DE2525972C2

DE2525972C2 - Membranelement und Vorrichtung zur Durchführung der Membranfiltration

Info

Publication number: DE2525972C2
Application number: DE2525972A
Authority: DE
Inventors: Wolfram 6240 Königstein Saupe
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1975-06-11
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1987-02-26
Also published as: FR2313962B1; JPS51149881A; JPS6082B2; NL181172B; FR2313962A1; GB1504464A; NL7606163A; DE2525972A1; NL181172C; US4062771A

Description

Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Membranelement für eine Membranfiltrationseinrichtung, in der diese Membranelemente parallel und im Abstand voneinander zu einem Stapel angeordnet werden, bestehend aus einem scheibenförmigen druckfesten porösen Trägerglied, das beidseitig direkt mit einer Membran belegt ist. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung der Membranfiltration.
Im Gegensatz zu den Anlagen, die mit mechanischen Filtern - z. B. Filterpressen oder rotierenden Anschwemmfiltern - arbeiten, eignen sich die bekannten Einrichtungen zur Membranfiltration auch für die Abtrennung niedermolekularer und ionischer Anteile. Sie dienen der selektiven Trennung bzw. Konzentrierung einzelner Komponenten von Lösungen, Suspensionen, Emulsionen oder Dispersionen, beispielsweise zur Aufbereitung von Salz- oder Brackwasser, zum Behandeln von Blut, Molke, Farbstoffsuspensionen, Kunststoffdispersionen, Öl-Wasser- Emulsionen oder Enzymen, zur Säureentfernung in Wein oder zur Alkoholreduzierung in Bier.
Einrichtungen zur Membranfiltration, auch Module genannt, sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, wobei man gemäß ihrer Arbeitsweise dynamische und statische Vorrichtungen unterscheiden kann.
Wird die Membranfiltration mit dynamischen Vorrichtungen durchgeführt, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 21 46 867 bekannt sind, so wird gewöhnlich eine höhere Aufkonzentrierung erreicht als mit einer statischen Vorrichtung. Durch Rotation der Membranträger und Strömungsbrecher wird in diesen dynamischen Modulen unter Wirbelbildung eine turbulente Strömung des zu behandelnden Mediums erzeugt, die einer Konzentrationsüberhöhung und Feststoffabsetzung auf der Oberfläche der Membranen entgegenwirkt. Gegenüber den statischen Vorrichtungen stellen die dynamischen Vorrichtungen aufwendige technische Konstruktionen mit relativ hohen Betriebskosten dar, so daß diese dynamischen Module nur für Spezialzwecke herangezogen werden.
Zu den bekannten statischen Vorrichtungen zur Durchführung der Membranfiltration zählen die Rohr- und Hohlfasermodule, die in ihrem Aufbau Rohrbündelwärmeaustauschern ähneln, wobei die Lösung in oder um kreiszylinderförmige Membranflächen strömt, sowie die Filterpressen- und Spiralmodule, bei denen die Lösung zwischen parallelen, ebenen oder im Verhältnis zum Abstand nur wenig gekrümmten Membranflächen fließt.
Rohrmodule, wie sie beispielsweise in der DE-OS 18 05 590 beschrieben werden, weisen schlauchförmige, semipermeable Membranen auf, die auf ein poröses Stützrohr aufgebracht sind. Die beispielsweise aus der DE-OS 14 42 420 bekannten Spiralmodule bestehen üblicherweise aus Flachmembranen mit dazwischengelegtem, ableitfähigem Material, wobei die Flächenmembranen spiralig um ein Rohr gewickelt und verklebt sind. Filterpressenmodule, die analog zu mechanischen Filterpressen aufgebaut sind, bestehen beispielsweise gemäß DT-OS 23 04 702 aus einem Stapel von abwechselnden Leitplatten und Membranstützgliedern, wobei jedes Stützglied auf beiden Seiten je eine semipermeable Membran unterstützt.
Eine der wichtigsten Forderungen bei der Modulkonstruktion ist die Schaffung einer möglichst großen Modulpackungsdichte, d. h. eine möglichst große Membranfläche soll in möglichst kleinem Modulvolumen angeordnet werden, so daß bei geringem Anlagen-Platzbedarf eine optimale Werkstoffausnutzung erreicht wird. Dieser Forderung werden Filterpressen- und Rohrmodule nicht gerecht; sie zeigen gegenüber den anderen Modultypen eine relativ geringe Modulpackungsdichte.
Ferner zeigen die bekannten Filterpressenmodule den Nachteil, das der Membranwechsel nicht mit einfachen Mitteln durchgeführt werden kann, wobei die Gefahr besteht, daß die neu einzuführende Membran beschädigt wird. In der US-PS 35 08 994 wurde zwar ein Filterpressenmodul vorgeschlagen, bei dem die porösen Trägerglieder direkt mit einer membranbildenden Lösung beschichtet werden, so daß beim Membranwechsel nicht mit der empfindlichen Membran selbst hantiert werden muß. Dieser bekannte Modul zeigt jedoch den Nachteil einer relativ niedrigen Modulpackungsdichte.
Eine weitere Abscheidungsvorrichtung für Strömungsmittel beschreibt die DE-OS 23 58 464, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, eine Vorrichtung zu schaffen, die erhöhten Drucken widerstehen kann und die auch einfach zu montieren und zu demontieren ist. Diese Aufgabe wird nach der Lehre der Druckschrift durch eine Vorrichtung gelöst, bei der innerhalb eines zylindrischen Gehäuses Stapel von Ringen vorgesehen sind, zwischen denen in Ausnehmungen mit Membranen bedeckte, poröse, volle Scheiben vorgesehen sind. Auch bei dieser Vorrichtung ist das Problem der maximalen Membranpackungsdichte noch nicht zufriedenstellend gelöst.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus Trägerglied und Membran bestehenden scheibenförmigen Membranelemente für pressenartige Membranfiltrationseinrichtungen bezüglich ihrer wirksamen Membranpackungsdichte zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung gelöst, deren kennzeichnendes Merkmal darin zu sehen ist, daß die Trägerglieder mit einer Vielzahl von Durchlaßöffnungen versehen sind, deren innere Oberfläche ebenfalls mit semipermeablem Membranmaterial belegt ist.
Unter innerer Oberfläche der Durchlaßöffnungen ist deren Wandung zu verstehen; die restliche Oberfläche der Trägerglieder soll als äußere Oberfläche bezeichnet werden. Die Trägerglieder sind fluiddurchlässig und dienen zur Ableitung des Permeats. Sie haben vorzugsweise runde Scheibenform, wobei Breite und Höhe groß sind in Bezug auf die Dicke, und sind vorzugsweise parallel hintereinander angeordnet.
Das zu behandelnde Medium kann nicht um den Umfangsrand herum in den benachbarten Zwischenraum gelangen, sondern es fließt in erster Linie senkrecht zur äußeren Oberfläche der Trägerglieder, nämlich durch die Durchlaßöffnungen in den benachbarten Zwischenraum, im Gegensatz zu den bekannten Filterpressenmodulen, in denen das zu behandelnde Medium ausschließlich parallel zu den porösen Trägergliedern strömt und gegebenenfalls um den Umfangsrand herum in den nächsten Zwischenraum gelangt, den es dann in Gegenrichtung und ebenfalls parallel zu den porösen Trägergliedern durchfließt.
Bei der vorliegenden Erfindung werden als Trägerelemente Trägerglieder eingesetzt, die mit einer Vielzahl von Durchlaßöffnungen versehen sind, deren innere Oberfläche ebenfalls mit semipermeablem Membranmaterial belegt ist. An diese erfindungsgemäßen Trägerglieder sind nun, im Vergleich zu Trägergliedern nach dem Stand der Technik, ganz besonders hohe Anforderungen im Hinblick auf ihre mechanische Festigkeit und ihre Porosität zu stellen. Durch die in den Trägergliedern vorgesehenen Durchlaßöffnungen wird nämlich die mechanische Festigkeit der Trägerglieder im Vergleich zu Trägergliedern ohne Durchlaßöffnungen herabgesetzt. Ebenso diffundiert durch die auf den inneren Oberflächen der Durchlaßöffnungen aufgebrachten Membranen wegen der vergrößerten Membranoberfläche noch mehr Permeat und muß infolgedessen auch mehr abgeführt werden. Um der besonderen mechanischen Beanspruchung gerecht zu werden, bestehen die Trägerelemente des erfindungsgemäßen scheibenförmigen Membranelementes vorzugsweise aus besonders harten Materialien, die in Anspruch 6 genannt werden.
Die Belegung von Trägergliedern ohne Durchlaßöffnungen mit semipermeabler Membran ist Stand der Technik und erfolgt beispielsweise nach dem Prinzip der direkten Tauchbeschichtung gemäß US-PS 35 08 994; ferner mit Hilfe Verdrängungskörper, Ringspaltdüse, Druckgasblase oder Sprühen. Diese bekannten Verfahren sind auch im vorliegenden Fall geeignet, eine haftfeste Membran auf den Trägergliedern zu erzeugen. Als Membranmaterial werden die bekannten Substanzen, wie z. B. Polyamid oder Celluloseacetat, verwendet.
Der Querschnitt der Durchlaßöffnung kann beliebig gewählt werden und besitzt wegen der relativ einfachen Herstellung vorzugsweise kreisförmige, drei-, vier- oder sechseckige Form (Fig. 5).
Der hydraulische Durchmesser der Durchlaßöffnung, das ist die vierfache Querschnittsfläche der Durchlaßöffnung, dividiert durch ihren Umfang, soll möglichst klein gewählt werden, soweit es das zu trennende Medium gestattet, und liegt im Bereich von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise bis 5 mm, insbesondere 2 bis 3 mm.
Die Querschnittsfläche einer Durchlaßöffnung ist im Bereich der Durchlaßöffnung vorzugsweise zumindest annähernd konstant; sie kann jedoch auch so gewählt werden, daß die Durchlaßöffnung konisches Aussehen erhält.
Die Länge der Durchlaßöffnung und somit die Strömungsweglänge durch ein Trägerglied entspricht dem ein- bis zehnfachen, vorzugsweise dem vier- bis sechsfachen Durchmesser der Durchlaßöffnung.
Die Durchlaßöffnungen benachbarter Trägerglieder sind vorzugsweise gegeneinander versetzt angeordnet, so daß sich die Strömungsrichtung des zu behandelnden Mediums im Zwischenraum zwischen den Trägergliedern ändern muß.
Die Trägerglieder sind vorzugsweise parallel und im Abstand hintereinander angebracht, wobei die Zwischenräume zwischen benachbarten Trägergliedern fluidundurchlässig vorzugsweise am Umfangsrand der Trägerglieder oder in dessen Nähe abgedichtet sind.
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Trägergliedern ist abhängig vom hydraulischen Durchmesser der Durchlaßöffnung und beträgt 1 bis 10 mm, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm, insbesondere 2 bis 3 mm. Als fluidundurchlässiges Material können beispielsweise bekannte Dichtungen eingesetzt werden. Sind die Dichtungen in Form von O-Ringen, d. h. mit rundem Querschnitt, so sind entsprechende Vertiefungen zu ihrer Aufnahme an den Trägergliedern in der Nähe des Umfangsrandes vorgesehen. Als Dichtungsmaterial sind üblicherweise Asbest, Gummi, Silicongummi oder Polytetrafluoräthylen zu verwenden.
Als poröses, druckfestes Material für die Trägerglieder werden die aus den bekannten Vorrichtungen zur Reversosmose oder Ultrafiltration üblichen fluiddurchlässigen Stützschichten eingesetzt, wie z. B. Keramik, gesintertes Polyäthylenpulver oder druckfeste Papierschichten. Als erfindungsgemäßes Material wird weiterhin vorgeschlagen, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, gesintertes Metallpulver wie Chromstahlpulver oder Bronzepulver, Graphit, Siliziumcarbid und druckfeste, mit Kunstharz gefüllte Filzschichten aus Kunstfasern, die eventuell mit Metallfolie verstärkt werden.
Der Zulauf für die Rohlösung und der Ablauf für das Endkonzentrat befinden sich an gegenüberliegenden Plätzen des Moduls, d. h. vor dem ersten bzw. hinter dem letzten Trägerglied, wobei Gleichrichterplatten vor dem ersten bzw. hinter dem letzten Trägerglied eine besonders gleichmäßige Verteilung des zu behandelnden Mediums gestatten. Zulauf für die Rohlösung und Ablauf für das Endkonzentrat sind vorzugsweise so angebracht, daß die Rohlösung parallel zur ersten Gleichrichterplatte in die Vorrichtung einfließt und das Endkonzentrat parallel zur zweiten Gleichrichterplatte die Vorrichtung verläßt. Zur optimalen Verteilung der Lösung über die gesamte Fläche der Gleichrichterplatten wird die einlaufende Rohlösung vor dem Durchtritt und das auslaufende Endkonzentrat nach dem Durchtritt durch die Gleichrichterplatten beim Ein- bzw. Auslauf spiralförmig, beispielsweise durch strömungsbeeinflussende Elemente wie Strömungsstörer und/ oder durch tangentiale Anordnung mindestens jeweils eines Ein- bzw. Auslaufstutzens, geführt. Nach dem Durchtritt durch die erste Gleichrichterplatte trifft die Rohlösung auf die äußere Oberfläche des ersten Trägergliedes, vorzugsweise senkrecht, auf.
Die Austrittsöffnungen für das Permeat befinden sich am Umfang der einzelnen Trägerglieder. Das ausfließende Permeat wird in einem Gefäß oder in einem die Vorrichtung umgebenden Gehäuse mit Permeatauslauf gesammelt.
Die im folgenden erläuterten Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ohne daß sich die Erfindung hierauf beschränkt.
Fig. 1 stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2 dar.
Fig. 2 zeigt in Frontansicht teilweise im Schnittaufbruch einen Ausschnitt der Vorrichtung in Richtung des Pfeils II in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt im vergrößertem Maßstab den Teilbereich III aus Fig. 1
Fig. 4 zeigt verschiedene Ausführungsformen a bis d des Teilbereichs IVd in Fig. 3 im vergrößerten Maßstab.
Fig. 5 zeigt in Frontansicht in Richtung des Pfeils V in Fig. 4a einen Teilbereich eines Trägergliedes.
Das im folgenden näher erläuterte Beispiel in Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Hierbei sind zwischen zwei kreisförmigen Druckplatten 1, hergestellt aus dem zu behandelnden Medium gegenüber korrosionsfestem Werkstoff, wie z. B. rostfreiem Stahl, an ihrem Umfang versehen mit Stutzen 2 zur tangentialen Zuführung der Rohlösung 3 bzw. tangentialen Abführung des Endkonzentrates 4, eine Vielzahl scheibenförmiger kreiszylindrischer Trägerglieder 5mit Hilfe von Zugstangen 6 aus dem Permeat 13 gegenüber korrosionsfreiem Werkstoff, wie z. B. rostfreiem Stahl, zusammengepreßt, wobei zwischengelegte elastische Dichtringe 7 die Zwischenräume 16 zwischen benachbarten Trägergliedern abdichten.
Die Trägerglieder 5 sind mit einer Vielzahl von Durchlaßöffnungen 8 versehen und allseitig, mit Ausnahme im Bereich des Umfangs 9, mit semipermeabler Membran 10, beschichtet. Im Bereich der Berührungsfläche der Trägerglieder 5 mit den Dichtringen 7 befinden sich keine Durchlaßöffnungen 8 durch die Trägerglieder 5. In diesem Bereich und am Umfang 9 befindet sich ein umlaufender Metallrahmen 11 mit Auslaß 12 für das Permeat 13, das in einem Sammelgefäß 14 aufgefangen wird. Zwischen den Druckplatten 1 und dem ersten Trägerglied 5 a bzw. letzten Trägerglied 5 b befinden sich Strömungsgleichrichter 15, z. B. in Gestalt eines Lochbleches oder Drahtnetzes.
In Fig. 3 ist die Moduldurchströmung 19 schematisch dargestellt.
Zur eventuellen Verstärkung der porösen Trägerglieder wird deren Umfang durch einen Metallrahmen 11 (Fig. 4a) eingefaßt. Der Metallrahmen kann im Querschnitt L- oder U-förmig den Umfang der Trägerglieder umschließen und sich bis in den Bereich der Dichtfläche erstrecken (Fig. 4b-d), wobei er zur Aufnahme einer Dichtung 7 a in Form eines O-Ringes mit Aussparung 17 versehen ist (Fig. 4c) oder eine Dichtkante 18 aufweist (Fig. 4d), so daß sich die Verwendung der obengenannten Dichtungen als fluidundurchlässiges Material erübrigt. Im letztgenannten Fall wird der Abstand der Trägerglieder durch die Höhe dieser Dichtkanten festgelegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung zeigt eine hohe Modulpackungsdichte. Bei der erfindungsgemäßen Dimensionierung der Durchlaßöffnungen und Abstände der Trägerglieder werden Konzentrationsüberhöhung oder Feststoffabsetzung so gering wie möglich und damit der Flux konstant gehalten. Die Vorrichtung ist somit auch zur Trennung Niederschläge bildender Gemische geeignet.
Ferner erlaubt die relativ einfache aufbaubare Vorrichtung einen raschen Wechsel der mit semipermeabler Membran belegten Trägerglieder, wobei eine Beschädigung der empfindlichen Membran nicht zu befürchten ist.

Claims

1. Scheibenförmiges Membranelement für eine Membranfiltrationsvorrichtung, in der diese Membranelemente parallel und im Abstand voneinander zu einem Stapel angeordnet werden, bestehend aus einem scheibenförmigen druckfesten porösen Trägerglied, das beidseitig direkt mit einer Membran belegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerglieder (5) mit einer Vielzahl von Durchlaßöffnungen (8) versehen sind, deren innere Oberfläche ebenfalls mit semipermeablem Membranmaterial belegt ist.

2. Membranelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnungen (8) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

3. Membranelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnungen (8) drei-, vier- oder sechseckige Querschnittsform aufweisen.

4. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Durchmesser der Durchlaßöffnungen (8) 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm, beträgt.

5. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsweglänge durch die Durchlaßöffnung (8) dem ein- bis zehnfachen, vorzugsweise dem vier- bis sechsfachen hydraulischen Durchmesser der Durchlaßöffnung (8) entspricht.

6. Membranelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerglieder (5) aus einem Material bestehen, ausgewählt aus der Gruppe Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Chromstahl, Bronze, Graphit, Siliziumcarbid oder druckfesten, mit Kunstharz gefüllten Filzschichten aus Kunstfasern, gegebenenfalls mit Metallfolie verstärkt.

7. Vorrichtung mit einem Stapel von Membranelementen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand benachbarter Membranelemente der Größe des hydraulischen Durchmessers der Durchlaßöffnungen (8) entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnungen (8) benachbarter Membranelemente gegeneinander versetzt angeordnet sind.