DE2603999A1

DE2603999A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung einer membranfiltration

Info

Publication number: DE2603999A1
Application number: DE19762603999
Authority: DE
Inventors: Johan Paul Nommensen
Original assignee: Stamicarbon BV
Current assignee: Stamicarbon BV
Priority date: 1975-02-05
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1976-09-16
Also published as: JPS51105981A; BE838216A; GB1508513A; NL7501345A; FR2299894A1

Description

MEINE ZEICHEN

Du (5ol)

Patentanmeldung Anm.: STAHICARBüN B.V., Geleen (Niederlande), P. 0. Box 10

Bez.: Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer iiembranfiltrction

E/ie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Membranfiltration, bei dem eine dynamisch-gebildete Membran auf rohrförmigem porösem iiaterial angebracht wird, durch dessen Rohre die zu filtrierende Flüssigkeit unter Druck zugeführt wird, wozu sich die Rohre in einem geschlossenen Raum befinden, aus dem die filtrierte Flüssigkeit abgeführt werden kann, wobei die Membran zu bestimmten Zeiten durch Rückspülen des Filtrats und Abführen des abgespülten Hembranmaterials aus den Rohren ersetzt wird, wozu der Druck in den

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Rohren weggenommen, der Druck im geschlossenen Raum erhöht und anschließend eine neue Membran angebracht wird.

Unter einer "dynamisch-gebildeten Membran" wird hier eine Auskleidung aus körnigem Material verstanden, das in einer Stärke von einigen Mikron ein- oder mehrschichtig auf einem porösen Untergrund angebracht ist, wobei die naterialteilchen im Durchschnitt kleiner als 5 Mikron sind und infolge ihrer kompakten Stapelung sehr feine Poren bilden. Eine solche Membran wird z. 3. zum Ausführen der umgekehrten Osmose verwendet. Dies wird u. a. in der US-PS 3,577,339 beschrieben. Während der Filtration wird der Widerstand allmählich höher und die Kapazität somit geringer· Zu einem näher zu bestimmenden Zeitpunkt muiB diese Membran ersetzt werden. Dazu wird die alte Membran auf die obenerwähnte 'Weise entfernt und eine neue Schicht angebracht; dazu läßt man eine Suspension des betreffenden Membranmaterials sich auf dem porösen Material absetzen, wie dies z. B. in "Reverse Osmosis", Sourirajan, S. Logos Press London-Academic Press, New York 1970, beschrieben wird.

Die Praxis hat ergeben, OaB die zum Rückspulen benötigte Filtratmenge nahezu genauso groß ist wie die Menge der filtrierten Flüssigkeit, so daß das Nettoergebnis wirtschaftlich unattraktiv wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nunmehr ein Verfahren, bei dem die zum Rückspulen benötigte Flüssigkeitsmenge derart gering ist, daß diese Filtrationsveise für Anwendung auf großtechnischem Maßstab interessant wird.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung muß man dazu durch eine plötzliche Erhöhung des Druckes im geschlossenen Raum eine kleine Filtratmenge durch die Filterfläche zurückpressen, und zwar pro m Filterfläche minimal 1 Liter Filtrat innerhalb von 1 Sekunde. Vorzugsweise wird der Druck sogar derart erhöht, aaß das Rückspülen innerhalb von 0,5 Sekunden beendet ist. Die zurückgepreßte Viassermenge wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch den Inhalt der nachstehend zu beschreibenden Mittel beschränkt, die den plötzlichen Druckstoß bewirken. Dieser Inhalt kann pro m Filterfläche 50 Liter betragen; nachweislich kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr gut mit 20 Liter

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pro m ausgeführt werden. Selbstverständlich ist man bemüht, die Menge möglichst gering zu halten; weniger als 1 Liter gibt jedoch nicht die Gewißheit, daß die Membran v/eggespült wird. Das Verfahren führt zu einer sehr beachtlichen Einschränkung der Menge der zurückzuspülenden Flüssigkeit und dadurch zu einer Zunahme des Nettoergebnisses. Statt 200 Liter und mehr bei den herkömmlichen Verfahren reichen jetzt z. B. δ Liter bis 10 Liter Flüssigkeit pro

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m Filterfläche aus.

Das erzielte Ergebnis läßt sich wahrscheinlich aus folgenden Tatsachen erklären:

1. der Druckstoß garantiert einen gleichmäßigen Druck auf die ganze Membranfläche;

2. die durch das poröse Material zur Membran gepreßte Flüssigkeitsmenge ist über die ganze Oberfläche gleich;

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3. die zu entfernende Membran wird über ihre ganze Oberfläche gleichmäßig vom porösen Material aufgehoben;

4. durch die kurze Dauer des Druckstoßes v/ird pro Zeiteinheit eine größere Flüssigkeitsmenge durch das poröse Material gepreßt als bei den bekannten Verfahren;

5. es wird auf die in den Poren des porösen Materials befindlichen Teilchen ein wesentlich höherer Druck ausgeübt, wodurch diese sich besser lösen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung besteht aus rohrförmigen! porösem, in einem geschlossenen Raum befindlichem Material, wobei Mittel vorgesehen sind, die zu filtrierende Flüssigkeit unter Druck durch die Rohre zu- und abzuführen, die filtrierte Flüssigkeit aus dem geschlossenen Raum zu entfernen und diese FlUssigkeitsströme umzukehren, und wird dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Trennwand vorhanden ist, die einerseits mit dem geschlossenen Raum in Verbindung steht und andererseits mit Mitteln, mit deren Hilfe die Trennwand derart in Bewegung gesetzt werden kann, daß die im geschlossenen Raum vorhandene Flüssigkeit einen plötzlichen Druckanstieg erfährt, wodurch innerhalb einer Sekunde

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je m Filteroberfläche minimal 1 Liter und maximal 20 Liter Filtrat zurückgepreßt v/erden.

Die bewegliche Trennwand ist vorzugsweise flexibel und in einem

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Druckgefäß angebracht, das mit dem geschlossenen Raum in Verbindung steht. Weiter sind Mittel vorgesehen, die flexible Wand mit Hilfe eines zuzuführenden Mediums plötzlich zu bev/egen. Eine andere AusfUhrungsform ist derart, 6oB das vorgenannte Druckgefäß an einer Seite als Teil des geschlossenen Raumes anliegt. Auch kann die bewegliche Trennwand einen Kolbenmechanismus umfassen'. Es kann sich sogar innerhalb der Wandung des geschlossenen Raums eine flexible Wand befinden. Diese kann sich auf 'Wunsch über den ganzen Umfang erstrecken. Das Medium, das die flexible Wand plötzlich bewegen soll, kann ein zusammengepreßtes Gas sein, z. B. Luft oder Stickstoff.

Die vorliegende Erfindung wird anhand einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung zum Durchfuhren einer umgekehrten Osmose erläutert. Es zeigen:

Fig. Ί eine Vorrichtung zum Ausführen einer umgekehrten Osmose mit einer Rückspülvorrichtung gemäß dem bekannten Stand der Technik;

Fig. 2 dieselbe Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Rückspülvorrichtung;

Fig. 3 eine alternative Ausführung zu Fig. 2; Fig. 4 und 5 andere alternative Ausführungen.

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Die möglichen Ausführungsbeispiele beschränken sich nicht auf die dargestellten Beispiele. Es ist eine Reihe von Alternativen möglich.

In der Zeichnung bedeuten:

1 eine Zufuhrleitung für Salzwasser unter hohem Druck (z. B. 50 Dar);

2 eine Zufuhrleitung für Wasser unter niedrigem Druck (z. 3. einige Dar);

3 ein Dreiv/egventil;

4 ein Gefäß zum Ausführen der umgekehrten Osmose;

5 poröse Rohre;

6 eine Kammer, an der sich die porösen Rohre befinden;

7 ebenso;

8 einen geschlossenen Raum, in dem die filtrierte Flüssigkeit aufgefangen wird;

9 ein Dreiwegventil;

einen Ablaß zur Kanalisation; eine Zufuhrleitung zur nächsten Filtrationseinheit; ein Dreiwegventil; eine Abfuhrleitung für das Filtrat; ein Puffergefäß für das Filtrat; einen Niveauschalter; eine Kurzschlußleitung; ein Pumpenaggregat; eine RUckspülleitung; ein Absperrventil;

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mm / «w

20 ein Druckgefäß mit flexibler Trennwand;

21 ein Filtrat;

22 eine flexible Trennwand;

23 einen mit zusammengepreßtem Gas gefüllten Raum;

24 ein Dreiwegventil;

25 eine Gaszufuhrleitung;

26 ein mit zusammengepreßtem Gas gefülltes Puffergefäß;

27 eine öffnung mit einem perforierten Hubbegrenzer in der Viand des Osmosegefäßes;

23 einen Mantel für einen Pumpenzylinder; 29 einen Pumpenkolben des Pumpenzylinders.

Gemäß einem für umgekehrte Osmose üblichen Verfahren arbeitet die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung wie folgt: auf der Innenseite der porösen Rohre 5 bringt man auf bekannte Weise, z. B. gemäß dem in der US-PS 3,577,339 beschriebenen Prinzip, eine dynamisch-gebildete Membran an. Dazu führt man die zu filtrierende Flüssigkeit, die der Reihe nach mit den Teilchen, aus denen die Membran zu bilden ist, beladen wird, über die Zufuhrleitung 2 und über die Kammer 6 unter allmählicher Erhöhung des Druckes bis z. B. 50 Bar zu den Rohren 5. Nachdem sich in den Rohren 5 auf diese Weise eine Membran gebildet hat, wird über die Zufuhrleitung 1 der Filtrationsvorgang in Gang gesetzte Dabei wird das Filtrat im Raum 8 gesammelt und nach sorgfältiger Entlüftung durch die Leitung 13 und durch das Puffergefäß 14 abgeführt. Wenn nun der Filterwiderstand über die Membran zu groß wird, schließt man das aus der Leitung 1, der Kam-

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mer 6, den Rohren 5, der Kammer 7 und der Leitung 11. bestehende Filtrationssystem und öffnet das aus der Leitung 2, der Kammer 6, den Rohren 5, der Kammer 7 und dem Auslaß 10 bestehende Spülsystem, in dem ein nahezu atmosphärischer Druck herrscht. Auch wird mit Hilfe des Dreiwegventils 12 die Filtratabfuhr über die Leitung 13 und das Puffergeföß 14 geschlossen. Durch die Wirkung des Pumpenaggregats 17 wird das Filtrat nun durch die Wand der Rohre 5 zurückgepreßt. Infolge der Strömungsbewegung im Spülsystem 2, 6, 5, 7, in Kombination mit dem Zurückpressen des Filtrats wird die dynamisch-gebildete Membran von den Rohren 5 entfernt. Die zur erforderlichen eingehenden Entfernung der Membran benötigte Filtratmenge ist bei diesem Verfahren, wie bereits oben erwähnt wurde, derart groß, daß die Nettoausbeute wirtschaftlich.unattraktiv wird. Nachdem man die verschmutzte Filterschicht von den Rohren 5 entfernt hat, schließt man das Spülsystem, öffnet man das Filtrationssystem wieder und bringt man anschließend auf die oben beschriebene Weise eine neue Membran an, worauf die Filtration wieder aufgenommen wird.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, das in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wiedergegeben wird, erfolgt das Anbringen der dynamischen Membran auf die Rohre 5 in der obenbeschriebenen Weise. Bei zu hohem Filterwiderstand muß auch jetzt die Membran ersetzt werden. Dazu schließt man auch in diesem Fall das aus der Leitung 1, der Kammer 6, den Rohren 5, der Kammer 7 und den Leitungen 11 und bestehende Filtrationssystem, öffnet das aus der Leitung 2, der Kammer 6, den Rohren 5, der Kammer 7 und dem Ablaß 10 bestehende SpUlsystem und behält nur in diesem letzteren System einen niedrigen Druck bei. Durch eine plötzliche Druckerhöhung mit Hilfe des

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ous dem Raum 23, der Leitung 25 und dem GefäiS 26 bestehenden Systems wird ein Druckstoß zustande gebracht, der mit hilfe der Trennwand 22 über das Filtrat 21 in das Gefäß 20 und auf das Filtrat im Raum 8 auf die hembran in den Rohren 5 übertragen wird.

Durch diesen Druckstoß wird die iiembran auf die bereits beschriebene Weise von den Rohren 5 losgelöst und kann auf einfache Heise von der Spülflüssigkeit weggespült werden. Die Filtratmenge, die durch die Wand der Rohre δ aus dem Raum 8 zurückgepreßt wird, ist nicht größer als der Mubraum der flexiblen Trennwand 22. Mach Beenden des Spülvorgangs wird der Gasdruck über das Dreiwegventil 24 verringert und die Trennwand 22 nimmt wieder ihre Ausgangsposition ein. Für das Wiederaufnehmen der Filtration werden die vorgenannten Handlungen durchgeführt.

Die Fig. 3, 4 und 5 sind schematisch dargestellte Alternativen zu Fig. 2. In Fig. 3 ist das Druckgefäß 20 als Halbkugel ausgeführt, die am Gefäß 4 befestigt ist, wobei die Wand des Gefäßes 4 mit einem perforierten iiubbegrenzer 27 versehen ist. In Fig. 4 ist die ganze Seitenwand des Gefäßes 4 mit einer flexiblen Wand 22 versehen. Die iiubbegrenzung wird einerseits durch die Innenseite des Gefäßes 4 und andererseits durch die AuSenrohre gebildet. Diese Ausführungsform ergibt bei dem kleinsten üub den schnellsten Druckaufbau und Zugleich die gröi3te Flüssigkeitsverdrängung.

Gemäß Fig. δ kann der Druckstoß statt von einer flexiblen Wand von einem Hiolben 29 erzeugt werden, der sich in einem auf dem Gefäß 4 angebrachten Zylinder 28 befindet.

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Die iiittel, mit deren Hilfe die zurückgepreßte Filtratmenge begrenzt werden kann, beschränken sich nicht auf die vorgenannte flexible Wand. Eine Alternative für die flexible Wand ist ein Dosiermechanismus, der einen einstellbaren Zeitregler umfaßt und sich zwischen dem geschlossenen Raum und einem separaten Vorratsgefäß befindet, das das Filtrat enthält und in dem sich das Filtrat ständig unter dem zum Rückpressen erforderlichen Druck befindet. Ein solches Gefäß muß selbstverständlich derart gesichert sein, daß immer ein ausreichender Filtratvorrat vorhanden ist, z. 3. mit iiilfe eines Miveaureglers für Minimal- und Haximalsicherung. Indem man auf diese Weise die zurückgepreßte Filtratmenge begrenzt, braucht man keine großen flexiblen Wände einzusetzen· Die Gesamtabmessungen der flexiblen Wände, die erforderlich sind, eine ausreichende Filtratmenge zurückzupressen, hängen von der gesamten Filterfläche ab.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung einer iiembranfiltration, wozu eine dynamisch-gebildete Membran auf rohrförmigen! porösem iiaterial angebracht wird, durch dessen Rohre die zu filtrierende Flüssigkeit unter Druck zugeführt Wird, wozu sich die Rohre in einem geschlossenen Raum befinden, aus dem die filtrierte Flüssigkeit abgeführt werden kann, wobei die Membran zu bestimmten Zeiten durch Rückspulen des Filtrats und Abführen des abgespülten Hembranmaterials aus den Rohren ersetzt wird, wozu der Druck in den Rohren weggenommen, der Druck im geschlossenen Raum erhöht und anschließend eine neue Membran angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß man durch eine plötzliche Erhöhung des Druckes im geschlossenen Raum eine begrenzte Filtratmenge derart durch die Filterfläche

zurückpreßt, daß pro m Filterfläche minimal 1 Liter Filtrat innerhalb von 1 Sekunde durch die Filterfläche zurückgepreßt wird und daß die maximale Menge des zurückgepreßten Filtrats durch die Mittel, die den plötzlichen Druckstoß verursachen, begrenzt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückspulen innerhalb von 0,5 Sekunden beendet ist.

3c Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

pro m der Filterfläche nicht mehr als 20 Liter, vorzugsweis 5 Liter bis 10 Liter, Filtrat zurückgepreßt werden.

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4. Vorrichtung aus rohrförmigen! porösem/ in einem geschlossenen Raum befindlichem naterial, wobei iüttel vorgesehen sine, die zu filtrierende Flüssigkeit unter Druck zu- und abzuführen, die filtrierte Flüssigkeit zu entfernen und diese Flüssigkeitsströme umzukehren, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Trennwand (22 resp. 29) vorhanden ist, die einerseits mit dem geschlossenen Raum (8) in Verbindung steht und andererseits mit iütteln, mit deren nilfe die Trennwand (22 resp. 29) derart bewegt werden kann, dai3 die im geschlossenen Raum (S) vorhandene Flüssigkeit einen plötzlichen Druckanstieg

ty

erfährt, wodurch innerhalb einer Sekunde je m Filteroberfläche minimal 1 Liter und maximal 20 Liter Filtrat zurückgepreßt werden,

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dai3 die bewegliche Trennwand (22) flexibel und in dem Druckgefäß (20) untergebracht ist, das mit dem geschlossenen Raum (δ) in Verbindung steht, und daß Mittel vorgesehen sind, die flexible Trennwand (22) mit Hilfe eines zuzuführenden liediums plötzlich zu bewegen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (20) an einer Seite ein Teil des geschlossenen Raums (δ) ist.

Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Trennwand (29) einen Kolbenmechanismus (28) umfaßt.

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c. vorrichtung gerneü Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ciaf- sich innerhalb eier wandung ces geschlossenen Raums (S) eine flexible Wane! befindet und daß iättei vorgesehen sind, die flexible l-anc mit hilfe eines zuzuführenden i-ieciums plötzlich zu bewegen.

9. Vorrichtung gernä.. Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Wand sich innerhalb cer ..cndung des geschlossenen riaums ^G/ über dessen gcnzen ümfanr erstreckt.

10. Vorrichtunc cemci£^: Einspruch 4, 6, 6, c und 7, dadurch gekennzeichnet, dax:· das die flexible Trennwand plötzlich in Bewegung setzende i ledium ein zuseramerigesreJtes Ggs ist.

IT. Vorrichtunc getnü.1 ^.nspruch 4, oaeureii gekennzeichnet, cc3 die iiifxel, nit deren hilfe die zurückzupressende riltrctmenge becjrenzt wird, aus einem VorratsgefüS (14) mit Filtrat, über dem sich unter ivückspülcruci? ein Gaskissen befindet, cus einem mit einem Zeitregler versehenen uosiermechcnismus und aus einer itiveausicherunc {'lij bestehen.

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