DE2701820A1 - Poroese hohlkoerper, verfahren zu ihrer herstellung und ihre verwendung - Google Patents

Poroese hohlkoerper, verfahren zu ihrer herstellung und ihre verwendung

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Description

Poröse Hohlkörper, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung
beanspruchte Priorität:
19. Januar 1976 - V.St.A. - Nr. 650 357
Die Erfindung betrifft poröse Hohlkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere betrifft sie poröse Rohre aus miteinander verbundenen, mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen, die als Trägerrohre für Membranen aus Celluloseacetat oder deren Derivaten für die umgekehrte Osmose dienen.
Der Hauptvorteil einer umgekehrten Osmose als Reinigungsverfahrenfür Salzwasser oder verschmutztes Wasser ist ein niedriger Energiebedarf im Vergleich zu anderen Verfahren. Die Arbeitsweise einer Zelle für die umgekehrte Osmose besteht darin, Salzwasser oder Schmutzwasser unter einem hohem Druck in Berührung . mit einer semipermeablen Membran zu bringen.
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Man hat bereits die verschiedensten Metalle und. Metallkombinationen zur Verwendung als r.ohrförmige Membranträger und Druck aushaltende Komponenten bei der umgekehrten Osmose verwendet. Diese Träger sind mit Legierungen aus Kupfer und Nickel plattierte, unlegierte Stähle oder rostfreie Stähle als Auflagemetalle. Diese Trägermaterialien passen sich zwar leicht den Druckerfordernissen bei diesem System an, doch sind die Ausgangsmaterialkosten sehr hoch. Derartige Trägerrohre müssen mit Löchern durchbohrt werden, damit das reine Wasser aus dem sättigungsfähigen Medium, beispielsweise einem Gewebe, das um die Membran herum gewunden ist, entfernt werden kann, wobei sich ein Sumpf zwischen dem Trägermaterial und der Membran bildet. Auch dies erhöht die Fabrikationskosten.
Es sind auch poröse Glasfasermaterialien verwendet worden, die in Versuchsanlagen für die umgekehrte Osmose erfolgreich betrieben werden können. Derartige Materialien sind jedoch - obwohl sie fest und gegen eine Korrosion widerstandsfähig sind - verhältnismäßig kostspielig und erfordern eine komplizierte Herstellungsanlage.
In der US-PS j5 598 241 ist die Verwendung von verbundenen, mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen als poröser, rohrförmiger, eine Membran tragender Körper beschrieben. Der phenolische Trägerkörper nach dieser Patentschrift besitzt jedoch die Neigung, gelegentlich während des Härtens Spannungsrisse zu erzeugen, und erfordert ein Metallrohr, das den Sandguß umgibt, als zusätzliches Trägermaterial während der Bedienung.
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Diese Spannungs- und Trägernachteile werden durch die Lehre der US-PS 3 796 314 vermieden, indem ein organisches Silan q.ls Kunst- stoffbestandteil verwendet wird, um verbesserte Zug- und Druckfestigkeitseigenschaften zu erzeugen. Die Silane und Lösungsmittel enthaltenden Epoxyharze nach dieser Patentschrift liefern bei den Gießlingen Trockendruckfestigkeitswerte zwischen etwa 168 und 242,2 kg/cm gegenüber Trockendruckfestigkeitswerten von etwa 84 bis 98 kg/cm und Naßberstfestigkeitswerten von 28 bis 56 kg/cm bei Gießlingen mit Phenolharzen ohne Silane nach der US-PS 3 598 241. Jedoch besitzen die Harzformulierungen nach der US-PS 3 796 3l4 keine sehr lange Lager- bzw. Gebrauchsfähigkeit. Darüber hinaus liefert die Verwendung von Lösungsmitteln in ge wisser Weise Nachteile durch Lösungsmitteleinschluß, Leerstellen und Risse.
Aufgabe vorliegender Erfindung war es daher, geeignetere Kunst- stoffrezepturen zur Verfügung zu ätellen, die höhere Werte bezüglich einer Trockendruckfestigkeit und einer Naßberstfestigkeit bei Gießlingen zeigen, die mit einer Membran für die umgekehrte Osmose ausgerüstet sind. Die Erfindung löst diese Aufgabe.
Es wurde gefunden, daß die vorgenannten Nachteile von Kunststoffformulierungen durch die Verwendung von niedrigviskosen, 100 % Festsubstanz enthaltenden, lösungsmittelfreien, latent katalysierten Kunststoffmischungen gelöst werden können, die eine verbesserte Lager- bzw. Gebrauchsfähigkeit, eine verbesserte Trokkendruckfestigkeit und eine verbesserte Naßberstfestigkeit besitzen.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist demzufolge ein poröser, steifer, stark verfestigter Hohlkörper mit einer semipenneablen Membran für eine umgekehrte Osmose, wobei die Wand des Hohlkörpers aus verbundenen, mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen besteht, der Kunststoff durch Härten eines Produkts aus
(i) einem Teil eines flüssigen Epoxyharzes, (ii) etwa 0,75 bis etwa 1,55 Teilen eines flüssigen organischen Säureanhydrid-Härtungsmittels,
(lii) etwa 0,25 bis etwa 0,95 Teilen eines flüssigen reaktionsfähigen Diepoxid-Verdünnungsmittels und ·
(iv) von quartären Ammonium-, Phosphonium- oder Arsoniumsalzen als Katalysator in einer zur Erzeugung einer latenten katalytischen Aktivität wirksamen Menge
hergestellt worden ist und etwa 1 bis 18 # des Gewichts des mit dem Kunststoff überzogenen Füllstoffes ausmacht, der Füllstoff in Form granulierter Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 40 bis etwa 500 um vorliegt und wobei auf der Innenwand des Hohlkörpers eine Membran für die umgekehrte Osmose angebracht ist.
Ein weiterer Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung poröser, steifer Hohlkörper mit einer darin angeordneten semipermeablen Membran für eine umgekehrte Osmose, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
(a) eine 100 % Festsubstanz enthaltende, lösungsmittelfreie, latent katalysierte Kunststoffmischung mit einer Viskosität unter etwa 100 cP bei 25°C bildet, die in der Hauptsache besteht aus
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(i) einem Teil eines flüssigen Epoxyharzes, (ii) etwa 0,75 bis etwa 1,55 Teilen eines flüssigen
organischen Säureanhydrid-Härtungsmittels, (iii) etwa 0,25 bis etwa 0,95 Teilen eines flüssigen
reaktionsfähigen Diepoxid-Verdünnungsmittels und (iv) von quartären Ammonium-, Phosphonium- oder Arsoniumsalzen als Katalysator in einer zur Erzeugung einer latenten katalytischen Aktivität wirksamen Menge,
(b) die Kunststoffmischung mit Füllstoffteilchen in Granulatform in einer solchen Menge vermischt, daß die Füllstoffteilchen mit dem Kunststoff überzogen werden, wobei der Kunststoff etwa 1 bis 18 # des Gewichts des mit dem Kunststoff überzogenen Füllstoffes ausmacht,
(c) den mit Kunststoff überzogenen Füllstoff in eine solche Form gießt« daß im Innern des Gießlings eine axiale Bohrung entsteht,
(d) die Form mit dem mit Kunststoff überzogenen Füllstoff erhitzt, dabei den Kunststoff härtet und die mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen miteinander verbindet,
(β) die Form kühlt und den Gießling herausnimmt, der einen porösen, stark verfestigten Hohlkörper von verbundenen, mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen mit mindestens einer axialen Bohrung und mit einer Naßberstfestigkeit von mindestens 17*5 kg/cm besitzt, und
(f) eine semipermeable Membran für die umgekehrte Osmose in das Innere der axialen Bohrung des Hohlkörpers gießt.
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Zum besseren Verständnis vorliegender Erfindung wird auf die bevorzugten Ausfuhrungsformen bezug genommen, die als Beispiele in der Zeichnung dargestellt sind.
Fig. 1 veranschaulicht die Grundzüge einer Prischwasserextraktion aus Meerwasser oder Schmutzwasser mittels eines Flüssigkeitsbehandlungssystems, das eine für eine umgekehrte Osmose geeignete Membran, Einspeisungsmittel und Auslaßmittel für die Flüssigkeit enthält.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Querschnitt einer Ausführungsform eines rohrförmigen Hohlkörpers nach vorliegenj der Erfindung für die umgekehrte Osmose, wobei die Membran auf der inneren Oberfläche der Rohrwandung aufgebracht ist.
Eine Osmose tritt auf, wenn zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen in dem gleichen Lösungsmittel voneinander mittels einer Membran getrennt werden. Wenn die Membran im idealen Sinne semipermeabel ist, d.h. wenn sie nur gegen das Lösungsmittel und nicht gegen die gelösten Substanzen halbdurchlässig ist, dann tritt ein Fluß des Lösungsmittels von der verdünnteren zur konzentrier teren Lösung hin auf. Dieser Lösungsmittelfluß hält an, bis beide Lösungen gleiche Konzentration aufweisen oder bis der Druck in der Kammer der konzentrierteren Lösung bis zu einem bestimmten wohldefinierten Wert angestiegen ist. Die Druckdifferenz, bei der kein Fließen auftritt, wird als osmotische Druckdifferenz zwischen den beiden Lösungen bezeichnet. Wenn ein Druck über diese osmotische Druckdifferenz auf die konzentriertere Lösung angewendet wird, dann kann das Lösungsmittel veranlaßt werden, in die verdünntere Lösung zu fließen. Dieser Vorgang wird als
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"umgekehrte Osmose", "Druckosmose" oder als "Hyperfiltration" bezeichnet. .
Die Pig. 1 veranschaulicht ein typisches Flüssigkeitsbehandlungssystem mit Rohren für eine umgekehrte Osmose. Dabei wird Meerwasser oder Schmutzwasser durch Rohrgruppen (1) gepumpt, u;n mit einer semipermeablen Membran in Berührung zu gelangen. Die Pumpe
(2) muß einen Druck von mindestens 0,7 kg/cm ausüben und kann
bis zu Drücken von 70 bis 105 kg/cm betrieben werden. Im allgemeinen müssen die Rohre Berstfestigkeitswerte von mindestens 52,5 kg/cm aufweisen. Die Rohre können in Gruppen von jeweils etwa 150 angeordnet sein. Sie dienen zum Tragen der Membran für die umgekehrte Osmose, die an der inneren Rohrwandung angeordnet ist. Die Membran ist gewöhnlich aus einem Xther oder einem Ester von Cellulosederivaten hergestellt worden. Im allgemeinen wird modifiziertes Celluloseacetat eingesetzt, dessen Herstellung und Einzelheiten bezüglich chemischer und physikalischer Eigenschaften in den US-Patentschriften 3 170 867, 3 310 488, 3 344 214, 3 446 559 und 3 593 855 beschrieben sind.
Beispiele anderer geeigneter Membranen sind Salze von Polyamiden und Vorprodukten von Pyrron-Polymerisaten, d.h. aromatische, heterocyclische Polymerisate von einem cyclischen Dianhydrid und einem aromatischen o-Tetramin oder dessen Derivate, wie sie in den US-Patentschriften 3 835 207 und 3 817 386 beschrieben sind. Derartige Membranen können durch Tropfguß oder Druckguß hergestellt sein, wie dies aus den US-Patentschriften 3 657 402 und 3 658 955 hervorgeht. Bei einem Gießverfahren für eine modifizierte Celluloseacetatlosung wird der Hohlkörper in einer festen
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senkrechten Lage angeordnet und die viskose Gießlösung für die Membran in jede der Innenbohrungen eingebracht. Dann wird ein Senkkörper mit rundem Querschnitt aufgrund seiner Schwerkraft in die Bohrung gesenkt, wodurch sich ein kontinuierlicher Film der Gießlösung für die Membran auf der Innenseite jeder Bohrung ausbildet. Der Film wird dann der Luft ausgesetzt und schließlich mit einer auslaugenden Flüssigkeit, im allgemeinen mit kaltem Wasser, behandelt., um auf der Innenseite jeder Bohrung des Hohlkörpers eine Membran für die umgekehrte Osmose zu bilden.
' Die Rohrwandungen, die die Membranen für die umgekehrte Osmose tragen, müssen in hohem Maße verfestigt sein, d.h. sie müssen einen ausreichenden Berstwiderstand und eine ausreichende Druckfestigkeit besitzen, die sie gegen Drücke von gewöhnlich 35 bis 52,5 kg/cm widerstandsfähig machen, die mittels einer Pumpe auf sie ausgeübt werden, die als Mittel zur Einspeisung der Flüssigkeit verwendet wird. Der rohrförmige Körper muß auch in der Lage sein, den Austritt des reinen behandelten Wassers (3) in eine 'Auffangvorrichtung (2I-) zu gestatten. Für Meerwasser können mehrere Durchgänge durch das System erforderlich sein, bevor das Wasser brauchbar ist.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform vorliegender Erfindung, in der der steife Hohlkörper (10) eine axiale Innenbohrung (11) für das eingespeiste Wasser aufweist. Da das Rohr mittels des Gießverfahrens hergestellt worden ist, ist keine Begrenzung des Rohrs hinsichtlich seiner Länge gezeigt. Die Rohrwandung (12) mit einer Dicke (13) besteht aus verbundenem Füllstoff (14), der mit einem organischen Kunststoffilm (I5) überzogen ist, welcher die
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Füllstoffteilchen miteinander verbindet.
Das lösungsmittelfreie, 100 % Festsubstanz enthaltende Gemisch aus dem Epoxyharz, dem Anhydrid-Härtungsmittel, dem reaktionsfähigen Verdünnungsmittel und einer wirksamen Menge an latentem Katalysator wird auf die Füllstoffteilchen derart aufgebracht, daß ein dünner, ungehärteter Film auf jedem Füllstoffteilchen hinterlassen wird. Vorzugsweise wird ein in hohem Maße benetz bares Gemisch niedriger Viskosität verwendet. Der erhaltene, mit dem Kunststoff beschichtete Füllstoff ist verhältnismäßig frei fließend und wird in eine Form der erwünschten Gestalt gegossen oder geblasen. Die Form hat eine Ausbildung oder Gestaltung, um wirksam einen Gießling mit mindestens einer axialen Bohrung zu erzeugen. Im allgemeinen werden bei den Formen ein oder mehrere entfernbare Dorne verwendet. Die Form wird dann zur Härtung des Harzes erhitzt. Im Anschluß daran wird die Form gekühlt und der Gießling entnommen.
Das Härtungsverfahren überführt das Gemisch aus Füllstoff und lösungsmittelfreiem Kunststoffgemisch in einen stark verfestigten, steifen, porösen Hohlkörper aus verbundenen, mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen. Die Verwendung von lösungsmittelfreien Kunststoffen schaltet die Nachteile eines Lösungsmitteleinschlusses aus. Das Rohr (10) enthält Hohlräume oder Poren (16) zwischen den mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen, wo durch ein Austreten des reinen Wassers stattfinden kann, das durch die auf der Innenwandung des Hohlkörpers angebrachte semipermeable Membran (17) für die umgekehrte Osmose getreten ist. Der Bereich und die Anzahl der Hohlräume variiert umgekehrt mit
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der Menge des Kunststoffes, der auf die Füllstoffteilchen aufgebracht ist.
Beim Härten verbindet ein dünner Kunststoffilm jedes Füllstoffteilchen mit den benachbarten Teilchen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Menge des verwendeten Harzes, die Größe der Füllstoffteilchen und die Wanddicke eingestellt werden können, um einen beträchtlichen Bereich hinsichtlich der Festigkeit und Porosität des erhaltenen Hohlkörpers zu liefern. Für einen gegebenen Hohlkörper aus Füllstoff und Kunststoff steigt die Festigkeit mit ansteigendem Kunststoffgehalt, während die Porosität absinkt.
Epoxyharze werden als wichtigste Bindemittel bevorzugt, da sie die besten Gesamtfestigkeitseigenschaften ergeben. Eine Art von erfindungsgemäß verwendbaren Epoxyharzen sind Glycidylpolyäther zweiwertiger Phenole, die durch Umsetzen von 1 oder 2 oder mehr Mol Epichlorhydrin mit l.Mol zweiwertigem Phenol in einem alkalischen Medium bei etwa 5O0C erhältlich sind. Das Erwärmen wird mehrere Stunden fortgesetzt, um die Umsetzung zu bewirken. Danach wird das Produkt salzfrei und basenfrei gewaschen. Das Endprodukt stellt in der Regel keine einheitliche Verbindung dar, sondern ist gewöhnlich ein komplexes Gemisch von Glycidylpolyäthern, doch kann das Hauptprodukt durch die nachstehenden Formel veranschau licht werden:
A A
g-CH-CH2-O(R-O-CH^-CHOH-CH^-O)—R—O-CHg—CH CH,
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in der η eine Zahl der Reihe O, 1, 2, 3···· ist und R den zweiwertigen Kohlenwasserstoffrest des zweiwertigen Phenole bedeutet, Typischerweise steht R für den Rest
Diese Glycidylpolyather werden gewöhnlich als Bisphenol-A-Epoxyharze bezeichnet. Bisphenol-A (ρ,ρ-Dihydroxy-diphenyl-dimethylmethan) ist ein bei derartigen Epoxiden verwendbares zweiwertiges Phenol. Die erfindungsgemäß verwendeten Glycidylpolyather eines zweiwertigen Phenols besitzen ein 1,2-Epoxyäquivalent zwischen 1,0 und 2,0. Mittels des Epoxyäquivalents wird bezug genommen auf die durchschnittliche Anzahl von 1,2-Epoxygruppen
die im Durchschnitt im Molekül des Glycidyläthers enthalten ist.
Typische Epoxyharze des Bisphenols-A sind in einfacher Weise in wirtschaftlichen Mengen verfügbar, wobei auf das "Handbook of Epoxy Resins" von Lee und Neville bezüglich einer vollständigen Beschreibung ihrer Synthese oder auf die US-Patentschriften 2 324 483, 2 444 333, 2 500 600, 2 511 913, 2 558 949, 2 582 985, 2 615 007 und 2 663 458 hingewiesen wird.
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Die Glycidyläther-Epoxyharze können auch durch Bezugnahme auf ihr Epoxyäqulvalentgewicht charakterisiert werden, das das mittlere Molekulargewicht des jeweiligen Harzes geteilt durch die gemittelte Anzahl der Epoxyreste je Molekül darstellt. Bei vorliegender Erfindung werden die geeigneten BisphenolTA-Epoxyharztypen durch ein Epoxyäquivalentgewicht von etwa 15O bis etwa 25OO mit einem bevorzugten Bereich von etwa 160 bis etwa 1200 charakterisiert.
Es können auch Nichtglycidyläther-Epoxyharze, wie die cycloaliphatischen oder acyclischen aliphatischen Epoxyharztypen als hauptsächliche Epoxyharze anstelle oder in Kombination mit Bisphenol-A-Epoxyharztypen bei vorliegender Erfindung verwendet werden. Diese Nichtglycidyläther-Epoxyharze werden gewöhnlich durch Epoxidieren ungesättigter aliphatischer oder ungesättigter aromatischer Kohlenwasserstoffverbindungen, wie Olefinen oder Cycloolefinen, unter Verwendung von Wasserstoffperoxid oder Persäuren, wie Peressigsäure oder Perbenzoesäure, hergestellt:
RCOOOH + \a=sC /—^\~G/+ RCOOH
(organische Persäure) (Olefin) (Epoxyver- (organische Perbindung) säure)
Die organischen Persäuren werden gewöhnlich durch Umsetzen von Wasserstoffperoxid entweder mit Carbonsäuren oder mit Säurechloriden oder mit Ketonen hergestellt, wodurch sich Verbindungen R-COOOH bilden.
Derartige Nichtglycidyläther-Epoxyharze sind durch die Abwesen-
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heit von Äthersauerstoffatomen nahe der Epoxygruppe charakterisiert und stellen eine Auswahl von solchen Verbindungen dar, die eine Kohlenstoff-Ringstruktur sowie eine Epoxygruppe im Molekül enthalten, wie die cycloaliphatischen Epoxyharze. Fernerkann es sich um im wesentlichen lineare Kohlenstoffketten handeln, an denen Epoxygruppen stehen, wie die acyclischen aliphatischen Epoxyharze.
Beispiele von cycloaliphatischen Epoxyharzen sind der 3>4--Epoxycyclohexylmethylester der ^j^-Epoxy-cyclohexancarbonsäure, Vinylcyclohexan-dioxid, der Ji^-Epoxy-o-methyl-eyclohexyl-methylester der ^i^-Epoxy-ö-methylcyclohexan-carbonsäure sowie Dicyclopentadien-dioxid. Die cycloaliphatischen Epoxyharze werden gewöhnlich durch Peroxidation von cyclischen Olefinen erzeugt. Ein Unterscheidungsmerkmal zahlreicher nichtglycidylätherartiger cycloaliphatischer Epoxyharze ist eher die Lage der Epoxygruppe bzw. Epoxygruppen am Ring als an der aliphatischen Seitenkette.
Beispiele acyclischer aliphatischer Epoxyharze sind epoxidierte Dienpolymerisate, epoxidierte Polyester und epoxidierte natürliche Fettsäuren.
Diese nichtglycidylatherartigen cycloaliphatischen und acyclischen aliphatischen Epoxyharze können unter Hinweis auf ihr Epoxyäquivalentgewicht charakterisiert werden, das als Gewicht des Epoxids in Gramm definiert ist, das 1 Grammäquivalent des Epoxids enthält. In vorliegender Erfindung sind diese Epoxyharze durch ihr Epoxyäquivalentgewicht von etwa 75 bis 250 für die cycloaliphatischen Arten und von etwa 250 bis 600 für die acycli-
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sehen aliphatischen Arten charakterisiert.
Beispiele anderer brauchbarer Epoxyharze sind solche mit einem Hydantoin-Ring, bei denen der Ring Stickstoffatome aufweist. Diese heterocyclischen Glycidylamin-Epoxyharze werden im allgemeinen durch Umsetzen eines 5gliedrigen Hydantoin-Rings mit einem Epichlorhydrin unter Bildung einer Verbindung der nachstehenden Strukturformel hergestellt:
O ι 1^ O
2-—CH-CH2-N N-CH2-CH —
Der Hydantoin-Ring ' J kann in einfacher Weise
NH NH
aus Ketonen, Cyanwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid und Wasser hergestellt werden. Diese Hydantoin-Ring-Epoxyharze sind durch ein Epoxyäquivalentgewicht von etwa 110 bis l8o charakterisiert,
Beispiele anderer erfindungsgemäß brauchbarer Arten von wichtigen Epoxyharzen sind solche, die sich von Säuregruppen bei einer
Epichlorhydrin-Reaktion ableiten. Es handelt sich hierbei um Glycidylester. Im allgemeinen bilden sie sich bei der Umsetzung von Epichlorhydrin mit einer Mono- oder Polycarbonsäure oder deren Natrium- oder Kaliumsalze. Eine andere Verfahrensweise besteht darin, ein Glycidol mit Säurechloriden umzusetzen. Am gebräuchlichsten wird die Carboxylgruppe unmittelbar in Gegenwart eines anderen Katalysators als Natriumhydroxid umgesetzt begleitet von einer Dehydrohalogenierung nach Beendigung der
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Anfangsreaktion. Diese Glycidylesterharze sind bekannt, und es wird auf das "Handbook of Epoxy Resins", S. 2 bis l8, hingewiesen, wo ihre Synthese und vollständige Beschreibung zu finden sind.
Die als Harzbestandteil bei vorliegender Erfindung verwendeten besonderen Glycidylester sind nicht-glycidylätherartige Epoxyharze, die mehr als eine 1,2-Epoxygruppe je Molekül enthalten. Sie lassen sich durch Substitution der Esterbindung
-C-O-C-0
anstelle der Ätherbindung - 0 - charakterisieren und besitzen die chemische Strukturformel
/0N
CH — CH,
•0 — C
Il
R4—C—0—CH,
CH CH.
in der R ein organischer Rest aus der Gruppe R1, R'-O-R1, R1-COO-R1 oder deren Gemische darstellt, wobei R1 ein Alkylen- rest mit 1 bis etwa 8 Kohlenstoffatomen, ein gesättigter Cycloalkylenrest mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen im Ring oder deren Gemische ist, und in der η den Wert 1 bis 8 aufweist. Diese Epoxyesterharze sind durch ein Epoxyäquivalentgewicht von etwa I50 bis 350 charakterisiert. Alle die vorstehend beschriebenen brauchbaren primären" Epoxyharze müssen in flüssiger Form vorliegen, um eine in hohem Maße benetzbare Harzformulierung niedriger Viskosität zu schaffen, wobei jede Art für sich allein oder
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auch in Kombination mit anderen Arten verwendet werden kann.
Flüssige organische Säureanhydride, die als Epoxyharz-Härtungsmittel bei der Durchführung vorliegender Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise 1-Methyl-hexahydrophthalsäureanhydrid, 1-Methy 1-tetrahydrophthalsaureaniiydrid, 3,6-endo-Methylen- /\ -tetrahydrophthalsäureanhydrid oder dessen methylsubstituiertes Derivat, sowie andere flüssige Anhydride. Gemische von Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Pyromellitsäure-dianhydrid, Polyazelainsäure-polyanhydrid, Reaktionsprodukte von Trimellitsäureanhydrid und einem Glyicol, sowie Benzophenon-tetracarbonsäuredianhydrid, die Peststoffe darstellen, mit einem der vorgenannten flüssigen Anhydride können ebenfalls eingesetzt werden, um flüssige Gemische von Anhydriden zu schaffen. Die Anhydride können einzeln oder im Gemisch verwendet werden, doch müssen sie eine Flüssigkeit liefern.
Der Gesamtanhydridgehalt des Epoxy-Anhydrid-Gemisches muß innerhalb eines Bereiches von etwa 0,5 bis etwa 1,5 Anhydridäquivalente für jedes Epoxyäquivalent liegen, das in dem primären Epoxyharz und in dem reaktionsfähigen Diepoxid-Verdünnungsmittel vorliegt. Das Anhydrid ist wesentlich, um eine polare Harzformulierung zur Verfügung zu stellen, die die Füllstoffteilchen ohne weiteres benetzt, die bei dem Hohlkörper für die umgekehrte Osmose verwendet werden. Das Anhydrid nimmt auch an der ausgezeichneten Zugfestigkeit beim Hohlkörper teil, wenn es mit dem Epoxyharz umgesetzt worden ist.
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Neopentyl-diglycidyl-äther, der ein bevorzugtes flüssiges reaktionsfähiges Diepoxid-Verdünnungsmittel darstellt, wird in einem zweistufigen Verfahren hergestellt. In der Anfangsstufe reagiert Neopentylglykol (2,2-Dimethyl-l,3-propandiol) mit Epichlorhydrin in Gegenwart einer Lewis-Säure, wie Bortrifluorid, wodurch sich ein Chlorhydrin-Zwischenprodukt bildet. Dieses Zwischenprodukt wird dann mitteis Natriumhydroxid oder Natriumalurninat dehydrohalogeniert:
CH, 0
3 /\ BF3
/\ BF
HO-CH0 C — CH0 OH + 2 Cl-CH0-CH—CH0
c. ι · c. c. c.
CH3
(Neopentylglykol) (Epichlorhydrin)
OH CHq OH
' ί I 2NaOH
Λ, Λ, ' ί I
Cl-CH2-CH—CH^-O-CHg—C—CH^—O—CH2-CH-CH^-Cl
CH3
(Chlorhydrin-Zwischenprodukt)
0 CH3 0
^ CH-.CHJ-0-CH2-C-CHg-O-CH2T-CH-CH2 + 2NaCl + 2K
CH3
(Neopentyl-diglycidyl-äther)
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Diese Verbindung erzeugt ein' Epoxyharzprodukt von außerordentlich niedriger Viskosität. Das reaktionsfähige Diepoxid-Verdünnungsmittel unterstützt in wünschenswerter Weise die leichte Benetzbarkeit der Füllstoffteilchen, die bei dem Hohlkörper für die umgekehrte Osmose verwendet werden mit den Kunststofformulierungen. Dieses aliphatische Diepoxid ist ein ausgezeichnetes reaktionsfähiges Verdünnungsmittel, das nicht gesundheitsschädlich ist. Andere flüssige Diepoxide mit einer Viskosität zwischen etwa 2 bis etwa 50 cP bei 270C und mit einem Epoxyäquivalentgewicht zwischen etwa 100 und 250 können ebenfalls verwendet werden, wobei sie mit dem primären Epoxyharz reagieren und dieses verdünnen können. Beispiele anderer brauchbarer flüssiger reaktionsfähiger Diepoxid-Verdünnungsmittel sind der Diglycidyläther des 1,4-Butandiols und der Diglycidyläther des Äthylenglykols.
Die letzte wesentliche Verbindung der Harzrezeptur nach vorliegender Erfindung ist ein quartäres Ammonium-, Phosphonium- oder Arsoniumsalz als latenter Katalysator. Das quartäre Oniumsalz ist eine Verbindung der allgemeinen Formel
τ. -
Rp"~— M —— Rh X
R3
in der R1, R2, R, und R^ Aryl- oder Alkylreste mit 1 bis 21 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Alkylreste mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen sind und M Stickstoff, Phosphor oder dreiwertiges Arsen bedeutet. Der Rest X, der an Stickstoff, Phosphor oder dreiwertiges Arsen gebunden ist, ist ein Propionat-, Acetat-,
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Butyrat-, Isobutyrat-, Dimethylphosphat- oder Halogenidrest. Phosphoniumsalze sind bevorzugt.
Beispiele besonders geeigneter quartärer Oniumsalze, die allein oder in Mischungen verwendet werden können, sind Benzyl-trimethyl-ammoniumchlorid, Benzyl-triäthyl-ammoniumjodid, Tetrabutylphosphoniumacetat, Tetramethyl-phosphoniumchlorld, Methyl-trioc·- tyl-phosphonium-dimethylphosphat, Methyl-tributy1-phosphoniumdlmethylphosphat, Methyl-triphenyl-phosphonium-dimethylphosphat, Tetramethyl-phosphoniumpropionat, Tetrabutyl-arsoniumchlorid, Triphenyl^arsoniumjodid und Tetraphenyl-arsoniumchlorid.
Diese Oniumsalze sind in der Lage, die Härtungsgeschwindigkeiten bei erhöhten Temperaturen, d.h. über etwa 1000C, zu beschleunigen, während sie keine oder praktisch keine Härtung bei Raumtemperatur zeigen, so daß sie den Harzrezepturen vorliegender Erfindung gute Lagereigenschaften verleihen. Sie werden in wirksamen Mengen zugegeben, um eine latente Katalysatoraktivität zu entfalten. Die Oniumsalze sind für ihre latente katalytische Aktivität bekannt, und es wird hinsichtlich Einzelheiten ihrer Herstellung auf die US-Patentschriften 5 5^7 885 und 3 792 011 verwiesen.
Um Harzrezepturen mit den vorteilhaften Eigenschaften einer hohen Polarität, einer guten Benetzbarkelt der Füllstoffteilchen, einer niedrigen Viskosität, einer langen Gebrauchs- bzw. Lagerfähigkeit und hervorragender Trockendruckfestigkeit sowie Naßberstfestigkeit nach dem Härten zu gewährleisten, müssen die vorstehend beschriebenen Bestandteile innerhalb kritischer Ge-
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Wichtsverhältnisse miteinander vermischt werden. Diese Verhältnisse sind derart, daß auf 1 Teil flüssiges primäres Epoxyharz etwa 0,75 bis 1,55 Teile flüssiges organisches Säureanhydrid-Härtungsmittel, etwa 0,25 bis 0,95 Teile flüssiges reaktionsfähiges Diepoxid-Verdünnungsmittel und eine wirksame Menge, gewöhnlich etwa 0,0001 bis 0,0025 Teile quartäres Oniumsalz, vorzugsweise quartäres Phosphoniumsalz, als latenter Katalysator kommen.
Diese Harzrezeptur ist lösungsmittelfrei, enthält 100 % Festsubstanz und muß eine Viskosität unter etwa 100 cP bei 25°C aufweisen. Diese Harzrezeptur hat eine brauchbare Lager- bzw. Gebrauchsfähigkeit, d.h. behält eine Viskosität unter etwa 1000 cP bei 25°C für mindestens 60 Tage bei, bevor sie zu viskos wird, um ein befriedigendes Vernetzen zu bewirken, d.h. ein halbfestes Gel bildet. Die letztgenannte Eigenschaft würde besonders bedeutsam bei der gewerblichen Herstellung von Hohlkörpern mit Membranen für eine umgekehrte Osmose sein. Eine derartige Harzrezeptur erfordert keine Mitverwendung eines organischen Silans, um gute Pestigkeitseigenschaften zu liefern. Man kann jedoch einen äußeren rohrförmigen Träger aus perforiertem Metall oder aus mit Kunststoff beschichtetem Gewebe verwenden, um einen ausserordentlich hohen Festigkeitsmodul zu schaffen.
Der gemäß vorliegender Erfindung verwendete feinteilige Füllstoff kann kugelförmig, oval, würfelförmig oder von einer beliebigen anderen unregelmäßigen Form sein. Einige Beispiele geeigneter anorganischer Füllstoffteilchen sind Sand, Zirkon, Quarz, Beryll, Talkum, Glas, Kalkstein, Calciumsilikat, Aluminiumoxid .
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und andere Füllstoffe mit Granulatstruktur. Leichtgewichtige Füllstoffe, wie kugelförmige hohle Glasperlchen, Vermuculit, expandierter Perlit oder gemahlener Bimsstein können ebenfalls eingesetzt werden. Die bevorzugte Teilchengröße liegt im Bereich zwischen 50 und 250 um, obwohl die äußeren Grenzen zwischen etwa 40 und 500 um liegen. Bei Teilchengrößen unter 4o um mangelt es den Trägerrohren aus Harz und Füllstoff an der erforderlichen Porosität für einen geringen Widerstand gegenüber dem Wasserdurchtritt, und bei Teilchengrößen oberhalb 5OO μιη bildet das Rohr keinen geeigneten Träger für die Membran.
Die Menge in Gewichtsprozent an der Kunststoffmischung, d.h. an primärem Epoxyharz, Diepoxid-Verdünnungsmittel, Anhydrid-Härtemittel und latentem Katalysator, die erfindungsgemäß eingesetzt werden kann, variiert von etwa 1 bis l8 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen. Wenn Sand als Füllstoff verwendet wird, variiert der Bereich von etwa 2 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Harz-Sand-Gießgemisch. Auf Volumenbasis bezogen, würde der Bereich bei etwa 4 bis 32 % Harz für die genannten Füllstoffe liegen. Oberhalb dieser Bereiche neigt das Harz zum Verstopfen der Poren zwischen den Füllstoffteilchen in dem Rohr, wodurch ein schlechter Durchfluß des reinen Wassers verursacht wird. Unterhalb dieses Bereiches ist das Trägerrohr nicht stark genug, um die bei diesem Wasserreinigungsverfahren erforderlichen Drücke auszuhalten.
Bei der Harzrezeptur können auch andere Substanzen mitverwendet werden, einschließlich wirksamer Mengen von Wachsen, wie Montanwachs, Bisamidwachs,oder Trennmittel, wie Caleiumstearat, um eine
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glatte Oberfläche beim Endprodukt zu erreichen und eine gute . Entnahme des Sandgießlings aus der Herstellungsform zu ex-möglichen.
Das Beispiel erläutert die Erfindung.
Beispiel
Zu etwa 2550 g trockenem weißen Sand mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 3OO um werden 205,5 g einer 100 % Festsubstanz enthaltenden, lösungsmittelfreien Epoxyharz-Rezeptur mit einer Viskos ität von 70 cP bei 250C und mit einer Lagerbzw. Gebrauchsfähigkeit von etwa 6O Tagen bei 250C gegeben. Die Epoxyharz-Rezeptur enthält 50 g reinen flüssigen Diglycidyläther des Bisphenols-A mit einer Viskosität zwischen 4000und 5500 cP bei 25°C und mit einem Epoxyäquivalentgewicht von I72 bis I76, ferner 105 g 1-Methyl-tetrahydrophthalsäure als flüssiges organisches Anhydrid-Härtungsmittel, 50 g flüssigen Neopentyl-diglycidyläther mit einer Viskosität von etwa k cP bei 27°C und mit einem Epoxyäquivalentgewicht von etwa 150, und schließlich 0,5 g flüssiges Methyl-tributyl-phosphonium-dimethylphosphat als latenten Katalysator. Dies ergibt etwa 7,^ Gewichtsprozent Harz, bezogen auf das Gesamtgewicht von Harz plus Füllstoff.
Der Sandfüllstoff und die vorstehend beschriebene Epoxyharz-Rezeptur werden in einem Hobart-Mischer etwa 5 Minuten lang vermischt, bis das Harz-Sand-Gießgemisch freifließend ist. Das Gemisch wird dann in ein zylindrisches Rohr von 50,5 cm Länge und 3,8 cm Innendurchmesser gegossen. Das zylindrische Rohr ist zuvor
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mit Calciumstearat als Formtrennmittel besprüht worden. Dann wird ein mit Polytetrafluoräthylen beschichteter Dorn von 12,7 nim Durchmesser innerhalb des Rohres zentriert angeordnet. Das gefüllte Rohr wird dann unter Normaldruck etwa 8 Stunden auf l60°C erhitzt, um das Kunststoffgemisch auszuhärten. Dann wird das Rohr abgestreift und der Dorn entfernt, so daß man einen porösen steifen, in hohem Grade verfestigten Gießkörper von mit Epoxyharz überzogenen Sandteilchen mit einer axialen Bohrung erhält. Dieser Körper weist etwa 7,4 Gewichtsprozent Harz auf. Von dieser Rezeptur wird eine Vielzahl von festen Zylindern unter Anwendung des gleichen Härteschemas für Trockendruckprüfzwecke gegossen.
Rohrförmige poröse Membranen für die umgekehrte Osmose, die aus einer Gießlösung mit einem Gehalt von etwa 23 Gewichtsprozent Celluloseacetat, 47 Gewichtsprozent Aceton als Lösungsmittel und 30 Gewichtsprozent Formamid als Porenbildungsmittel hergestellt worden sind, werden durch Tropfguß in die axiale Wasserdurchlaßbohrung des vorstehend beschriebenen Körpers erzeugt. Während dieses Membrangießbetriebes wird der Körper in eine stationäre senkrechte Lage gebracht. Die Gießlösung wird in die Bohrung des Körpers eingegossen. Dann wird ein Senkkörper mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem Außendurchmesser zwischen etwa 0,5 und 3,1 mm weniger als dem Innendurchmesser der Hohlkörperbohrung an seiner breitesten Stelle durch die Bohrung abgesenkt, um einen kontinuierlichen Film der Gießlösung auf der Innenseite jeder Bohrung zu bilden. Dann läßt man den Film etwa 30 Sekunden an der Luft trocknen. Anschließend wird der gesamte Körper etwa 30 Minuten in ein Auslaugbad getaucht, das Eiswasser
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von etwa 1,5 C enthält. Dadurch wird Aceton und Formamid aus dem Gießfilm ausgelaugt und eine poröse Membran für die umgekehrte Osmose gebildet, die eine dünne aktive osmotische Haut auf der Außenseite der Membranstruktur auf der Innenwand des Hohlkörpers enthält.
Die Naßberstfestigkeit und die Trockendruckfestigkeit werden an den gehärteten Körpern geprüft. Bei der Berstfestigkeitsprüfung wird Leitungswasser verwendet. An jedem Ende des Hohlkörpers werden Apparaturen befestigt, so daß ein hoher Wasserdruck durch die Mittelbohrung des Hohlkörpers ausgeübt werden kann. Der Wasserdruck auf den Prüfkörper wird allmählich gesteigert, bis er bricht. Ein Bruch zeigt sich stets in Form eines Längsrisses, der sich 1/6 bis 1/3 der Prüfabschnittslänge zentral fortpflanzt. Die durchschnittliche Naßberstfestigkeit beträgt 84 kg/cm . Dieser Wert liegt sehr gut innerhalb der üblichen Betriebsvier te
von 35 bis 52,5 kg/cm bei Flüssigkeitsreinigungssystemen mit umgekehrter Osmose.
Während der Naßberstfestigkeitsprüfung dringt gereinigtes Wasser durch die semipermeable Membran aus Celluloseacetat und die Wandung des Epoxyharzkörpers. Somit ist der Hohlkörper sowohl porös als auch fest und sehr gut geeignet zur Anwendung für eine umgekehrte Osmose.
Es werden zylindrische Prüfmuster aus der Harz-Sand-Gießmischung von etwa 5 cm Höhe und 5 am Durchmesser gegossen, gehärtet, bearbeitet, so daß sich zwei parallele Flächen ergeben, und bei einer Dehnungsgeschwindigkeit von 1,2 mm/min auf Druck geprüft.
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Die" Spitzenbelastung wird als Trockendruckfestigkeit angesehen.
Die durchschnittliche Druckfestigkeit beträgt etwa 355 kg/cm .
Unter Anwendung der gleichen Menge der Kunststoffmischung wird die Menge an Sandfüllstoff verändert, und es werden die gleichen Prüfungen wie vorstehend beschrieben durchgeführt. Bei einem Kunststoffgehalt von 4,7 Gewichtsprozent beträgt die
durchschnittliche Naßberstfestigkeit 91,7 kg/cm und die durch-
schnittliche Druckfestigkeit etwa 260 kg/cm . Bei einem Kunststoff gehalt von 6,5 Gewichtsprozent beträgt die Naßberstfestigkeit.durchschnittlich 63 kg/cm und die Druckfestigkeit durch-
schnittlich 330 kg/cm'. Bei einem Kunststoffgehalt von 9 Gewichtsprozent beträgt die Naßberstfestigkeit durchschnittlich . 105 kg/cm . Es wird angenommen, daß die Verwendung einer kleineren Sandteilchengröße, d.h. etwa 150 bis 200 um, und einer besseren Verdichtung der Kunststoff-Sand-Gießmischung in dem Rohr unter Verwendung der Vibrationstechnik sogar noch bessere Ergebnisse zeltigt. Man kann geeignete perforierte Rohre aus rostfreiem Stahl oder poröse, mit Kunststoff beschichtete Glasfasergewebe gegebenenfalls als äußeres Trägermaterial für den Hohlkörper für eine umgekehrte Osmose verwenden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    (l) Poröser, steifer, stark verfestigter Hohlkörper mit einer semipermeablen Membran für eine umgekehrte Osmose, wobei die Wand des Hohlkörpers aus verbundenem, mit Kunststoff überzogenem Füllstoff besteht, der Kunststoff durch Härten eines Produkts aus
    (i) einem Teil eines flüssigen Epoxyharzes, (ii) etwa 0,75 bis etwa 1,55 Teilen eines flüssigen organischen Säureanhydrid-Härtungsmittels,
    (Ui)' etwa 0,25 bis etwa 0,95 Teilen eines flüssigen reaktionsfähigen Diepoxid-Verdünnungsmittels und (iv) von quartären Ammonium-, Phosphonium- oder Arsoniumsalzen als Katalysator in einer zur Erzeugung einer latenten katalytischen Aktivität wirksamen Menge
    hergestellt worden ist und etwa 1 bis 18 % des Gewichts des mit dem Kunststoff überzogenen Füllstoffes ausmacht, der Füllstoff in Form granulierter Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 40 bis etwa 500 um vorliegt und wobei auf der Innenwand des Hohlkörpers eine Membran für die umgekehrte Osmose angebracht ist.
    2. Hohlkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    (a) einen Gehalt an Sand als Füllstoff,
    (b) einen Gehalt an einem Diglycidyläther eines Bisphenol-A- Epoxyharzes, an cycloaliphatischen Epoxyharzen, an acyclischen aliphatischen Epoxyharzen, an heterocyclischen Glycidylamin-Epoxyharzen oder an Glycidylester-Epoxyharzen als
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    ORIGINAL INSPECTED
    flüssiges Epoxyharz, L /Ό
    (c) eine Viskosität von etwa 2 bis 50 cP bei 27°C und ein Epoxyäquivalentgewicht von etwa 100 bis etwa 250 des reaktionsfähigen Diepoxid-Verdünnungsmittels und
    (d) einen Gehalt an einem quartären Phosphoniumsalz als latentem Katalysator.
    3. Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kunststoff etwa 4 bis 32 Volumenprozent des porösen Hohlkörpers ausmacht, die semipermeable Membran aus Celluloseacetat besteht und der Hohlkörper eine Naßberstfestigkeit von mindestens 52,5 kg/cm besitzt.
    4. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3> gekennzeich-» net durch eine Umhüllung aus einem perforierten Metallrohr oder aus einem mit Kunststoff beschichteten Gewebe.
    5· Verfahren zur Herstellung poröser, steifer, stark verfestigter Hohlkörper mit einer darin angeordneten semipermeabler! Membran für eine umgekehrte Osmose nach den Ansprüchen 1 bis j?> dadurch gekennzeichnet, daß man
    (ä) eine 100 % Pestsubstanz enthaltende, lösungsmittelfreie, latent katalysierte Kuriststoffmischung mit einer Viskosität unter etwa 100 cP bei 250C bildet, die in der Hauptsache besteht aus
    (i) einem Teil eines flüssigen Epoxyharzes , (ii) etwa 0,75 bis etwa 1,55 Teilen eines flüssigen
    organischen Säureanhydrid-Härtungsmittels, (iii) etwa 0,25 bis etwa 0,95 Teilen eines flüssigen 709829/0949
    reaktionsfähigen Diepoxid-VerdUnnungsmittels und (iv) von quartären Ammonium-, Phosphonium- oder Arsoniumsalzen als Katalysator in einer zur Erzeugung einer latenten katalytischen Aktivität wirksamen Menge,
    (b) die Kunststoffmischung mit PUllstoffteilchen in Granulatform in einer solchen Menge vermischt, daß die Füllstoffteilchen mit dem Kunststoff überzogen werden, wobei der Kunststoff etwa 1 bis 18 % des Gewichts des mit dem Kunststoff überzogenen Füllstoffes ausmacht,
    (c) den mit Kunststoff überzogenen Füllstoff in eine solche Form gießt, daß im Innern des Gießlings eine axiale Bohrung entsteht,
    (d) die Form mit dem mit Kunststoff überzogenen Füllstoff erhitzt, dabei den Kunststoff härtet und die mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen miteinander verbindet,
    (e) die Form kühlt und den Gießling herausnimmt, der einen porösen, stark verfestigten Hohlkörper von verbunden, mit Kunststoff überzogenen Füllstoffteilchen mit mindestens einer axialen Bohrung und mit einer Naßberstfestigkeit von mindestens 17*5 kg/cm darstellt und
    (f) eine semipermeable Membran für die umgekehrte Osmose in das Innere der axialen Bohrung des Hohlkörpers gießt.
    6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe (f) eine Celluloseacetatlösung in die Bohrung des Hohlkörpers einbringt, einen Senkkörper von rundem Querschnitt in die Bohrung absenkt, einen Film der Celluloseacetatlösung auf der Innenseite der Bohrung bildet, den Film mit Wasser auslaugt und eine Membran für die umgekehrte Osmose bildet.
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    7. Verwendung der·Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 6 bei der Entsalzung und/oder Reinigung von Meerwasser oder Schmutzwasser.
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