen des Filtrierens und Rückspulens ständig alternierend wiederholt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man dafür Sorge trägt, daß die zu behandelnde Flüssigkeit ein Dispersionsmittel, und zwar ein anionisches Tensid, ein nichtionisches Tensid, ein kationisches Tensid oder Gemische dieser Tenside, enthält, für das die Hohlfaserwandungen durchlässig sind.