DE2807613A1 - Trennvorrichtung aus einer starren, poroesen anorganischen hohlfaser und verfahren zu deren anwendung - Google Patents

Description

DR.-ING. WALTER ABITZ DR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER

Patentanwälte

München,

22. Febr-ia:«* 1978

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E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Del. 19898, V.St.A.

Trennvorrichtung aus einer starren, porösen anorganischen Hohlfaser und Verfahren zu deren Anwendung

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine selbsttragende einheitliche Anordnung von kreuzweise aufeinanderliegenden starren, porösen anorganischen Hohlfasern bzw. -filamenten, die für druckbetriebene Trennanwendungen, wie Ultrafiltration, Hyperfiltration und umgekehrte Osmose, verwendet werden können.

Gewundene Strukturen von kreuzweise aufeinanderliegenden flexiblen organischen polymeren Hohlfasern sind in den US-PSen 3 422 008 und 3 794 468 für Anwendungszwecke beschrieben, Wie den Ionenaustausch, die umgekehrte Osmose, wobei gelöstes Material aus der flüssigen (Lösungsmittel) Beschickung abgetrennt wird, und die Gasdiffusion. Die Flexibilität dieser Fasern bzw. Filamente, die ihre Aufwindung in kreuzweise übereinanderliegender Weise ermöglicht, begrenzt auch die Anwendbarkeit der resultierenden Struktur für die Trennzwecke. Wird beispielsweise die Trennung durch Druck betrieben, d.h. hängt sie von einem Druckdifferential zwischen dem Inneren der Faser und ihrem Äußeren.ab, so neigt die Faser zum Bruch. Die Bruchbeständigkeit erhält man dadurch, dass man die Fasern sehr fein macht, z.B. 0,127 mm (0,005 inch) und darunter, jedoch führt dies zu einer Verstopfung der Innenleitung in der Faser, und darüber hinaus kann die Faser weiterhin brechen, wenn das Druckdifferential erhöht wird, um den Fluss (die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Permeats oder Filtrats durch die Wandung des Filaments pro Einheit der Filtrationsoberfläche) des Trennverfahren s zu erhöhen. Ebenso stellen Wärme-, chemische und die Erosionsbeständigkeit Begrenzungen bei der Anwendung von Strukturen aus organischen Polymer-Hohlfaserη dar.

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Steife, poröse anorganische Hohlrohre, wie aus Porzellan, wie in der US-PS 3 664 507, oder aus Kohlenstoff und Aluminiumoxid, wie in der DE-OS 2 422 477 beschrieben, die dazu geeignet sind, hohen Druckdifferentialen zu widerstehen, und die keinen Wärme-, chemischen und Erosionsbeschränkungen der organischen Hohlfasern unterliegen, wurden für druckbetriebene Trennanwendungen entwickelt, einschließlich solcher, bei denen festes (ungelöstes) Material von der flüssigen Beschickung abgetrennt wird. In diesen beiden Literaturstellen handelt es sich bei den Rohren um gerade Rohre, die in der US-PS 3 664 507 an einem Ende gestützt und in der DE-OS 2 422 477 an beiden Enden gestützt werden. Derartige Rohre sind steif, eine Eigenschaft, die dazu geeignet macht, hohen Druckunterschieden zu widerstehen, ohne zu brechen, wodurch jedoch auch die Anwendung dieser Rohre auf nur gerade Längen beschränkt ist. Diese geraden Längen des Rohrs sind eine Beschränkung für die Nähe bzw. Dichtigkeit, mit der die Rohre gepackt werden können, ohne die Flüssigkeit daran zu hindern, zu oder von der Dicke des Rohres zu fließen, wodurch der Trennvorgang bewirkt wird. Darüber hinaus sind die geradlinigen Rohre brüchig und ermangeln einer Zähigkeit, was dadurch ausgeglichen wird, dass man die Rohe von ziemlich schwerer Konstruktion herstellt, d.h. mit grossem Durchmesser und grosser Wanddicke. Beispielsweise wird in der DE-OS 2 422 477 ein Rohr von 6,35 mm (0,25 inch) Innendurchmesser und einer Wandstärke von 1,52 mm (0,06 inch) bevorzugt, und in der US-PS 3 664 507 wird ein Rohr von 5,33 mm (0,21 inch) Aussendurchmesser beschrieben. Die Begrenzung der Rohrpackung bzw. -füllung und das Erfordernis einer schweren Rohrkonstruktion führt zu einer relativ geringen Rohroberfläche pro Volumeneinheit, was bedeutet, dass eine ziemlich grosse Ausrüstung erforderlich ist, um die Rohre aufzunehmen, je nach der für eine spezielle Anwendung erforderlichen Oberfläche. Die schwere Konstruktion des Rohres muss auch den AbSchwächungseffekt für die Poren kompensieren, die in der Rohrwandung vorhanden sein müssen, um eine Permeation der Flüssigkeit

zu ermöglichen, und die Porosität des Rohres muss dementsprechend beschränkt werden.

Die relativ schwere Bauweise der geraden Rohre stellt im allgemeinen einen Kompromiss zwischen der Aufopferung der Oberfläche pro Volumeneinheit und der Porosität sowie der für die Handhabung und Verwendung erforderlichen Festigkeit dar, was weiterhin eine grosse Sorgfalt bei der Handhabung und Anwendung der Rohre notwendig macht, um ein Brechen zu verhindern. Im Hinblick hierauf werden die Rohre im allgemeinen voneinander getrennt in einem derartigen Sinne angeordnet, dass sie einzeln in die Trennvorrichtung eingebracht werden. Diese separate Handhabung der geraden Rohre stellt eine komplizierte Arbeitsweise dar, die zum Bruch von Rohren und zu vermehrten Kosten führen kann.,

Die relativ schwere Konstruktion der Rohre muss auch durch die Montiervorrichtung für die Rohre innerhalb der Trennausrüstung kompensiert werden. So werden die Rohre derart eingebaut, dass sie sich in freitragender Weise von einer Rohrplatte her erstrecken und an ihren entgegengesetzten Enden unterstützt werden,können* Auf jeden Fall werden die Rohre einer Biegung und einem Bruch durch die Flüssigkeit ausgesetzt, die durch die Ausrüstung strömte Hierdurch werden die verwendbaren Längen der Rohre beschränkt. Bei Zufuhr des Flussxgkeitsstromes vom Äusseren der Rohre her ist es auch üblich, diesen längs der Achse der Rohre im Gegensatz zur Querrichtung einzuführen, um das Durchbiegen und den Bruch der Rohre auf ein Minimum herabzusetzen= Auch in das Innere der Rohre wird der Flüssigkeitsstrom längs der Rohrachse eingeführt, um ein Durchbiegen des Rohres auf ein Miniraum herabzusetzen»

Bei der Anwendung zur Ultrafiltration haben die starren, porösen anorganischen Hohlrohre einen weiteren Wachteil geseigt. Bei dieser Trennanwendung stellt ein Mass für die Lei-

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stungsfähigkeit der Verbrauch an Kraft dar, die zum Pumpen der Flüssigkeit längs der Filteroberfläche benötigt wird ( besser als der Druckunterschied zwischen dem Inneren und Äusseren des Rohres) im Vergleich mit der Menge des gewonnenen Filtrats einer gewünschten Qualität, bezogen auf diesen Kraftverbrauch. Für eine bestimmte Kombination von Verfahrensbedingungen wird der Betriebsfluss der geraden Rohre sehr gering, wodurch die für die erhaltene Filtratmenge verbrauchte Kraft grosser als erwünscht ist. Unter "Betriebsfluss" versteht man den Fluss der Rohre, nach dem eine scharfe Verringerung des Flusses zu Beginn der Ultrafiltration auftritt, und man annimmt, dass das Trennsystem arbeitet. Der Arbeitsfluss fällt gradueller ab . als dieser scharfe Abfall des Flusses. Obwohl der Betriebsfluss allmählich geringer wird, erreicht dieser Fluss möglicherweise den Punkt, wo es wirtschaftlich wird, den Fxltratxonsarbextsgang selbst zu unterbrechen, um die Rohre rückzuwaschen, wodurch der Betriebsfluss allerdings nur zeitweise verbessert wird. Die Fähigkeit, den ursprünglichen Fluss des Betriebsflusses beizubehalten, wird als "Flussretention" bezeichnet. Die geraden Rohre weisen im allgemeinen eine geringe Flussretention auf. Die Flussretention kann jedoch hoch sein, wenn der Betriebsfluss zu Beginn gering ist, wodurch sich wenig Raum für eine Verringerung des Flusses im Verlauf der Zeit ergibt.

Der geringe Betriebsfluss und/oder die geringe Flussretention der geraden Rohre ist durch den Aufbau von teilchenförmigen! Material aus der Flüssigkeit bedingt, die an der Rohroberfläche filtriert wird, und durch den Aufbau einer stagnierenden Fluidbegrenzungsschicht an der Rohroberfläche. Der im allgemeinen axiale Strom der Flüssigkeit, der bei diesen Rohren verwendet wird, um ihren Bruch zu verhindern, stellt eine relativ laminare Flüssigkeitsströmung dar. Diese laminare Strömung ist nicht sehr wirksam bei der Auswaschung des Aufbaues von teilchenförmigen! Material oder der stagnierenden Fluidbegrenzungsschicht. Dies gilt auch für den Aufbau der

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Begrenzungsschicht von flüssigem Konzentrat, wenn die geraden Rohre zur Hyperfiltration oder umgekehrten Osmose verwendet werden.

D.G. Thomas et al- beschreiben in "Turbulence Promoters for Hyperfiltration with Dynamic Membranes", Environmental ί Science and Technology £, 1129-1136, Dezember 1970, die An-Wendung von Vorrichtungen, die vorzugsweise im Inneren von geraden, porösen Kohlenstoffrohren zur Beschleunigung bzw. Verbesserung der Turbulenz der Strömung der Flüssigkeit montiert werden, die in das hohle Innere der Rohre mit einem äusseren Durchmesser von 9,9 mm (0,39 inch) (bei einer Wandstärke von 2 mm) beschickt wird, was die Zunahme des Flusses der Rohre (einschliesslich der darauf gebildeten dynamischen Membran) um soviel wie 15Ο % für das speziell untersuchte System bewirkt. Ungünstigerweise liegt die Wirtschaftlichkeit des Betriebs dieser Rohre mit Turbulenzpromotoren unter der erwünschten Wirtschaftlichkeit, da es notwendig ist, die Rohre gross genug zu machen, um in ihrem Inneren die Turbulenzpromotoren anzupassen, was die Oberfläche pro Volumeneinheit verringert, und die Turbulenzpromotoren selbst wirken als Stellen für den Aufbau von teilchenförmigen! Material, wodurch die für die Filtration zugängliche. Oberfläche der Rohre beeinträchtigt wird und was gegebenenfalls zur Unterbrechung des Filtrationsarbeitsgangs führen kann, um die Turbulenz-■ promotoren zu ersetzen.

\ R.E. Lacey und S. Loeb, Industrial Processing with Membranes der Wiley-Interscience (1972),gehen auf den Seiten 257 bis

'■" 259 von der Annahme aus, dass die Geschwindigkeit des Fluids (der Flüssigkeit) die Ablagerung einer Grenzschicht von ionischen und kolloidalen Materialien verringern kann, die den Fluss verringern, und empfehlen das Konzept eines stufenförmigen Membranaufbaues, wodurch eine Prallströmung geschaffen wird und die Strömung gebrochen wird, bevor eine stabile

; Grenzschicht aufgebaut wird. Die Autoren stellen fest, dass

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die Membranträgerstrukturen, die einen Bruch der Strömung ergeben, in der Literatur nicht beschrieben wurden (Seite 258), und geben selbst keine Vorschläge für derartige Konfigurationen. Die Autoren stellen auch die Nachteile von eingefügten Turbulenzpromotoren fest und führen aus, dass "neu und frisch an das Problem herangegangen werden muss" (Seite 259).

Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue und frische Lösung bereitgestellt, und es werden die vorstehenden Nachteile der geraden, starren, posören anorganischen Rohre, wie im folgenden genauer erläutert, ausgeschaltet.

Die vorliegende Erfindung lässt sich als eine selbsttragende, einheitliche Struktur beschreiben, die steife bzw. starre, poröse anorganische Hohlfasern bzw. -filamente umfasst, angeordnet in einem dreidimensionalen Netzwerk von kreuzweise übereinandergelegtem Hohlfilament ,, wobei durch die Dicke der Dimension des Netzwerks, die kreuzweise übereinandergelegte Anordnung der Hohlfaser. , die sich in der Längen- und der Breiten-Dimension erstreckt, das dreidimensionale Netzwerk des Hohlfaserfilaments gewundene Pfade für das Fluid definiert, das durch die Dicken-Dimension des Netzwerks kommuniziert bzw. in Verbindung steht.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem dreidimenionalen Netzwerk um eine spiralenförraig aufgewundene Struktur der Hohlfaser in vielen Schichten, wobei die Hohlfaser in jeder Schicht voneinander getrennt ist und benachbarte Schichten miteinander in Kontakt stehen, wobei jedoch die Hohlfaser in einer der benachbarten Schichten, die Hohlfaser in der anderen Schicht der benachbarten Schichten und so fort durch die Dicken-Dimension der aufgewundenen Struktur kreuzt. Die in der gleichen Richtung in der Struktur aufgewundene Hohlfaser ist von Schicht zu Schicht ausreichend versetzt, so dass die vorstehend erwähnten gewundenen Pfade bzw. Wege gebildet werden. Zusätzlich setzt sich die eine der Schichten

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der Struktur bildenden Hohlfasern vorzugsweise in eineandere Schicht der Struktur fort. Dieses Erstrecken der Hohlfaser in der Dicken-Dimension des Netzwerks und auch die Einkapselung aller vorhergehender Schichten durch jede folgende ■ Schicht fördert die einheitliche Natur der Struktur. Die . hohle Form des starren, porösen anorganischen Materials der Erfindung wird eher als eine Faser bzw. ein Filament bezeich- \ nete als als ein Rohr wie beim Stand der Technik, da es einen ' geringeren Aussendurchmesser aufweist, z.B. nicht über 3,18 mm (0,125 inch), und wegen der im allgemeinen grösseren Länge und des krummlinigen Weges der erfindungsgemäßen Hohlfaser. Das gesamte Netz bzw. Netzwerk kann aus einer einzigen Hohlfaser bestehen.

Der geringe Aussendurchmesser der Hohlfaser und die Tatsache, dass sie in Kontakt miteinander in einer kreuzweise übereinander gelegten Beziehung ohne Verlust an Oberfläche für die Anwendung zur Trennung gepackt bzw. gefüllt werden kann, bringt für die Erfindung den Vorteil einer grossen Oberfläche pro Volumeneinheit (Packung bzw. Füllung) mit sich. Beispielsweise kann durch die Erfindung eine Füllung von mindestens etwa

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490 m /m (mindestens 150 ft /ft ) und vorzugsweise von min-

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destens etwa 650 ra /m (mindestens 200 ft /ft ) geschaffen werden.

Trotz der geringen Grosse der Hohlfaser und der damit einher-. gehenden geringen Wandstärke kann die erfindungsgemässe Hohlfaser ohne Bruch gehandhabt und verwendet werden. Dies, da sich die Hohlfaser in Form des Netzwerks befindet, das eine einheitliche Struktur bildet, und als solches anstelle der einzelnen Längen der Filamente gehandbabt wird. Die Netzwerkstruktur stellt in einem gewissen Sinne eine Patrone dar, die leicht in eine Trennvorrichtung eingeführt werden kann.

Unter "gewundenen Pfaden" in dem Netzwerk ist zu verstehen, dass sich die Hohlfaser in einer versetzten Beziehung (nicht

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in Registeranordnung bzw. nicht in deckungsgleicher Anordnung) über die Dicken-Dimension des Netzwerks befindet. Die Strömung sunterbrechung und Aufteilung des Fluids, die durch die gewundenen Pfade bewirkt wird, kann ausgenutzt werden, um eine Turbulenz bzw. Wirbelung in dem Fluid zu erzeugen, je nach der Strömungsgeschwindigkeit und der Viskosität des Fluids bzw. der Flüssigkeit, was seinerseits die Wirksamkeit der Trennungs-Anwendung vergrössert, was zum Ausdruck kommen kann als eine grössere Menge.an Permeat (Filtrat) für einen gegebenen Kraftverbrauch oder als grösserer Betriebsfluss, ohne die Qulaität des Filtrats zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann eine Flussverbesserung von mehr als dem Sechsfachen erfindungsgemäss erzielt werden, was in Beispiel 1 gezeigt wird. Der Betriebsfluss ist auch ausreichend gleichmässig, so dass sich der grosse Fluss über eine lange Betriebsdauer erstreckt, ohne dass der Betrieb zur Rückwaschung oder dergleichen unterbrochen werden muss. So weist das erfindungsgemässe Netzwerk auch eine grosse Flussretention auf.

Die Erfindung geht von der Praxis des Stands der Technik unter Anwendung unabhängiger Trubulenzprömotoren zur Erhöhung der Turbulenz in der Flüssigkeit aus. Erfindungsgemäss wird die Turbulenz bzw. Verwirbelung der Flüssigkeit und selbst eines Beschickungsgases gefördert durch die netzförmige Anordnung der Hohlfaser selbst, die den gewundenen Pfad für den Fluidstrom durch das Netzwerk definiert.

Überraschenderweise kann das lange, leicht gebaute Hohlfilament des Netzwerks der Kraft eines Flüssigkeits-Kreuzstroms (in Querrichtung) sowie auch hohen Pulsierungen bzw. Schwankungen der Flüssigkeitskraft, die bei einigen Anwendungszwekken auftreten, ausgesetzt werden, ohne dass die Faser bricht. Die Bruchbeständigkeit ist für die Hohlfaser des Netzwerks notwendig, um dem Flüssigkeitsstrom in Querrichtung zu widerstehen, der zur Erzielung einer turbulenten Strömung der Flüssigkeit notwendig ist, selbst bei den geringen Strömungsge-

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schwindigkeiten, die bei der bisherigen Anwendung von geraden anorganischen Hohlrohren vorwiegend eine laminare Strömung ergeben, sowie gegebenenfalls bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten. Diese Bruchbeständigkeit der Fasern beruht zumindest teilweise darauf, dass sich die Hohlfaser an jedem Kreuzungspunkt innerhalb der Netzstruktur selbst stützt. Die Wandung der Hohlfaser kann selbst hohe scheinbare Porositäten, z.B. mindestens 35 %. aufweisen, um den Fluss der Hohlfaser

zu erhöhen, ohne dass dies zum Brechen der Hohlfaser führt.

Die Erfindung besitzt im Vergleich mit den gewundenen Strukturen von Hohlfasern aus organischem Polymeren den Vorteil, ; dass sie bei höheren Differentialdrücken betrieben werden kann, ohne dass sich Verstopfungen ergeben, sowie bei höheren Temperaturen und dass eine grössere chemische Resistenz und Erosionsbeständigkeit erzielt wird. Beispielsweise kann beim Entsalzen von Wasser erfindungsgemäss bei hohen Druckunterschieden· von ca 8300 kPa (12OOpsi) und mehr und bei höheren und erhöhten Temperaturen wie 40°C und darüber gearbeitet werden, wodurch der Permeatfluss und die Trennwirksamkeit erhöht werden; derartige Bedingungen sind bei einem Hohlfilament aus einem organischen Polymeren nicht möglich.

Das erfindungsgemässe Netzwerk kann jedoch nicht durch Aufwinden der Hohlfaser wie auf dem Gebiet der Hohlfasern aus organischem Polymeren hergestellt werden, da das erfindungsgemässe Hohlfilament starr bzw. steif ist. Unter "starr" bzw. "steif" ist zu verstehen, dass die Hohlfaser ausreichend steif ist, so dass sie nicht zu einem gewundenen Pfad geformt oder ausgehend davon geglättet werden kann, wie dies beim Aufwinden von Fasern geschieht, ohne dass ein Bruch erfolgt. Jedoch weist die Hohlfaser eine gewisse geringe Flexibilität auf, die mit dem Aussendurchmesser und der Wandstärke variiert, und die zu der Zähigkeit der Hohlfaser in dem Netzwerk beiträgt, was später noch erläutert wird. Die Steifigkeit der Hohlfaser verleiht auch dem Netzwerk eine entsprechende Stei-

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figkeit und Integrität bzw. Ganzheit und macht es selbsttragend bzw. selbststützend. Im Gegensatz hierzu sind die gewundenen Strukturen eines organischen Polymer-Hohlfilaraents nicht selbsttragend. Sie werden auf einem Kern gehalten und von diesem getragen, der ihre Kosten erhöht und in ihre Anwendung eingreift.

Da die anorganische Hohlfaser steif ist, kann sie nicht als solche zu einem Netzwerk hergestellt werden, wie die vorstehend beschriebene spiralförmig aufgewundene Struktur. So stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung die Herstellung des dreidimensionalen Netzwerks aus der Hohlfaser dar, die eine Lösung des Problems darstellt, das sich aus der Steifigkeit der Hohlfaser ergibt, und des Problems der Herstellung der steifen, feinen Paser (aus anorganischem Material) mit einem kontinuierlich hohlen Innenraum.

Im folgenden wird eine kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen gegeben:

Die Fig. 1 stellt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung des dreidimensionalen Netzwerks aus der erfindungsgemässen Hohlfaser dar.

Die Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch die Extrusions- bzw. Strangpress-Form dar, die beim Verfahren der Fig. 1 verwendet wird.

Die Fig. 3 stellt einen Querschnitt des überzogenen Kerns dar, den man beim Verfahren der Fig. 1 erhält.

Die Fig. 4 stellt einen Querschnitt der Hohlfaser von dem überzogenen Kern der Fig. 3 dar.

Die Fig. 5 stellt eine schematische perspektivische Ansicht des dreidimensionalen Netzwerks dar, das man beim Verfahren der Fig. 1 erhält.

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Die Fig. 6 stellt eine photographische Vergrösserung eines Teils der Längen-Breiten-Ditnensionen eines erfindungsgemä ssen dreidimensionalen Netzwerks dar.

Die Fig. 7 stellt schematisch ein druckbetriebenes Filtrationssystem dar unter Verwendung des dreidimensionalen Netzwerks gemäss der Erfindung.

Die Fig. 8 stellt einen schematischen Seitenaufriss einer Ausführungsform der Verbindung bzw. des Anschlusses des dreidimensionalen Netzwerks in das System der Fig. 7 in genauerer Weise dar.

Die Fig. 9" stellt schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Verbindung bzw. des Anschlusses des Netzwerks in das System der Fig. 7 dar.

Fig. 10 stellt eine Graphik des Flusses eines dreidimensionalen erfindungsgemässen Netzwerks dar, im Vergleich mit handelsüblichen geraden Keramikrohren bei der Ultrafiltration.

Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform zur Herstellung des erfindungsgemässen dreidimensionalen Netzwerks.

Die Fig.12 zeigt einen Grundriss und eine Vergrösserung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen dreidimensionalen Netzwerks.

^D-*-^e Fig. 13 zeigt schematisch und als Seitenaufriss ein Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen dreidimensionalen Netzwerks der Ausführungsform der Fig. 12.

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^^e Fig. 14 zeigt einen quer verlauf enden Querschnitt von zwei Schichten der Ausführungsform der Fig. 12, die miteinander verbündelt sind, wobei eine Schicht in ausgezogenen Linien und die andere Schicht zur Verdeutlichung in unterbrochenen Linien dargestellt ist.

Die Fig. 15 zeigt schematisch und in einem Seitenaufriss ein vielschichtiges Netzwerk, hergestellt gemäss Fig. 13, das in einem Gehäuse enthalten ist, zur Anwendung für Trennzwecke, wobei die Front des Gehäuses zur Klarheit entfernt wurde.

^^e Fig. 16 zeigt eine Seitenansicht der Gehäuse/Netzwerk—Anordnung der Fig. 15.

Im folgenden wird eine genauere Beschreibung gegeben:

Die erfindungsgemässe Hohlfaserstruktur kann hergestellt werden durch Überziehen eines kontinuierlichen brennbaren Kerns mit einer Paste aus einer sinterbaren Zusammensetzung zur Bildung einer Faser aus dem überzogenen Kern, wobei die Faser in dem dreidimensionalen Netzwerk hergestellt wird, worauf das resultierende Netzwerk gebrannt wird, um den Kern daraus zu verbrennen und den Überzug aus der sinterbaren Zusammensetzung zu sintern, wodurch man die starre, poröse Hohlfaser in der Netzwerkanordnung erhält. Die sinterbare Zusammensetzung ist eine Zusammensetzung, die zu dem anorganischen Material sintert, das die Hohlfaser bildet. Weitere Einzelheiten der Zusammensetzung sind im"folgenden aufgeführt.

Die Fig. 1 stellt die Überzugs- und Fabrikationsstufen dar. Genauer wird ein Textilgarn 2 als kontinuierlicher brennbarer Kern von einer Packung 4 abgespult, über eine Leitwalze 6 und in eine Strangpress- bzw. Extrusionsform 8 geleitet, die mit einer Paste 10 der sinterbaren Zusammensetzung durch den Druck

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eines Stempels 12 aus einer Stempel- bzw. Kolben-Extrudiervorrichtung 14 geliefert wird. Die Paste wird in dem Kolbenextruder entlüftet. Die Paste 10 umhüllt das Garn 2, wodurch darauf ein Überzug gebildet wird, und es tritt aus der Strangpressform 8 als überzogenes Garn 16 aus. Das überzogene Garn 16 läuft durch eine Hülle 18 und macht einige Windungen um Walzen 20 und 21, bevor es spiralförmig in Form eines Zy-• linders 22 auf einem rotierenden Dorn bzw. Drehstift 24 aufgewunden wird. Die verschiedenen Windungen des überzogenen Garns 16 um die-Walzen 20 und 21 .ermöglichen,dass diese Walzen das textile Garn 2 ■ unter einer leichten Spannung aus seiner Packung und durch die Extrusionsform 8 ziehen. Das Garn 2 läuft, bevor es in die Form 8 eintritt, durch eine Spannvorrichtung, um das Gam leicht und ausreichend zu spannen, um beim Durchlauf des Garns durch die Form jegliche Schwankungen bzw. Unregelmässigkeiten in dem Garn auszuschalten. Der Stempel 12 wird so betrieben, dass eine kontinuierliche Überzugsbildung aus der Paste 10 um das Garn erfolgt, wenn das Garn die Extrusionsform bzw. Pressform verlässt.

Beim Aufwinden auf den.Dorn 24 läuft das überzog. Garn 16 durch eine Führung 26 , die den Dorn von einem Ende zum anderen durchquert, um das überzogene Garn in einer Mehrzahl von Schichten in kreuzweise uberexnanderlxegender Beziehung von Schicht zu Schicht aufzuspulen. Hierdurch wird ein dreidimensionales Netzwerk aus dem überzogenen Garn 16 gebildet, in der Form eines kreuzweise übereinanderliegenden überzogenen Garns, das sich in den Längen-Breiten-Dimensionen des Zylinders erstreckt, und wobei die Dicken-Dimension aus einem kreuzweise übereinandergelagerten überzogenen Garn aufgebaut wird. ;

Die Fig. 2 zeigt die Extrusions- bzw. Pressform genauer; sie besteht aus einem Gehäuse 30 mit einem Einlass 32 für die Pastenzusammensetzung 10 aus dem Kolben-Extruder. Ein Garn-Leitrohr 34 erstreckt sich in das Formgehäuse 30 zum Empfang des

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Garns 2 und zu seiner Leitung durch das Zentrum der Extrusionsöffnung 36, die in einer abriebfesten Einlage 38, wie einem Diamanten, in dem Gehäuse 30 ausgebildet ist. Das Austrittsende des Rohres 34 befindet sich kurz vor der Öffnung und verjüngt sich konisch zur Öffnung hin. Eine Ablenkvorrichtung 40 in dem Gehäuse 30 zwingt die Pastenzusammensetzung in Richtung auf die Öffnung 36 und um das Garn 2, das aus dem Rohr 34 austritt, und vernichtet einen "toten" Raum, in dem die Zusammensetzung stagnieren und innerhalb der Form austrocknen kann. Die Überzugsbildung auf dem Garn 2 tritt am Austritt aus dem Rohr 34 ein, und überzogenes Garn 16 tritt aus der Extrusionsöffnung bzw. -düse aus. Die Länge der Form (Höhe in der Fig. 2) ist gering, z.B. 2,5 cm Innenlänge, um eine Biegung des Leitrohres 34 auf ein Minimum herabzusetzen. Die Enden der Form, die das Leitrohr und die Extrusionsöffnung aufweisen, können getrennt vom Gehäuse hergestellt sein und darin gesichert sein durch einen Gewindeschnitt, wodurch es möglich wird, den Rohrdurchmesser oder den Öffnungsdurchmesser durch blosses Austauschen eines Endes des Gehäuses 30 zu verändern.

Nachdem der Zylinder 22 aus dem überzogenen Garn 16 in der gewünschten Anzahl von Schichten hergestellt ist, wird der Zylinder von dem Dorn abgezogen, gegebenenfalls getrocknet und anschließend gebrannt. Beim Brennen wird das Garn herausgebrannt und der Überzug zu einer starren Hohlfaser in der gleichen dreidimensionalen Anordnung wie die aufgewundenen Schichten des überzogenen Garns gesintert. Während dieses Brennens entwickelt sich die gewünschte Porosität der Wandung der Hohlfaser.

Die Fig. 3 stellt den vergrösserten Querschnitt des überzogenen Garns 16 dar und zeigt, dass das Garn 2 in seinem Zentrum von einem kontinuierlichen Überzug 42 aus der Pastenzusammensetzung umgeben ist. Die Fig. 4 zeigt den Querschnitt nach dem Sintern, der eine Hohlfaser 44 hinterlässt, die aus einer porösen Wandung 46 besteht, die einen Durchtritt 48 im Inneren

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der Faser umgibt» Die Wandung 46 und der Durchtritt bzw. die Leitung 48 erstrecken sich kontinuierlich über die Länge der Hohlfaser.

Die Fig. 5 zeigt die selbsttragende einheitliche Zylinderstruktur 5O₁ die ein dreidimensionales Netzwerk aus steifer, poröser anorganischer Hohlfaser 44, erhalten durch Brennen des Zylinders 22, ist. Fig. 5 zeigt auch das kreuzweise überlagerte Muster dieser Faser 44, die sich in Längen- und Breiten-Dimensionen der Struktur erstreckt,und den Aufbau mehrerer Schichten 52 der Faser in der Dicken-Dimension. Die Hohlfaser einer Schicht erstreckt sich in der Dicken-Dirnension der Struktur bis in die nächste äussere bzw. äusserste Schicht zur Verbindung der Schichten, wobei die Zwischenverbindungen bzw. Verkettungen in der Fig. 5 als 54 dargestellt sind. Die Hohlfaserschicht, die der ersten Windung von überzogenem Garn 16 entspricht, bildet die innere Oberfläche 56 (die Bohrung bzw. lichte Weite) der zylinderförmigen Struktur 50, und die Schicht der Hohlfaser, die der letzten aufgewundenen Schicht des überzogenen Garns 16 entspricht, bildet die äussere Oberfläche 58 (den Umfang) der Zylinderstruktur.

Die Steifigkeit der gesinterten Hohlfaser zusammen mit der Kompaktheit der Netzwerkanordnung, d.h. der Hohlfaserschichten, die sich miteinander in Kontakt befinden, und der Kontinuität der Faser von einer Schicht zur anderen, verleiht dem gesamten Netzwerk eine relative Steifigkeit und Integrität und macht es selbsttragend und einheitlich. Jeder Punkt, an dem eine Länge der Hohlfaser über eine andere Länge der Hohlfaser kreuzt, stellt einen Träger für beide Längen der Hohlfaser dar, und dieser Träger wiederholt sich über die gesamte Länge an jedem Kreuzungspunkt.

Wie in der Fig. 5 dargestellt, liegt die kreuzweise übereinandergelegte Hohlfaser 44 in den beiden äusseren Schichten der Zylinderstruktur 50 in jeder Schicht räumlich voneinander

entfernt, so dass ein Raum zum Eintritt von Flüssigkeit in die Dicke des dreidimensionalen Netzwerks der Hohlfaser geschaffen wird. Die Hohlfaser in den vorhergehenden inneren Schichten, die in der gleichen Richtung νβΓ^μίεη wie eine dieser beiden äusseren Schichten, ist von den äusseren Schichten abgesetzt bzw. im Hinblick auf die äusseren Schichten versetzt. Die Kombination von kreuzweise überlagerter Faser und versetzter Faser unterbricht und teilt den Flüssigkeitsstrom, der zwischen den Flächen 56 und 58 strömt, wodurch dieser Strom wesentlich turbulenter wird als ein Flüssigkeitsstrom längs der Achse des geraden Rohres.

Das kreuzweise übereinandergelagerte Muster der starren Hohlfaser lässt sich besser verstehen unter Bezugnahme auf die Ausführungsform dieses Musters, die photographisch in etwa 3,5-facher Vergrosserung in der Fig. 6 für die aufgewundene zylindrische Struktur 70 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform stellt die Hohlfaser 72, die einen äusseren Durchmesser von 1,5 mir. (0,06 inch) aufweist, die äussere Schicht der Zylinderstruktur 70 dar* Die Hohlfaser 74 stellt die nächstvorhergehende Schicht dar, die in kreuzweiserAnordnung zum spiralförmigen Weg der Hohlfaser 72 läuft. Es ist ersichtlich, dass die Hohlfaser 74 sich am Kreuzungspunkt 76 im photographischen Schaltbild in Kontakt mit der Hohlfaser 72 befindet und diese so stützt. Die Hohlfaser 78 bildet die nächstvorausgehende Schicht, die in der gleichen Richtung aufgewikkelt ist.wie die Hohlfaser 72 und die Hohlfaser 74 am Kreuzungspunkt 80 stützt, Die Eohlfasern 82, 84, 86, 88, SO, 92, 94 und 96 repräsentieren die nächstvorhergehenden Schichten in der genannten Reihenfolge^ dieses spezielle kreuz und quer aufgewundene Muster des ursprünglichen überschichteten Garns umfasst 12 Schichten. Dieses gekreuzte Muster kann durch die Dicke des dreidimensionalen Netzwerks für eine gewünschte Anzahl von Schichten wiederholt v/erden» Die Hohlfasern 74, 84, 88, 92 und 96, die in der gleichen Richtung verlaufen, sind alle voneinander abgesetzt, hits den Strom der Flüssigkeit, die

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in diese Fläche des Netzwerks eingespeist wird, zu unterbrechen und aufzuteilen. Das Gleiche gilt für die Hohlfasern 72, 82, 86, 90 und 94.

Es sei festgestellt, dass die vorstehend beschriebenen "Schichten" nicht notwendigerweise konzentrische Schichten über die Länge der Hohlfaser umfassen. Die Hohlfaser 88 befindet sich näher am Zentrum der Zylinderstruktur über der Hohlfaser 94, als wenn sie sich über der. Faser 90 befindet. Mit anderen Worten kann die Hohlfaser in einer Schicht in eine oder mehrere vorhergehende Schichten nach unten tauchen, je nach dem speziellen Aufwickel-Muster, das für den überschichteten Garn-Vorläufer für die Hohlfaser angewendet wurde. Da ausserdera die Kreuzungspunkte nicht am gleichen Punkt liegen, ist die Dicke der zylindrischen Struktur geringer als das Produkt der Anzahl der Schichten und des äusseren Durchmessers der Hohlfaser.

Obwohl in der Photographie der Fig., 6 nicht ersichtlich, gibt es Hohlfasern unter der Oberfläche, die parallel zu den Hohlfasern 74, 84, 88, 92 und 96 (auch mit den Hohlfasern in gekreuzter Richtung) laufen, die zwischen den· sichtbaren benachbarten Hohlfasern (z.B. 72 und 82) liegen, so dass kein gerader durchlaufender Weg für die Flüssigkeit durch die Dicke der zylindrischen Struktur vorliegt. Bei der Anwendung kann der Strom vom Äusseren der Zylinderstruktur durch die Öffnung 100 eintreten, bis der Strom durch eine tieferliegende Faser und Seitenwege, wie unter den Fasern 82, 86, 84 und 88, geteilt wird. Der gleiche verschlungene Weg wird für den Strom vom Zentrum der Zylinderstruktur nach aussen geschaffen»

Die Fig. 6 zeigt auch die Beziehung zwischen dem Wickelungswinkel und der Geometrie der diamantenförmigen bzw. rhombus— förmigen Öffnungen, die von den Schichten der kreuz und quer verlaufenden Hohlfasern gebildet werden. Der Abstand A ist der Umfangsabstand zwischen den Zentren der sichtbaren benach-

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barten Hohlfaser, d.h. der Faser, die die Gegenseite der Öffnung bildet. Diese Entfernung wird senkrecht zur Rotationsachse des Aufspuldorns geraessen, auf dem die zylindrische Struktur aus dem überzogenen Garn gebildet wurde. Diese Entfernung ist das Produkt einer ganzen Zahl (gewöhnlich 2) und des Umfangs, dividiert durch den kleinsten gemeinsamen Nenner des Verhältnisses der Dornumdrehungen und Querzyklen bzw. Umlaufszyklen. Beispielsweise kann ein derartiges Verhältnis 153/23 sein, und die Entfernung A ist l/23 des Umfangs der Struktur am Messungspunkt. Beispiele für die kleinsten gemeinsamen Nenner eines derartigen Verhältnisses sind die von 21 bis 300.

Der minimale Winkel zwischen der kreuzweise überlagerten Hohlfaser; die auf dem Dorn aufgespult wird, und einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Dorns ist als der Wickelungswinkel 0 in Fig. 6 definiert. Vorzugsweise liegt der Wickelungswinkel bei 15 bis 40°.

Die Entfernung B ist der senkrechte Abstand zwischen den Zentral-Linien der sichtbaren benachbarten Faser, .d.h. der Faser, . die sich in der gleichen Richtung erstreckt und die Gegenseiten der rhombenförmigen Öffnung bildet. Das Verhältnis (B-Verhältnis) der Entfernung B zum äusseren Durchmesser der Hohlfaser kann von 0,1 bis 2 variieren. Die Einhaltung dieses Abstandsbereichs bedeutet, dass sich die benachbarte Faser in überlappender Beziehung am unteren Ende des Bereichs befindet und am oberen Ende des Bereichs nicht mehr als der äussere Durchmesser einer Faser voneinander entfernt ist. Diese überlappende oder räumlich nahe Beziehung formt zusammen mit der Trennung der benachbarten Faser durch eine kreuzweise Faserüberlagerung und das Versetzen der Faser die gewundenen Wege in dem Netzwerk.

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Um die Anwendung einer einheitlichen selbsttragenden Struktur eines Netzwerks aus Hohlfasern gemäss der Erfindung zu veranschaulichen, zeigt die Figο 7 ein System aus einem Beschikkungsbehälter 120, einer Einlassleitung 122 für die Flüssigkeit 1235 die ein zubrennendes Material enthält, und eine Strömungskontrolle bzw. -steuerung 121 für die Einlassleitung. Diese Flüssigkeit wird mit einer Pumpe 124 mit einer relativ geringen Kapazität zu einer Zirkulationspumpe 126 mit höherer Kapazität und anschliessend durch eine Einlassleitung 128 zur Trenneinheit 130 gepumpt, die ein derartiges Netzwerk enthält» Das Netzwerk hat selbst oder zusammen mit einer Membran auf seiner Oberfläche eine grossere Permeabilität für die Flüssigkeit als für das Material, in diesem Falle teilchenförmige Feststoffe, das darin enthalten ist» Die Flüssigkeit, die durch die Wandung der Hohlfaser dringt, tritt durch die Leitung 134 aus» Die verbleibende Flüssigkeit, die ein flüssiges Konzentrat der ursprünglichen Beschickung in die Einheit 130 darstellt, tritt getrennt von dem Permeat über die Leitung 132 aus_ö Die Leitung 136 bildet eine Rückführungsschleife zur Rückführung der gesamten Flüssigkeit oder eines Teils der Flüssigkeit, die aus der Einheit 130 über die Leitung 132 austritt» Ob die Flüssigkeit in der Leitung 132 das System verlässt oder zurückgeführt wird und das jeweilige Ausmass davon werden durch die Ventile 133 und 135 bestimmte Der Wärmeaustauscher 138 wird zur Steuerung der Temperatur der rückgeführten Flüssigkeit verwendet, falls eine derartige Steuerung notwendig ist. Ist beispielsweise ein grosser Anteil der zur Einheit 130 geführten Flüssigkeit zurückgeführte Flüssigkeit, so kann sich diese Flüssigkeit durch das Pumpen erwärmen, und der Wärmeaustauscher kann dazu verwendet werden, die rezyklisierte Flüssigkeit abzukühlen*, Druck messgeräte 137 und 139 zeichnen den Druck der Flüssigkeit vor bzwο nach dem Durchtritt durch die Trenneinheit (durch die Dicke des Faser-Metzwerks) auf«

Eine Ausführungsform zur Verwendung des Netzwerks aus Hohlfasern in derartiger Form wie der zylindrischen Struktur 50 in

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der Trenneinheit 130 wird in der Fig. 8 gezeigt. Genauer umfasst die Trenneinheit 130 ein Gehäuse 150, eine Einlassleitung 128 für die Flüssigkeit, die das abzutrennende Material enthält, eine Auslassleitung 134 für das flüssige Permeat und eine Auslassleitung 132 für die Restflüssigkeit. Die Flüssigkeit tritt zuerst in die Bohrung bzw. den hohlen Kern 56 der Zylinderstruktur 50 in Fig. 5 ein, die darin angeordnet ist, und fliesst dann nach aussen durch die gewundenen Wege in der Dicken-Dimension der Zylinderstruktur. Während dieses Aus— wärtsströmens fliesst Flüssigkeit, die durch die Wandung der Hohlfaser permexert, längs deren Innenleitung und entleert sich in den tieferliegenden Teil 152 des Gehäuses 150, wo dieses flüssige Permeat aus allen offenen Enden der Hohlfaser, die in dem unteren Teil 152 enden, gesammelt wird und zum Auslass 134 fliesst. Die Hohlfaser-Enden enden am Ende 154 der zylindrischen Struktur 50 und sind offen, da die Struktur in einer senkrecht zur Achse der Struktur liegenden Ebene geschnitten wurde, um den inneren Hohlraum der gesamten Hohlfaser, die die Schnittebene durchläuft, freizulegen. Die Restflüssigkeit gelangt zum Auslass der Leitung 132.

Die über die Leitung 128 in das Gehäuse 150 eingespeiste Flüssigkeit lässt man durch die Dicke der Zylinderstruktur fHessen und hindert sie daran_? direkt aus den Leitungen 132 und 134 auszutreten, durch abgegrenzte Einkesselungsgebiete 155 und 156 aus Epoxyharz, die sich durch die gesamte Dicke der Zylinderstruktur 5O und von: Äusseren der Oberfläche 58 her erstrecken. Das Einkesselungsgebiet 155 weist eine hindurchtretende Leitung 158 auf, die eine Verbindung zwischen der Einlassleitung 128 und der Bohrung 56 der Zylinderstruktur darstellt und sich in abgeschlossener Verbindung (es kann eine Dichtung angeivendet werden) mit der Innenwand des Gehäuses befindet, gegen die das Einkesselungsgebiet 155 grenst. Das Einkesselungsgebiet 156 verschliesst das entgegengesetzte Ende der Bohrung 56 und grenzt an die Schulter 160 des Gehäuses 150 in abdichtender Weise. So muss eine Flüssigkeit, die

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durch die Einlassleitung 128 in das Gehäuse 150 eingespeist wird, der Trennwirkung der porösen Hohlfaser unterzogen werden, die die zylindrische Struktur 50 bildet, bevor sie über die Leitungen 132 und 134 austritt. Dasselbe Ergebnis erhält man, wenn es sich bei dem Fluid anstelle einer Flüssigkeit um ein Gas handelt.

Die Einkesselung durch die Dicke des Netzwerks kann dadurch erzielt werden, dass man die Struktur 50 aufrecht stellt und ein härtbares Harz mit geringer Viskosität in die Bohrung der Zylinderstruktur gießt. Das Harz fliesst nach aussen durch die Dicke der Struktur 50 und bildet auch den Anteil, der sich von der äusseren Oberfläche der Zylinderstruktur erstreckt.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform, die in der Fig» 9 dargestellt ist, ist die zylindrische Struktur 50 innerhalb eines Gehäuses 162 angeordnet, das eine Einlassleitung 128 für eine Flüssigkeit aufweist, die in das Gehäuse durch die Dicke der Zylinderstruktur 50 in deren hohlen Kern 56 strömt und anschliessend durch die entgegengesetzte Wandung bzw» Dikke der Zylinderstruktur, bevor sie die Auslassleitung 132 erreicht. Die Flüssigkeit wird durch Dämme 164 daran gehindert, um die äussere Oberfläche 58 der Zylinderstruktur 50 zu flies- sen_t die den Raum zwischen der äusseren Oberfläche 58 der Zylinderstruktur und dem Gehäuse 162, wie in Fig. 9 gezeigt, verschliessen. Die Enden der Zylinderstruktur 50 sind ähnlich wie in Fig. 8 mit einem Harz eingekesselt, wobei jedoch die Durchtrxttslextung 158 weggelassen ist, und das flüssige Permeat wird in gleicher Weise wie in Fig. 8 gesammelt.

Die Fig. 10 stellt eine Graphik der Fluss-Leistungsfähigkeit für städtisches Wasser von Wilmington, Delaware, USA, von einem dreidimensionalen Netzwerk, wie der Zylinderstruktur 50, im Vergleich mit handelsüblichen geraden Keramikrohren dar»

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Die Kurve 170 stellt die vorliegende Erfindung dar und die Kurve 172 die geraden Keramikrohre. Jede Kurve zeichnet sich durch einen anfänglichen starken Strömungsabfall aus. Der Anteil des Betriebsflusses dieser Kurven beginnt bei etwa und 6 Stunden für die Kurven 170 bzw. 172. Eine weitere Beschreibung der bei der Untersuchung angewendeten Bedingungen ist im Beispiel 1 angegeben. Erfindungsgemäss ivurde ein Betriebsfluss erzielt, der mehr als das Sechsfache dessen der geraden Keramikröhren betrug, ohne Anhebung der Pumpkraft des Wassers durch die Trenneinheit pro Einheit Permeat. Die Form des dreidimensionalen Netzwerks kann je nach Wunsch variiert werden, solange sie eine Dicken-Dimension bildet, die verschlungene Wege für den Flüssigkeitsdurchfluss aufweist. Beispielsweise zeigt die Figur 11 eine Ausführungsform zur Herstellung eines flachen , dreidimensionalen Netzwerks ■ aus Hohlfaser. Eine aufgewickelte zylindrische Struktur 174 (gezeigt in Seitenansicht) einer Vielzahl von Schichten aus überzogenem Garn, wie in Fig. 1 hergestellt, und vor dem Brennen, wird in einer Ebene 176 entsprechend der Zentral-Linie der Zylinderstruktur 174 aufgeschlitzt. Jede Hälfte des Zylinders kann anschliessend geglättet werden zur flachen vielschichtigen Viereck- bzw. Trapez-Struktur (es ist lediglich eine dargestellt), die durch unterbrochene Linien dargestellt ist.Das überzogene Garn überkreuzt sich von Schicht zu Schicht und läuft an jedem Ende der flachen Form (Zylinder) von Schicht zu Schicht, um die Schichten zusammenzuhalten. Diese Netzwerkstruktur wird anschliessend gebrannt, um eine poröse Hohlfaser im kreuzweise übereinandergelegten Muster wie in der Fig. 6 gezeigt zu bilden. Als Grundriss sieht diese Struktur ähnlich wie die Fig. 6 aus, je nach dem speziellen verwendeten kreuzweise übereinandergewundenen Muster. Da der Hohlraum im Inneren der Fasern freigelegt ist, wenn das überzogene Garn geschnitten wurde, erfordert jede schräge Fläche bzw. Seitenfläche des Trapezoids eine Einkesselung, wie in ein Epoxyharz. Die Einkesselung einer dieser Flächen kann anschliessend erneut

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geschnitten werden, um den hohlen Innenraura der Hohlfaser für den Austritt des flüssigen Permeats daraus wieder freizusetzen, wobei eine derartige Einkesselung auch dazu dient, die Fluid-Zufuhr und Konzentrierung des Piltrats wie in der Fig„8 voneinander zu isolieren.» Bei dieser Ausführungsfarm kann das Schneiden des Zylinders aus überzogenem Garn zu Längen -von Hohlfilamenten führen, die nach dem Brennen lose mit der Oberfläche des Netzwerks assoziiert sind«, Die Einkesselung der Anteile des Netzwerks^ wie eben beschrieben^ bindet sämtliche Längen der Hohlfaser zu einer flachen einheitlichen Struktur zusammen c.

Die Anordnung des starren, porösen anorganischen Hohlfilaments in dem Netzwerk kann je nach Wunsch variiert werden, solange die gewundenen Wege für den Strom der Flüssigkeit durch die Dicken-Dimension bereitgestellt werden_o Beispielsweise zeigt die Fig» 12 eine weitere Ausführungsform des dreidimensionalen Netzwerks der Hohlfaser, in der drei Bündel 180, 182 und jeweils aus einer Vielzahl von Hohlfasern 186 in drei Dimensionen verflochten sind zu einer Flechtstruktur 188_O Die Flechtstruktur kann hergestellt werden, indem man mehrere Enden eines überzogenen Garns, wie eines überzogenen Garns 16, unter Bildung von jeweils einem Bündel zusammenbringt und anschliessend diese Bündel eines derartigen Garns miteinander verflicht und schliesslich brennt» Das Verflechten der Bündel miteinander führt auch dazu, dass die Enden des überzogenen Garns in jedem Bündel lose miteinander verdreht werden, wo— ■durch" Räurae zum FlIissigkeitsstrom in Querrichtung durch jedes Bündel geschaffen werden_o Mehrere Schichten der geflochtenen Struktur 188 können durch Stapelung auf einem eine Hin- vsna Herbewegung ausführenden Träger 190 vor der Brennstufe, wie in Fig_e 13 geseigt, gebildet werden,, Beim Brennen bilden die mehrschichtigen geflochtenen Strukturen eine starre, einheitliche Strukturj in der die Schichten durch die geflochtene Struktur selbst, wie in Figo 13 gezeigt, miteinander verbunden

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Die Fig. 14 zeigt den Querschnitt von zwei benachbarten Schichten der geflochtenen Struktur 188, eine Schicht in unterbrochenen Linien, die die Verschachtelung derartiger > Schichten miteinander zeigt, die so erhalten werden kann.

Eine Anordnung 191 von mehreren Schichten der geflochtenen Struktur 188, hergestellt wie in der Fig. 13 gezeigt, kann in ein Gehäuse 192 eingebracht werden, ausgerüstet mit einer oberen Einlassöffnung 194 für Flüssigkeit und einer Auslassöffnung 196 am Boden für das flüssige Konzentrat nach dem Fluss durch die Dicke der¹ mehrfachen Schichten, wie in Fig. gezeigt. Epoxyharz-Dämme 198 sind um die Seiten der mehreren Schichten angeordnet, um die Flüssigkeit daran zu hindern, jegliche der Schichten zu umgehen, wie in den Fig. 15 und gezeigt, und das Gehäuse 192 ist mit einer Auslassöffnung für das Filtrat versehen, das von den inneren Durchtritten der Hohlfaser abströmt, geöffnet durch Schneiden der eingekesselten Anordnung von Schichten der geflochtenen Struktur längs der Linie 202.

Der Schlüssel zum Erfolg bei der Herstellung des erfindungsgemässen dreidimensionalen Netzwerks ist die Fähigkeit zur Bildung der Struktur eines überzogenen brennbaren Kerns vor dem Brennen. Dies erfordert eine Wahl von Materialien und Bedingungen zur Herstellung des überzogenen Kerns und zu seiner Bildung zu einem Netzwerk und zum Brennen des überzogenen Kerns des Netzwerks unter Bildung der starren anorganischen Hohlfaser.

Der Hauptbestandteil der Zusammensetzung, aus der die Hohlfaser hergestellt wird, ist teilchenförmiges anorganisches Material, das zu einer steifen Masse gesintert werden kann. Das resultierende gesinterte Produkt ist typischerweise ein keramisches feuerfestes Material mit einem hohen Schmelzpunkt von vorzugsweise mindestens 14OO^CC. Das feuerfeste Material kann ein Oxid sein, z.B. ein einzelnes Oxid oder ein Gemisch

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von Oxiden oder Oxidverbindungen, Beispiele hierfür sind Al₃Og, Mullit OAl₂O₃-2SiO₂), SiO₂, Cordierit (2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂), MgO, Spinell (MgO^Al₂O₃), Porsterit (2MgO-SiO₂) und Enstatit (MgO-SiOp). Das teilchenförmige anorganische Material kann aus feinvermahlenen Pulvern von chemisch inertem Material bestehen, das sintert, ohne mineralogische Änderungen einzugehen, oder es kann eine Kombination von feinvermahlenen reaktiven Materialien sein, wie Ton oder Talkum, die Zersetzungen, Umwandlungen und/oder Reaktionen im festen Zustand eingehen unter Bildung des gewünschten feuerfesten Materials. Der Ausdruck "Sintern" wird hier verwendet, um Reaktionen im festen Zustand zu bezeichnen zur Unterscheidung der Bildung einer flüssigen Phase, um zu der gewünschten starren Masse zu gelangen. Die BiI- · dung einer flüssigen Phase bezieht die Vernichtung der ursprünglichen Teilchen innerhalb einer geschmolzenen Masse und den Verlust der Porosität ein, was erfindungsgemäss unerwünscht ist.

Die Teilchengrösse des anorganischen Materials und die Grössenverteilung bestimmen die Grosse der Poren'zwischen den Teilchen in den gesinterten Hohlfasern, was seinerseits die Impermeabilität der Faserwand für das aus der Beschidkungsflüssigkeit abzutrennende Material beeinflusst, und daher werden die Teilchengrössen dementsprechend gewählt. Für Ultrafiltrationszwekke sollten die Poren geringer sein als die grössten Teilchen, die herausfiltriert werden sollen, jedoch können sie grosser sein als die kleinsten herauszufiltrierenden Teilchen. Die grössten Teilchen überbrücken die Poren in der Hohlfaser und wirken tatsächlich als eine Filterhilfe oder Membran an der äusseren Oberfläche der Hohlfaser beim Filtrieren von kleineren Teilchen aus der zu filtrierenden Flüssigkeit. Im Falle der umgekehrten Osmose wird die Porengrösse in der Wandung der Hohlfaser so gewählt, dass sie die Membran entweder aus teilchenförrnigem Material oder kontinuierlichem semi-permeablen Material aufnehmen, die weniger permeabel für das gelöste Material in der Flüssigkeit als für die Flüssigkeit selbst ist. Die

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Grosse der Poren in der Paserwandung steigt im allgemeinen mit der Zunahme der Teilchengrösse des anorganischen Materials an. Im allgemeinen weist im wesentlichen das gesamte anorganische Material eine Teilchengrösse von unter 20 μ auf und hat vorzugsweise eine mittlere Teilchengrösse von unter 10 u. Die Teilchen des anorganischen Materials geben den gesinterten Hohlfasern auch eine Oberflächen-Rauheit, die hilfreich bei der Erhaltung der Filterhilfe auf der Oberfläche der Hohlfaser ist.

Zusätzlich zu dem anorganischen Material liegt die Ausgangszusammensetzung in Form einer Paste mit einem Bindemittelmaterial vor, das der Zusammensetzung die Extrudierbarkeit verleiht und die Teilchen des anorganischen Materials in einem kohäsiven Überzug um den Kern hält. Die Wahl des Bindemittelmaterials hängt im allgemeinen von dem jeweiligen anorganischen Material ab. Das Binderaittelmaterial kann eine Flüssigkeit oder ein Feststoff oder ein halbfestes Material sein, das beim Erwärmen erweicht,und kann aus einem einzigen Material oder einer .Kombination von Materialien bestehen. Beispiele für feste Bindemittelbestandteile umfassen thermoplastische Copolymere von Äthylen/vinylacetat und von Äthylen/ Propylen/nicht-konjuguertem Dien. Diese Bindemittel-Komponenten werden mit organischen Lösungsmitteln, wie Perchloräthylen und Toluol, zur Erweichung der festen Bindemittel-Komponente vermischt, um der Zusammensetzung die rheologischen Eigenschaften zu verleihen, die zur Fliessbarkeit um den brennbaren Kern erforderlich sind, und eine ausreichende Kohäsion zu verleihen, um während der anschliessenden Verarbeitung zu einem Netzwerk in Kontakt zu bleiben. Das Bindemittelmaterial wird im allgemeinen teilweise oder gänzlich ein organisches Material sein und wird daher bei der Brennstufe entsprechend flüchtig sein. Der resultierende Raum, der beim Abbrennen des flüchtigen Bindemittels von den gepackten festen Teilchen des organischen Materials, die durch Sintern zusammengebunden sind, zurückbleibt, bildet die Porosität der Hohlfaser.

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In typischer Weise enthält die Ausgangs-Zusammensetzung auch eine Sinterhilfe, die dazu fungiert, das Sintern der Teilchen zu einem festen, einheitlichen polykristallinen Körper ohne eine chemische Reaktion zwischen den feuerfesten Oxidteilchen zu unterstützen. Stellt - Aluminiumoxid oder Alurainiumoxidsilicat das keramische Material dar, so können Talkum, Siliciumdioxid, Siliconöl oder -fett bzw.· Fett oder Äthylsilicat oder hydrat^siertes Natriurnsilicat als Sinterhilfe verwendet werden. Einige Sinterhilfen, wie Talkum, Siliconöl und eine organische Bindemittel-Lösung, dienen zur Schmierung bzw» Gleitendmachung der Zusammensetzung, um ihre Bildung um den verbrennbaren Kern zu unterstützen.

Im allgemeinen enthält die Zusammensetzung 40 bis 80 % teilchenförmiges anorganisches Material, 2 bis 10 % festes Bindemittel, 15 bis 50 % flüssigen Weichmacher für das Bindemittel (■vorgemischt mit dem Bindemittel) auf insgesamt 100 %, wobei sich alle Prozentangaben auf das Gewicht beziehen» Verwendet man eine Sinterhilfe, so ist sie von 1 bis 15 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des teilchenförmigen anorganischen Materials , vorhanden _o

Die Teilchen aus anorganischem Material, das Bindemittel und die Sinterhilfe werden miteinander vermischt unter Erzielung

5 7 einer Viskosität von etwa 10 bis 10 Poise bei einem Scher-

—2 —1 ο

ausmass von etwa 10 Seko bei 25 C, entsprechend einer Paste für die Kolben- bzw« Stempel-Extrusiono

Der verbrennbare Kern, der mit der Zusammensetzung überzogen ist, ist am raschesten bzw» günstigsten ein Stapel-Textilgarn oder ein kontinuierlicher Faden, wie aus Baumwolle, Rayon₉ Mylon oder acrylisch, die beim Brennen völlig verbrannt werden, d.he es verbleibt keine nennenswerte Asche innerhalb des gesintert en Hohlfadensο Das Garn sollte kompakt sein, um jegliche Absorption der Überzugszusaramensetzung auf ein Miniraum herabzusetzen_s die den inneren Hohlraum des gesinterten Fadens

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verstopfen könnte. In dieser Hinsicht kann das Garn überzogen sein, um eine derartige Absorption zu verringern. Die Kompaktheit wird auch dadurch gegeben, dass das Garn sehr stark verdreht ist, wie 2 bis 8 Umdrehungen/cm,oder durch Anwendung eines Monofilatnent- bzw. Einzelfaden-Garns.

Die Herstellung der dreidimensionalen Netzwerkstruktur aus überzogenem Garn wird durch die Flexibilität des überzogenen Garns ermöglicht. Überraschenderweise bleibt der Überzug₇als Umhüllung um den brennbaren Kern erhalten, trotz seines geringen Aussendurchmessers und der Dünnheit des Überzugs, d.h. der Kern tritt während der Fabrikation nicht durch den Überzug hindurch, selbst wenn der Kern durch die Extrusionsform gezogen und um paarweise angeordnete Greifwalzen 20 und 21, wie in Fig. 1 dargestellt, gewickelt wird. Der Kern schneidet sich nicht durch den pastenform!gen Überzug, der ihn umgibt, und bleibt in dem Überzug im wesentlichen konzentrisch. Die Herstellung kann auch eine Überquerung des überzogenen Garns vorwärts und rückwärts über einen Dorn einbeziehen, wodurch eine Biegung und Wellung des überzogenen Garns erfolgt, wodurch aber kein Bruch des Überzugs erfolgt. Die Überquerung kann über einen rotierenden Dorn unter Bildung eines aufgewickelten Zylinders des überzogenen Garns erfolgen oder kann über ein flaches Bett erfolgen unter Bildung einer flachen Anordnung des überzogenen Garns. Das dreidimensionale Netzwerk kann aus einem einendigen überzogenen Garn oder mit mehreren Enden hergestellt werden. Es ist lediglich günstig, dass der resultierende Hohlfaden in allen Schichten eine Oberfläche durchquert, die nach dem Schneiden über oder durch die dreidimensionale Netzwerkstruktur verbleibt, um den Ausstrorn des Permeats aus dem Inneren des Hohlfadens aufzunehmen. Vorzugsweise läuft der Hohlfaden in dem Netzwerk mindestens zu einem seiner Enden, wie dem Ende, das die Schichten 52 in Fig. 5 zeigt, und vorzugsweise von Ende zu Ende des Netzwerks, da. ^; gewöhnlich das Netzwerk an einem Ende des Netzwerks geöffnet wird (die Fasern werden zur Freilegung ihres Innenraums ge-

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schnitten). Hierdurch wird es möglich, das Permeat aus dem Inneren aller Hohlfasern zu sammeln und Filamente mit "toten ■ Enden" zu vermeiden. Zusätzlich muss der Aufbau des überzogenen Garns, wie auf dem Dorn oder der Platte, nicht in klaren Schichten erfolgen, die sich durch eine Breite und Länge des dreidimensionalen Netzwerks erstrecken. Lediglich ist es bevorzugt, dass das überzogene Garn und so die daraus erhaltene Hohlfaser am oberen Ende miteinander in kreuzweise überlagerter Form gestapelt sind durch die Dicke der Netzwerk-Struktur, um eine strukturelle Integrität und verzweigte Wege für den Flüssigkeitsstrom durch diese Dicke zu bilden.

Wird bei der Herstellung des Netzwerks aus überzogenem Garn auf einem Dorn aufgewickelt, so erfolgt eine derartige Aufwickelung vorzugsweise unter einer konstanten Spannung, und es wird ein leichter Druck, wie durch einen Walzenbügel, gegen jede Schicht des überzogenen Garns angewendet, wenn sie auf dem Dorn abgelegt wird. Hierdurch wird die AufWickelung kompakter, wodurch man eine strukturelle Integrität für die Handhabung und das Brennen erzielt.

Das dreidimensionale Netzwerk des überzogenen Garns wird vorzugsweise während des Brennens gestützt, um ein Durchsacken zu verhindern. Handelt es sich bei der Stütze um einen Dorn, so sollte er die Schrumpfung des Netzwerks während des Brennens erlauben. Dies kann dadurch erzielt werden, dass man eine entfernbare Kartonhülse über dem Aufspuldorn verwendet und ein Keramikrohr zur horizontalen Stütze für das Brennen verwendet oder einen keramischen Dorn verwendet, der eine zerstörbare Oberfläche enthält, die beispielsweise hergestellt ist aus einem zusammendrückbaren keramischen Faserfilz, z.B. Fiberfra:
tragend.

Fiberfrax^-Filz. Nach dem Brennen ist das Netzwerk selbst-

Die Brennofentemperatur zum Brennen wird allmählich auf eine maximale Temperatur angehoben und anschliessend allmählich

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gesenkt während eines Gesamt-Zeitraums von IO bis 13 Stunden; die maximale Temperatur liegt bei etwa 1200 bis 145O°C zur Sinterung des Überzugs zu der steifen Hohlfaser. Während des Erhitzens werden das Bindemittel und das brennbare Garn herausgebrannt. Die exakte maximale Temperatur hängt von dem speziellen vorhandenen anorganischen Material und der vorhandenen Sinterhilfe ab, falls eine solche vorhanden ist, und liegt auf jeden Fall knapp unter dem Schmelzen der Teilchen des anorganischen Materials, das zu einer Verringerung der scheinbaren Porosität führen würde. Im allgemeinen wählt man die maximale Temperatur, bei der die Hohlfaser eine maximale scheinbare Porosität aufweist und gleichzeitig die Strukturintegritäts-Erfordernisse erfüllt.

Die resultierende poröse Hohlfaser weist im allgemeinen einen äusseren Durchmesser von nicht über 3,18 mm (0,125 inch) und vorzugsweise von nicht über 2,03 mm (0,08 inch) auf und besitzt eine Wandstärke von vorzugsweise von nicht über 0,76 mm (0,03 inch). Vorzugsweise weist die Paser einen Aussendurchmesser von nicht über 1,52 mm (0,06 inch) und eine Wandstärke von nicht über 0,51 mm (0,02 inch) auf. Auf jeden Fall liegt die Grosse der Hohlfaser derart, dass die Faser in einem derartigen Sinne steif ist, dass sie nicht geglättet und von dem dreidimensionalen Netzwerk, wie der zylindrischen Struktur 50, abgewickelt werden kann. So unterscheidet die Grosse dieser Fasern sie von keramischen Fasern, die auf einer Spule gebrannt wurden und anschliessend davon abgewickelt werden können, wie in den US-PSen 3 808 015 und 3 986 528 beschrieben. Im allgemeinen weist die Hohlfaser der Erfindung einen Aussendurchmesser von mindestens 0,64 mm (0,025 inch) und eine Wandstärke von mindestens 0,25 mm (0,01 inch) auf.

Die Hohlfaser besitzt auch eine hohe scheinbare Porosität, vorzugsweise von mindestens 35 % und besonders bevorzugt von mindestens 40 %. Je höher die scheinbare Porosität ist, desto grosser ist der Fluss der Hohlfaser. Jedoch beeinträchtigt

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die Porosität die Festigkeit. Nichtsdestoweniger weist.die Faser trotz der hohen scheinbaren Porosität und der brüchigen Natur und ihrer leichten Bauweise eine ausreichende Festigkeit in dem dreidimensionalen Netzwerk auf, um einem hohen Druckdifferential um die Faserwandung zu widerstehen, z.B. 13 790 kPa (2000 psi), einem starken Flüssigkeitsstrom senkrecht zu der Faserachse und grossen Druck- und Strömung sschwankungen zu widerstehen, die beim Betrieb auftreten •können. Im allgemeinen ist wegen der Schwächung der Faserwand eine scheinbare Porosität von nicht über 60 % erwünscht.

Die hohe scheinbare Porosität, die vorstehend beschrieben wur de, ist im wesentlichen für eine völlige Nutzung der in der porösen Hohlfaser vorhanden Porosität verantwortlich. Mit anderen Worten ist die in der Wandung der Hohlfaser vorhandene Porosität im wesentlichen gänzlich offen und dadurch für die Flüssigkeitspermeation zugänglich. Eine geschlossene Zellporosität ist nachteilhaft wegen des Schwächungseffekts der geschlossenen Poren auf die Faser ohne Ausnutzung der Fil tration.

Besonders bevorzugt weist das Netzwerk der Hohlfaser eine Pakkung bzw. Packungsdichte von mindestens etwa 980 m /m (mindestens 300 ft /ft ) auf und besitzt eine Oberfläche bzw. wirk-

2 2

same Oberfläche von mindestens etwa 0,9 m (mindestens 10 ft ).

Die Steifigkeit der gesinterten Hohlfasern führt zu einer entsprechenden Steifigkeit und Integrität des dreidimensionalen Netzwerks. Dies ermöglicht die Stützung des Netzwerks in einer Weise, die einen maximalen Fluss ergibt, nämlich quer zur Richtung des Flüssigkeitsstroms, wobei ein Minimum an Oberfläche dazu verbraucht wird, die Netzwerkstrutkur der Trenneinheit zu stützen.

Selbst wenn das überzogene Garn über die Dicke der dreidimensionalen Struktur während des Sinterns mit sich selbst in Kon

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takt ist, sind die Hohlfasern im allgemeinen nicht an ihre kreuzweise überlagerten Nachbarn gebunden. Dies war bei der bekannten Abwicklung von keramischen Fasern von einer Spule nicht zu erwarten wegen des grösseren Durchmessers und der so grösseren Oberfläche im Kontakt zwischen dem sich kreuzenden überzogenen Garn, das erfindungsgemäss verwendet id.rd. Selbst bei Anwendung thermoplastischer Polymerer in der Bindemittel-Komponente führt dies nicht zu einer Sinterung des Filaments an sich selbst.

Das Beispiel 4 der US-PS 3 986 528 beschreibt die Bildung einer aufgewickelten Struktur eines keramischen Multifilament-Garns, das gerade oder sanft geschwungene, nicht-gekrümmte Durchtritte durch die Struktur zum Hindurchtritt eines AutoAbgases bildet, bei dem vor dem Verbindung des Garns an den Kreuzungspunkten die aufgewiekelte Struktur flexibel und lose ist und abgewickelt v/erden kann. Die Leitungen erzeugen eine gewisse Turbulenz in gasförmigen Kraftmaschinen- bzw. AutoAbgasen, um derartige Abgase einem Katalysator auszusetzen, jedoch muss der Durchtritt der Abströme durch die aufgewik— kelte Struktur leicht erfolgen, um einen Rückdruck auf ein Minimum herabzusetzen. Daher können diese Durchtritte nicht als gewundene Pfade für Flüssigkeiten, wie Wasser, dienen. Eine derartige Struktur der US-PS 3 986 528 wäre für die Anwendung zur Filtration ungeeignet, und die Bindung, die zur Verfestigung der Struktur angewendet wird, um der Beanspruchung bei der Behandlung mit dem Automobil—Abgas zu widerstehen, in diesem Patent weist den Nachteil auf, die Kosten zu erhöhen und die zur Filtration verfügbare Oberfläche zu verringern. Daher wird kein Anhaltspunkt für die Herstellung von Hohlfasern oder dafür, wie dies durchzuführen ist, gegeben. Die Abwesenheit einer Bindung zwischen den Fasern im erfindungsgemässen drexdimensionalen Netzwerk führt su einer maximalen für die Filtration zugänglichen Faserfläche.

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So weist selbst, obwohl die Hohlfasern, die sich miteinander in Kontakt befinden, nicht miteinander verbunden sind, das dreidimensionale Netzwerk noch eine. Steifigkeit und Integrität auf. Die nicht vorhandene Bindung zwischen den in Kontakt befindlichen Filamenten weist auch den Vorteil der Verleihung einer Zähigkeit an die Hohlfaser auf, wodurch es ihr möglich wird, innerhalb des Netzwerks als Reaktion auf starke Beanspruchungen sich leicht zu biegen oder zu verschieben, anstatt zu brechen, was der Fall sein könnte, falls die Fasern zwischen den Uberkreuzungspunkten unbeweglich wären.

Das erfindungsgemässe dreidimensionale Netzwerk ist geeignet zur Filtration von Material, wie feinen Teilchen aus Fluiden, d.h. aus Gasen oder Flüssigkeiten, durch Wirkung der Poren in der Wand der Hohlfaser oder der Poren in einer Membran, die an der Oberfläche der Faser gebildet ist, die zu klein für feine Teilchen ist, um deren Durchtritt zu ermöglichen. Eine derartige Membran weist eine grossere Permeabilität für die Flüssigkeit auf als für das darin enthaltene Material. Das Netzwerk kann auch zur umgekehrten Osmose verwendet werden, bei der das zu trennende Material in der Flüssigkeit gelöst ist, wenn man eine geeignete Wahl einer Membran trifft. Ein Beispiel für eine Membran ist die Membran, hergestellt aus anorganischen festen Teilchen an der stromauf liegenden Oberfläche der Hohlfaser, wie von Thomas et al., loc. cit., beschrieben. Diese festen Teilchen füllen die Poren auf und verringern deren Grosse an der stromauf liegenden Oberfläche der Hohlfaser und sind von einer geeigneten chemischen Zusammensetzung, um die gewünschte Trennung zu ergeben.

Beschreibung der Untersuchungsmethoden;

Die Packung bzw. Füllung der Hohlfaser in dem Netzwerk wird bestimmt durch Berechnen der Gesamt-Oberfläche der Faser in dem Netzwerk aus dem Aussendurchmesser und der Gesamtlänge dieser Faser und Dividieren durch das Volumen des Metzwerks,

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3$

wie es aus seinen äusseren Abmessungen bestimmt wird. Im Falle einer zylindrischen Struktur würde das Volumen aus der Länge und dem Aussendurchmesser der Struktur bestimmt werden. Die Packung von handelsüblichen Einheiten gerader Keramikrohre, gewöhnlich 20 bis 50 davon, in einem Gehäuse wird durch die Oberfläche der Rohre, die für die Trennanwendung geeignet ist, dividiert durch das Volumen des Gehäuses, bewertet bzw. abgeschätzt. Falls ein Vergleich zwischen der erfindungsgemäss erzielten Packung mit den vorstehend genannten handelsüblichen Einheiten gewünscht wird, kann der Wert des Volumens für das Netzwerk vergrössert werden durch die geringe Menge, die dem Gehäuse entspricht, das für das Netzwerk erforderlich wäre.

Die Schüttdichbe und scheinbare Porosität werden nach der ASTM-Methode C 3 73-72 bestimmt, mit der Modifikation, dass die Faser während 2 Stunden in Wasser gekocht wird und sie Wasser aufsaugen kann nach dem Sieden zur Kühlung auf Raumtemperatur während weiterer 4 Stunden.

Die Schüttdichte in g/cm stellt den Quotienten der Trocken masse einer Faser, dividiert durch ihr äusseres Volumen, einschliesslich der offenen Poren, dar.

Die scheinbare Porosität drückt den Prozentsatz der Beziehung des Volumens der offenen Poren der Faser zu ihrem äusseren Volumen aus.

Die Dichte (absolut) des festen Materials einer Faser wird an einer fein zerkleinerten Probe der Faser unter Anwendung eines Pyknometers und der Anwendung der Methode ASTM C 329-75 bestimmt .

Die Gesamt-Porosität P drückt den Prozentsatz der Beziehung des Volumens der gesamten Poren (offen und geschlossen) der Faser zu ihrem äusseren Volumen aus.

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,Absolute Dichte - Schüttdichte .

P s 100 (·

absolute Dichte

Der modale Porendurchmesser (Mikron, u), das Porenvolumen pro Gewichtseinheit (cm /g) und die Oberfläche pro Gewichtseinheit (tn²/g) bei einem Druck von 137 900 kPa (20 000 psi) erhält man aus Quecksilber-Porosimetrie-Standardmethoden«, Eine Probe wird in ein Penetrometer (Glasrohr mit einem geeichten Kapillarsystern) eingebracht» Das Penetrometer wird in die Füllvorrichtung eingebracht, die evakuiert ist, wodurch das Quecksilber das Penetrometer auffüllen kann» Dieses Porosimetersystem drückt die Probe auf Atmosphärendruck, wodurch die Messung der Poren mit einem Durchmesser von 1OO bis 17 μ ermöglicht wird. Das Penetrometer wird anschliessend in die Druckkammer überführt, wo Drücke von 413 700 kPa (60 000 psi) angelegt werden«. Bei Steigerung des Drucks wird das Quecksilber in fortschreitend geringere Poren gezwungen, und die Penetration wird gemessen als Änderung der elektrischen Kapazität zwischen einer Metallhülse und der Quecksilbersäule in dem PenetrometersystetTio Das Probengewicht, die Druckablesungen, die Penetrometerablesungen und die Kapazitätsablesungen werden als Eingabewerte für Computerberechnungen verwendet» Der Computer berechnet für jeden Druck (a) das Volumen des Quecksilbers in den Poren der Probe pro Gewichtseinheit der Probe,

(b) den Durchmesser (in Mikron) der gefüllten Poren und

(c) die kumulative Oberfläche, berechnet auf der Basis der geradzylindrischen Poren= Der vorstehende Teil b wird aus der Gleichung

D = ~4 $ cos 9 / Druck

berechnet, worin φ die Oberflächenspannung des Quecksilbers (473 Dyn/cra) und Q der Kontaktwinkel des Quecksilbers mit dem Feststoff (140°) ist_o Der Computer trägt das Queclcsilbervolumen/Gewichtseinheit gegen den Durchmesser auf einer langen Skala unter Anwendung der Werte Volo/Gew», entsprechend den gesamten und halben ganzzahligen Werten in jeder Dekade, erhalten durch lineare Interpolation, auf_o Das Porenvolumen

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(cm /g) der Probe ist der Unterschied zwischen dem Volumen/Gewicht bei einem Durchmesser von 0,01 und 20 Mikron, wie er aus dem Diagramm abgelesen wird. Der Rechner bzw. Computer trägt auch das Verhältnis der Änderung von Volumen/Gewicht zur Änderung des Durchmessers (unter Anwendung des Alogarithmus von Savitzky-Golay, Anal. Chem. 36, 1627) gegen den Durchmesser auf einer langen Skala auf. Der modale Porendurchmes— ser ist der Ort des Maximums dieses Diagramms.

Der Verstopfungsfaktor (plug factor) (PP) einer Flüssigkeit ist die Abnahme der Fliessgeschwindigkeit durch ein Standardfilter nach 15-minütiger Strömung bei Raumtemperatur unter einem konstanten Druck von 207 kPa (30 psi), ausgedrückt als Prozentsatz der Anfangs-Strömungsgeschwindigkeit. Bei dem Filter handelt es sich um eine Filtermembran von 0,45 Mikron (Öffnung) (ein Handelsprodukt der Millipore, Bedford, Mass. 01236), das in eine Standard-Druckfilter-Haltevorrichtung montiert ist. Bei dieser Untersuchung wird ein Minimum von 2 1 der Flüssigkeitsprobe verwendet.

In den folgenden Beispielen beziehen sich Teile und Prozente, falls nicht anders angegeben, auf das Gewicht.

Beispiel 1

Es wurde eine keramische Zusammensetzung zur Extrusion, hergestellt aus 75,4 Teilen Aluminiumoxidteilchen (A-17, Handelsprodukt der Alcoa, mit einer mittleren Teilchengrösse von 3,5 Mikron, wobei 90 % der Teilchen unter 8 Mikron betragen), 17 Teilen einer Lösung, die 12,5 % eines Äthylen-Vinylacetat-Copolymeren (typischerweise 28 % Vinylacetat, ElvaxvSlvinylharz, Sorte 265, der E.I. du Pont de Nemours & Co.) in Perchloräthylen enthält, 1,3 Teilen eines Siliconöls (Dow Corning 550 fluid) und 6,4 Teilen Perchloräthylen, vermischt in einem Mischer (Readco Heavy Duty Double Arm Mixer) und mit einer Viskosität von etwa 10⁶ P bei 25°C.

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Die vorstehende Zusammensetzung wurde bei Raumtemperatur durch eine Überzugsform von 1,52 mm Durchmesser mit einem Hohlrohr von 0,64 mm Innendurchmesser, zentriert in der Form, das ein gedrehtes Baumwollgarn von etwa 1250 den» (4 Enden eines 16-zähligen Baumwollgarns) aufnahm , gepresst bzw. extrudiert.

Das überzogene Garn wurde mit 25,9 m/Min, in kreuzweise übereinander liegender Weise auf ein Rohr (2,5 cm Aussendurchmesser, überzogen mit einer 3,2 mm-Schicht eines Polyäthylenschaums, einer Schicht eines Polyäthylenfilms und einer Aussenschicht aus Kraft-Papier) während etwa 6 Minuten aufgewikkelt unter Anwendung einer textlien Spulvorrichtung mit konstanter Spannung, deren Verschiebungseinrichtung mit dem Rohrantrieb über Getrieberäder verbunden war, wobei das Rohr 306/23 Umdrehungen für jeden Zyklus (d„h. rückwärts und vorwärts) der Verschiebevorrichtung machte. Der Verschiebungszyklus (rückwärts und vorwärts) betrug 81,3 cm. Jede weitere Schicht des überzogenen Garns wies die gleiche Wiekelrichtung auf, jedoch waren die Schichten voneinander abgesetzt, um einen gewundenen Weg durch die dreidimensionale Struktur des Netzwerks zu bilden. Die Spule mit dem überzogenen Garn wurde von dem Rohr (und den Rührüberzügen) entfernt und 16 Stunden an der freien Luft getrocknet. Die trockene Spule des überzogenen Garns wurde anschliessend bei 1400°C (Orton PCE Konus 14) während 10 Stunden in einem Tunnel-Brennofen gebrannt und gekühlt. Das Produkt war ein 36,5 cm langer Zylinder (4,5 cm Aussendurchmesser, 2,5 cm Innendurchmesser) eines einzelnen Fadens eines hohlen Aluminiumoxid(im wesentlichen insgesamt a-Aluminiumoxid)-Filaments mit einem Aussendurchmesser von 1,02 mm und einem Innendurchmesser von 0,38 mm und einer Packung bzw. Füllung von 794 m /m . Der Zylinder wies ein B-Verhältnis von 0,4 bis 1,1 auf. Die Hohlfaser wies eine Schüttdichte von 2,362 g/cm , eine absolute Dichte von 3,77 g/cm , eine scheinbare Porosität von etwa 43 %, einen modalen Porendurchmesser von 0,32 Mikron, ein Porenvolumen von 0,117 cm /g und eine Oberfläche von 1,89 m /g auf.

_ -a 7 _

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Ein Längsstück von 15,0 cm dieses Zylinders wurde von dem restlichen Zylinder abgeschnitten zur Anwendung bei der Abtrennung von Verunreinigungen aus Wasser. Ein geschnittenes Ende des Zylinders wurde in Epoxyharz zur Versiegelung aller Enden der Faser, der zwischen den Fasern liegenden Räume und des Zentrums (der Bohrung) des Zylinders eingelagert. Eine zweite Einlagerung in der Nähe des anderen Endes des Zylinders ergab eine Scheibe des Harzes mit einem Aussenrand, der die Bohrung umschloss und alle Zwischenräume zwischen der Faser, jedoch nicht deren offene Enden, abdichtete. Die wirksame Länge des Zylinders, d.h. die Länge zwischen den Dichtungen, betrug 1,90 cm. Dies ergab etwa 200 Fasern von einer durchschnittlichen Länge von 3,8 cm mit einer Gesamt-

2 aussenfläche (wirksame Fläche) der Hohlfaser von 0,024 m .

Der abgedichtete geschnittene Zylinder (bezeichnet als "Patrone") wurde in ein Gehäuse wie in der Fig. 9 montiert und in einem Ultrafiltrationssystem ähnlich der Fig. 7 verwendet.

Als Fluid wurde Stadtwasser (Wilmington, Delaware) mit einem Verstopfungsfaktor von 95 verwendet, das zu einem Beschikkungstank mit einer Pumpe mit geringer Kapazität geliefert wurde, die eine Umwälzpumpe mit höherer Kapazität bespeiste, die in einem Zirkulationskreislauf lag, der die Filtrationseinheit, den Wärmeaustauscher und ein Auslassventil 133 enthielt. Die Umwälzpumpe presste Wasser (mit einer Geschwindigkeit von 38 l/Min.) durch die Filtrationseinheit. Die Fixessgeschwindigkeit durch den Auslass (d.h. der Auslauf, "bleeding") betrug 4 bis 6 l/Min. Der Druck vor (P^, Messgerät 137) und nach (P_?, Messgerät 139) der Filtrationseinheit, der Fluss des Permeats (ml/Min.) und die Qualität des Permeats aus der Filtrationseinheit, dargestellt durch den Verstopfungsfaktor, wurden gemessen.

Die Einheit wurde betriebsbereit gemacht bzw. konditioniert durch l8-stündiges Arbeiten bei einem Durchschnitt der Überdrücke (P₁ und P₂) von 259 kPa (37,5 psi). 2 g Diatomeen-

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erde wurden anschliessend in den BeSchickungstank gefügt, und der durchschnittliche Druck stieg auf 286 kPa (41,5 psi) an. Das Permeat floss klar, was anzeigte, dass keine Risse vorhanden waren, die einen Durchtritt der Diatomeenerde ermöglichen würden» Nach 19,5-stündigetn Betrieb wurde der Druck geändert auf P₁Zp₂ = 186/138 kPa (27/20 psi).

Der Permeatstrom nahm von 150 auf 95 ml/Min» während der nächsten 47,5 Stunden ab mit einer guten Ausscheidung der Verunreinigungen, was¹ durch die Verstopfungsfaktoren itn Bereich von 9 bis 36 bewertet wurde. Der Betriebsfluss während dieses Arbeitszeitraums betrug 5,68 m /m -Tag (139 gal/ft -Tag) und ist als Kurve 170 in der Fig. 10 aufgetragen»

Die bei der Filtration pro Volumeneinheit Permeat pro Minute angewendete Kraft ist proportional zu dem Produkt des Druckabfalls über die Filtrationseinheit (P₁-P₂) und des Gesaratstroms in der Einheit, dividiert durch den Permeatstrom. Die Kraft war proportional zu 19,2 pro ml Permeat, wie durch die folgende Berechnung bestimmt:

(186-13 8) kPa χ 38 l/Min. 95 ml/Min»

Zu Vergleichszwecken wurde ein handelsübliches Porzellanfilterrohr (Aussendurchmesser 4,77 mm, Innendurchmesser 3,18 mm und 32,7 cm Länge) in ein Rohr (Innendurchmesser etwa 7,9 mm) so montiert, dass eine axiale Strömung der Flüssigkeit durch die Länge des Rohres geschaffen wurde und die Gewinnung des Permeats aus dem offenen Ende des Filterrohres erfolgte. Die

wirksame Fläche der Rohres betrug 0,0049 m , und das Rohr wies eine scheinbare Porosität von etwa 39 %, ein Porenvolumen von 0,169 cm /g, einen modalen Porendurchmesser von 0,85 μ, eine Oberfläche von 1,449 m /g, eine Schüttdichte von 2,05 g/ cm und eine absolute Dichte von 2,92 g/cm auf.

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Stadtwasser wurde durch die Filtereinheit mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 l/Min, unter Rückführung gepumpt. Diese Untersuchung wurde parallel zu der ersten Filtereinheit durchgeführt, jedoch einige Tage später als die vorstehende Untersuchung.

Die Filtration wurde bei P₁Z^₂ ^von 138/103 kPa (2O/l5 psi) begonnen und etwa 6 Stunden lang betrieben, worauf der Druck auf PVpρ ^{= 186}A^{45 kPa} (27/21 psi) eingestellt wurde, unter Bildung eines Permeatstroms von 3 ml/Min. Diese geringe Strömung, entsprechend einem Fluss von 0,88 m /m -Tag (21,6 gal/

ο
ft -Tag) hielt sich konstant während mehr als 48 Stunden. Das Permeat wies einen Verstopfungsfaktor von 50 während dieses Zeitraums auf, der nur gerade noch akzeptierbar war.

Die zur Fiiltration verwendete Kraft war proportional zu 20,5/ml Permeat, bestimmt durch die Gleichung:

(186 -145) kPa χ 1,5 l/Min. 3,0 m/Min.

So ergab ein etwa gleicher Kraftverbrauch pro ml Permeat bei der erfindungsgemässen Arbeitsweise eine mehr als sechsfache Verbesserung des Betriebsflusses, ohne dass dabei die Qualität des Permeats verschlechtert wurde.

Im Hinblick auf diese Verbesserung sei bemerkt, dass das untersuchte handelsübliche Porzellanrohr möglicherweise nicht das beste für die Behandlung des Stadtwassers von Wilmington erhältliche war. Jedoch war auch das erfindungsgemässe Hohl— faser-Netzwerk nicht für diesen Zweck in idealer Weise angepasst worden. Auch wäre es möglich gewesen, den Fluss des handelsüblichen Porzellanrohrs zu verbessern, wenn das Rohr eine unterschiedliche Porengrösse aufgewiesen hätte, jedoch wäre eine derartige Verbesserung auf Kosten der Qualität des Permeats erfolgt, die bereits schlecht war. Zur Verbesserung der

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Qualität des Permeats des untersuchten handelsüblichen Por— zellanrohres hätte eine dynamische Membran verwendet werden können, jedoch wäre hierdurch der Fluss noch weiter verringert worden.

Beispiel 2

Unter Anwendung der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde ein Zylinder aus einem dreidimensionalen Netzwerk einer hohlen Aluminiumoxidfaser hergestellt, jedoch unter Verwendung einer Form mit einem Durchmesser von 1,14 mm und eines zentralen Rohrs von 0,64 mm Innendurchmesser und unter Anwendung der folgenden Extrusionszusammensetzung mit den Bestandteilen des Beispiels 1 und zusätzlich Talkum: 74,1 % Aluminiumoxid, 17,0 % der Harzlösung, 6,3 % Perchloräthylen, 1,3 % Siliconöl und 1,3 % Talkum, mit einer Viskosität bei der Extrusion von etwa 10 P bei 25°C. Das Aufspulrohr wurde auf 306/23 Umdrehungen für jeden Verschiebungszyklus (81,3 cm) gebracht. Der Zylinder wies ein B-Verhältnis von 0,7 bis 1,0 auf. Die Hohlfaser wies einen Aussendurchmesser von 1,27 mm, einen Innendurchmesser von 0,38 mm, eine Schüttdichte von 2,165 g/cm , eine absolute Dichte von 3,58 g/cm , eine scheinbare Porosität von etwa 43 %, einen modalen Porendurchmesser von 0,30 u, ein Porenvolumen von 0,117 cm /g und eine Oberfläche von 1,90 m /g auf. Der Zylinder (4,5 cm Aussendurchmesser und 2,5 cm Innendurchmesser) wurde wie in Beispiel 1 gebrannt.

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde ein 15,0 cm langes vom Zylinder geschnittenes Stück in Epoxyharz eingebettet unter Bildung einer freien Länge von 1,9 cm und einer wirksamen

2
Filterfläche von 0,022 m und einer Packung bzw. Füllung von 728 m /m ; die Patrone wurde in ein Gehäuse wie in der Fig. 9 montiert und diese Filtereinheit mit einem Fluidsystem verbunden.

Die Patrone wurde anschliessend auf Anwesenheit von Rissen untersucht, wobei eine 1%-ige Dispersion von kolloidalem Silici-

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umdioxid (Teilchengrösse < 0,1 μ) durch die Dicke des Zylinders mit 64 l/Min, gepumpt wurde, unter Anwendung einer Rückführungsschleife und ohne Auslauf während 57 Stunden, unter Bildung des Permeatstroms am Ende des Betriebs von 190 ml/Min, bei P /p„ von 234/l86 kPa (34/27 psi) bei 48°C. Das Permeat enthielt etwa 0,1 % Siliciumdioxid, was eine 90%-ige Abweisung und die Anwesenheit von Rissen zeigte. Die Siliciumdi— oxid-Dispersion wurde durch Stadtwasser ersetzt.

Das System wurde kontinuierlich während eines Zeitraums betrieben, währenddem Bedingungen gesucht wurden, die einen akzeptablen Fluss ergaben. Diesbezüglich erschienen Ergebnisse, die man bei 75 bis 78°C und 255 kPa (37 psi) während etwa 5 Tagen erhielt, als brauchbar. Der Fluss nahm von 12 auf 11 m /m -Tag ab, und der Verstopfungsfaktor des Permeats, das mit einer Geschwindigkeit von 165 bis 185 ml/Min, gewonnen wurde, betrug 16 bis 30.

Beispiel 3

Ein Zylinder aus einer Hohlfaser wurde nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 hergestellt, jedoch unter Anwendung der Extrusionszusammensetzung des Beispiels 2, eines Rayon- bzw. Kunstseiden-Garns von 1000 den als Kern und 170/21 Umdrehungen des Aufspulrohrs für jeden Verschiebungszyklus (81,3 cm). Der Zylinder wies ein B-Verhältnis von 1,0 bis 0,7 auf. Die Hohlfaser hatte die gleichen Dimensionen und physikalischen Eigenschaften wie die in Beispiel 2 gemessenen.

Eine Schnittlänge des Zylinders wurde wie in Beispiel 1 eingekapselt unter Bildung einer Patrone mit einer freien Länge von 7,62 cm und einer wirksamen Filtrationsfläche von O,O93m und einer Packung bzw. Füllung von 767 m /m . Die Patrone wurde in ein Gehäuse wie in der Fig. 9 montiert und die resultierende Filtereinheit mit einem Strömungssystem verbunden unter Bildung eines radialen Stroms durch die Patrone bei

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einer teilweisen Rückführung der Beschickungsflüssigkeit.

Stadtwasser (63 C) wurde durch das System mit einer Fliessgeschwindigkeit von 3 7,8 l/Min* gepumpt. Nach etwa 4 Stunden betrug die Strömung des Permeats 230 ml/Min, unter Bildung eines Flusses von 3,6 m /m -Tag (88 GFD) bei P-jA^ ⁼ 165/97 kPa (24/14 psi). Das Beschickungswasser wurde durch eine 3%-ige Lösung von Polyvinylalkohol mit einem Molekulargewicht von etwa 50 000 in Stadtwasser ersetzt, und es wurde weiter filtriert» Das mit einer Geschwindigkeit von 110 ml/Min, erhaltene Permeat enthielt im wesentlichen keinen Polyvinylalkohol, was durch den Brechungsindex analysiert wurde» Der Fluss betrug 1,7 m /m -Tag.

Beispiel 4

Dieses Beispiel zeigt die Anwendung eines dreidimensionalen erfindungsgemäßen Netzwerks mit einer dynamisch beschichteten Membran zur Abtrennung eines Salzes aus seiner Lösung.

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde ein Zylinder aus Hohlfasern hergestellt mit einer leichten Änderung des Verhältnisses der Bestandteile (75,9 % Aluminiumoxid, 17,1 % Harzlösung, 5,7 % Perchloräthylen und 1,3 % Siliconöl) unter Anwendung einer Form von 1,4 mm Durchmesser,mit einem Rohr vom Innendurchmesser 1,07 mm zur Beschickung des Garns von 3000 den und 170/21 Umdrehungen des Aufspulrohrs/Verschiebungszyklus (81,3 cm). Es wurde angenommen, dass die Hohlfaser (Aussendurehmesser 1,27 mm, Innendurchmesser 0,38 mm) die gleichen physikalischen Eigenschaften wie in Beispiel 1 gemessen aufwies.

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde eine aus dem Zylinder geschnittene Länge von 15 cm in ein Epoxy-Polyamid-Harz zur Bildung einer Patrone eingekapselt. Die Patrone wurde wie in der Fig. 9 in ein Gehäuse montiert, wobei jedoch

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die Dämme 164 weggelassen wurden. Diese Filtereinheit wurde mit einem Strömungssystem verbunden, das eine Förderpumpe, einen Druckakkuraulator und eine Rückführungsschleife enthielt« Der Beschickungsbehälter (32 1) wurde mit einer Aufschlämmung gefüllt, die 240 g NaCl₁ 7,2 g ZrOCl₂-8H₂O und 75,7 1 destilliertes Wasser enthielt, das mit HCl auf den pH-Wert 4 eingestellt war. Die Strömung durch das System wurde bei einer Temperatur von 20 C ohne Auslauf begonnen. Während der ersten 2,5 Stunden bei durchschnittlichen Drücken von 1723 bis 6550 kPa (250 bis 950 psi) wurden folgende Materialien in den Beschickungsbehälter gefügt: 12 g Diatomeenerde und 12 g ZrOCIp-8H₂O. Nach 2,5 Stunden wurden 20 ml einer 25%-igen wässrigen Lösung von Polyacrylsäure (Molekulargewicht etwa 150 000) zugesetzt, und die Strömung wurde fortgesetzt. Es wurde ausreichend NaCl in den Beschickungstank gefügt, um 3,5 % NaCl in dem System zu ergeben. Die Leitfähigkeiten der Beschickung und des Perrneats wurden gemessen und die Salzabweisung direkt daraus berechnet. Bei einem durchschnittlichen Druck von 6550 kPa (950 psi) wies das Permeat (20 ml/Min. Strömung) eine Salzabhaltung von 38 % auf.

Weiteres NaCl und destilliertes Wasser wurden unter Bildung einer NaCl-Konzentration von 5 % zugefügt, und es wurden 10 ml der Polyacrylsäurelösung zugesetzt. Die Drucksteigerungsworichtung wurde so eingestellt, dass Druckwellen von ± 1380 kPa (200 psi) bei dem durchschnittlichen angewendeten Druck von 10 000 kPa (1450 psi) erhalten wurden. Dies ergab 20 ml/Min. Permeat mit einer Salzabhaltung von 18 %.

Es wurde weiteres NaCl zugefügt unter Bildung von 8,5 % NaCl in der Beschickung. Bei einem durchschnittlichen Druck von 10 000 kPa (1450 psi) zeigte das Permeat (20 ml/Min.) eine Salzabhaltung von 9 %.

Der pH-Wert der Beschickung stieg von 3 mit der 3,5%-igen NaCl-Lösung auf 6 mit der 8,5%-igen Lösung an.

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Ira Verlauf der vorstehenden Vorführung stieg der Druck bei einer Gelegenheit auf 13 800 kPa (2000 psi) an, ohne dass die Hohlfasern brachen»

Der vorstehende Permeatstrom entsprach einem Fluss von

1,3 m³/m²-Tag (32 GFD) für die 1,9 cm lange Filterpatrone

2 mit einer wirksamen Fläche von 0,022 m und einer Packung bzw. Füllung von 728 m /m .

Dieses Beispiel hätte auch mit einer wärmeren Beschickungsflüssigkeit durchgeführt werden können, wie dies bei heißem Klima in Betracht käme, wo die Beschickungsflüssigkeit 35 C aufweisen könnte und diese Flüssigkeit durch einen langen Pumpweg in dem heißen Klima erwärmt würde, wie z.B. auf 45 C.

Beispiel 5

Es wurde eine keramische Zusammensetzung zur Extrusion hergestellt aus 11,6 Teilen Aluminiumoxidteilchen (A-16 SG, Handelsprodukt der Alcoa, mit einer mittleren Teilchengrösse von 0,5 ji, wobei 90 % der Teilchen < 1,3 u sind), 22,6 Teilen feinstzerklexnertem Talkum mit einer maximalen Teilchengrösse von 12 μ (Desertalc Mikro 707, Handelsprodukt der Desert Minerals, Inc.), 18,4 Teilen eines Kaolinit-Tons (Kaopaque K-IO, Handelsprodukt der Georgia Kaolin Co., mit einer mittleren Teilchengrösse von 1,2 u, wovon 90 % der Teilchen kleiner als 2,5 μ sind) und 47,4 Teilen einer Copolymerlosung, die 12,5 % des Copolymeren von Beispiel 1 in Per— chloräthylen enthält, wobei unter Anwendung der Arbeitsweise von Beispiel 1 gearbeitet wurde.

Die vorstehende Zusammensetzung wurde bei Raumtemperatur um ein Baumwollgarn unter Anwendung der Vorrichtung und des Garns von Beispiel 1 extrudiert.

Das überzogene Garn wurde mit 21,3 m/Min, während 3 Minuten auf ein 23 cm langes Mullit-Rohr mit einem Aussendurchmesser

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von 2,5 cm, umwickelt mit einem feuerfesten keramischen Filz (Fiberfrax), unter Bildung eines Aussendurchmesser von 3,5 cm aufgewiekelt, wobei die Vorrichtung des Beispiels 1 verwendet wurde, dahingehend modifiziert, dass man l547/l5O Umdrehungen des Rohrs für jeden VerSchiebungszyklus (40,6 cm) erhielt. Die Spule des überzogenen Garns (und Rohrs) wurde 16 Stunden an der freien Luft getrocknet und anschliessend in einem Tunnel-Brennofen (während sie in einer waagerechten Lage gestützt wurde) auf 1200 C (kleiner Konus 4) gebrannt und gekühlt während eines Zeitraums von 13 Stunden.

Das (von dem Rohr entfernte) Produkt war ein 19,7 cm langer Zylinder (5,1 cm Aussendurchmesser, 3,2 cm Innendurchmesser) eines einzelnen Fadens einer feuerfesten keramischen Hohlfaser, zusammengesetzt aus Cordierit, α-Aluminiumoxid, Mullit und Enstatit. Die Hohlfaser wies einen Aussendurchmesser von 1,5 mm, einen Innendurchmesser von 0,4 mm, eine Schüttdichte von 1,542 g/cm , eine absolute Dichte, geschätzt als 3,1 g/cm , eine scheinbare Porosität von 55 %, einen modalen Porendurchmesser von 0,80 μ, ein Porenvolumen von 0,311 cm /g und eine Oberfläche von 3,89 m /g auf.

Der Zylinder wurde wie in Beispiel 1 in Epoxyharz eingekapselt unter Bildung einer freien Länge zwischen den Epoxydichtungen von 9,5 cm. Dies ergab etwa 86 Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von 38,1 cm mit einer gesamten wirk-

2 samen Fläche der Hohlfaser von 0,154 m . Die Packung bzw. Füllung des Netzwerks betrug 800 m /m . Die Patrone wurde in ein Gehäuse wie in der Fig. 9 montiert, jedoch ohne jegliche Dämme (164), und in dem Ultrafiltrationssystem des Beispiels (Fig. 7) verwendet. Das System wurde bei einer Fliessgeschwindigkeit von 38 l/Min, durch die Filtrationseinheit bei weitgeöffnetem Auslassventil 133 betrieben. Eine einleitende Untersuchung unter Anwendung einer 1%-igen Dispersion von kolloidalem Siliciumdioxid mit einem durchschnittlichen Druck von 248 kPa (36 psi) zeigte eine 100%-ige Abweisung des Silicium-

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dioxids aus dem Filtrat (280 ml/Min. Fliessgeschwindigkeit). Die Filtration wurde mit einer Strömung von Stadtwasser in den Beschickungstank weitergeführt. Nach 19,5 Stunden wurde der durchschnittliche Druck auf etwa 172 kPa (25 psi) verringert. Bei 44 Stunden zeigte das Filtrat (120 ml/Min.) einen Verstopfungsfaktor von 22» Eine Probe des Filtrats wies nach 90-stündigem Betrieb einen Verstopfungsfaktor von 12 auf. Der Strom des Filtrats entsprach zu diesem Zeitpunkt (118 ml/Min. ) einem Fluss von 1,10 m³/ra²-Tag (27 gal/ft²-Tag).

Beispiel 6

Das Beispiel 5 wurde wiederholt, wobei jedoch die folgenden Änderungen vorgenommen wurden. Das zentrale Rohr für das Baumwollgarn wies einen Innendurchmesser von 0,51 mm auf, und die Aufwickelung auf ein 25 cm langes Mullit-Rohr von einem Aussendurchmesser von 7 cm,das mit einem feuerfesten keramischen Filz umwickelt war, erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 30,48 m/Min, unter Bildung einer Spule von 9,2 cm Aussendurchmesser bei 32,0 Minuten Aufwickelungszeit mit 1547/300 Umdrehungen des Mullit-Rohrs für jeden VerSchiebung szyklus (40,6 cm).

Die Spule aus dem überzogenen Garn wurde getrocknet und anschliessend auf 125O°C (kleiner Konus 6) während eines Zeitraums von 13 Stunden in einem Tunnel-Brennofen gebrannt und gekühlt, und das Mullit-Rohr und der Filz wurden entfernt. Das Endprodukt stellte einen Zylinder von 19,6 cm Länge, einem Aussendurchmesser von 16,3 cm und einem Innendurchmesser von 8,6 cm dar. Die Oberfläche der 975 m Faser (Aussendurchmesser 1,4 mm, Innendurchmesser 0,6 mm), die das Produkt bildete, betrug 4,29 m² (46,2 ft²). Die Packung bzw. Füllung des Produkts betrug 1049 m²/m³ (320 ft²/ft³).

Die Arbeitsweise dieses Beispiels kann unter Anwendung eines kleineren Kerns bzw. Doms (Mullit-Rohr plus Umhüllung)

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durchgeführt werden unter Bildung eines Netzwerks von 14,7 cm Aussendurchraesser, 5,0 cm Innendurchmesser und 19,6 cm Länge mit einer Packung bzw. Füllung von 1290 m /m .

Es versteht sich, dass in der vorliegenden Beschreibung nicht sämtliche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden konnten, was jedoch keine Beschränkung darstellen soll.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein dreidimensionales Netzwerk aus einer starren, porösen Hohlfaser aus anorganischem Material mit einer hohen Flusskapazität bei der Behandlung von Fluiden zu Trennzwecken. Das Netzwerk wird hergestellt durch Überziehen eines kontinuierlichen brennbaren Kerns mit einer Paste aus dem anorganischen Material, Formen des resultierenden überzogenen Kerns zu einem Netzwerk, worauf der überzogene Kern zur Verbrennung des Kerns und zum Sintern des Überzugs zu einer starren, porösen Hohlfaser gebrannt wird.

Ende der Beschreibung

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Selbsttragende einheitliche Struktur aus einer starren, porösen anorganischen Hohlfaser, angeordnet in einem dreidimensionalen Netz\T?erk aus der sich durch die Dicken-Dimension des Netzwerks kreuzweise überlagernden Hohlfaser, wobei sich das kreuz und quer verlaufende Muster der Hohlfaser in den Längen- und Breiten-Dimensionen erstreckt, und das dreidimensionale Netzwerk der Hohlfaser gewundene Wege für eine Flüssigkeit bildet, die durch die Dicken-Dimension des Netzwerks kommuniziert.

2. Struktur nach Anspruch 1, in der die Hohlfaser in Schichten durch die Dicken-Dimension angeordnet ist, wobei die Hohlfaser in jeder Schicht in räumlichem Abstand voneinander verlauft und die Hohlfaser in benachbarten Schichten sich überkreuzt und in Kontakt miteinander befindet, wobei die Hohlfaser durch die Dicken-Dimension in ausreichender Weise nicht in Register gehalten wird bzw. in gestaffelter Anordnung gehalten wird, um die gewundenen Wege ζλι bilden.

3. Struktur nach Anspruch 1, worin die Hohlfaser aus Keramik besteht.

4. Struktur nach Anspruch 1, worin die Hohlfaser einen Aussendurchmesser von nicht über etwa 0,3175 cm (0,125 inch) aufweist.

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5. Struktur nach Anspruch 1, worin die Hohlfaser frei von Bindungen mit sich selbst ist.

6. Struktur nach Anspruch 1 mit einer Packung bzw. Füllung von mindestens 490 m /m .

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QP-2160

Γ7.J Verfahren zur Abtrennung von Material aus einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit durch eine Trennvorrichtung strömen lässt, die eine grössere Permeabilität für die Flüssigkeit aufweist als für das Material und ein dreidimensionales Netzwerk einer starren, sich durch die Dicken-Dimension des Netzwerks kreuzweise überlagernden porösen anorganischen Hohlfaser enthält, wobei sich das kreuz-und Quer-Muster der Hohlfaser in den Längen- und Breiten-Dimensionen des Netzwerks erstreckt und der Flüssigkeitsstrom durch die Dicken-Dimension des Netzwerks verläuft, wobei das Netzwerk gewundene Wege für die durch seine Dicken-Dimension strömende Flüssigkeit bildet, wodurch Flüssigkeit mit einer verringerten Konzentration an dem Material durch die Wand der Hohlfaser permexert, wobei man. die permeJCerte Flüssigkeit aus dem Inneren der Hohlfaser und getrennt davon das resultierende Konzentrat des Materials gewinnt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einem Material in Form von teilchenförmigen Feststoffen arbeitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einem Material arbeitet, das in der Flüssigkeit gelöst ist, und dass man die Hohlfaser von aussen nach innen einem Druckgefälle von mindestens etwa 8300 kPa (1200 psi) unterzieht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einer Flüssigkeit mit einer Temperatur von mindestens 40°C arbeitet.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Hohlfaser einsetzt, die an ihrer Oberfläche eine Membran mit einer grösseren Permeabilität für die Flüssigkeit als für das Material aufweist.

12. Struktur nach Anspruch 1, worin die Hohlfaser ein polykristallines feuerfestes Oxid ist.

13. Struktur nach Anspruch 12, worin das feuerfeste Oxid ausgewählt ist aus AIpO₃, Mullit, SiO₂, Cordierit, MgO, Spinell, Forsterit, Enstatit oder Gemischen davon.

14. Struktur nach Anspruch 1, worin die Hohlfaser durch Sintern starr bzw. steif gemacht wurde.

15. Struktur nach Anspruch 1,. worin die Hohlfaser eine scheinbare Porosität von mindestens 35 % aufweist.

16» Struktur nach Anspruch 15, worin die Hohlfaser ausreichend kräftig ist, um einem Druckdifferential von mindestens 13 800 kPa.(2000 psi) zu widerstehen.

17. Struktur nach Anspruch 1 mit einer Oberfläche von mindestens 0,929 m² (10 ft²).

18. Struktur nach Anspruch 1, in der die Hohlfaser einen Aussendurchmesser von mindestens 0,0635cm · (0,025 inch) aufweist.

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