DE2932194A1 - Roehrenmembranfiltrationsmodul - Google Patents
RoehrenmembranfiltrationsmodulInfo
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Röhrenmer>.branfiltrationsmodul mit
einem äußeren Zylinder und einer Mehrzahl von wasserdurchlässigen Faservliesröhren, die eine an ihrer Innenseite ausgebildete permeable
Membran und nahezu die gleiche Länge wie der äußere Zylinder aufweisen, wobei diese Faservliesröhren in den äußeren Zylinder
in eine eng gebündelte Lage mit ihren offenen Enden gleich mit den Enden des äußeren Zylinders angeordnet eingeführt sind,
und die Zwischenräume zwischen dem äußeren Zylinder und den Faservliesröhren an beiden Endteilen des äußeren Zylinders mit gehärtetem
synthetischem Harz gefüllt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Röhrenmeinbranf iltrationsmodul mit einer Mehrzahl
von röhrenförmigen durchlässigen Membranen, der zur Behandlung von Rohflüssigkeiten unter verhältnismäßig niederem Druck, wie
etwa Ultrafiltration, Mikrofiltration usw. geeignet ist.
Verschiedene permeable Membranen, wie etwa Wechselosmonemembranen,
Ultrafiltrationsmembranen, Mikcofiltrationsmembranen usw. wurden
wegen ihrer selektiven Permeabilität eingesetzt. Die Bedingungen für ihren Gebrauch und ähnliches sind z.B. in den U.S. Patenten
3,133,132, 3,526,588 und 3,567,810 beschrieben. Röhrenmembranfiltrationsmodule,
die mit diesen Membranen ausgerüstet sind, werden in vielen Bereichen verwendet, wie etwa in der Erzeugung von
Frischwasser aus Seewasser (Entsalzung), Kondensation von Kolloiden, Behandlung von Abwasser und ähnlichem, wie es z.B. in verschiedenen
Forschungs- und Entwicklungsberichten beschrieben ist, die von dem Office of Saline Water (OSW), U.S.A. herausgegeben
werden.
In herkömmlichen Röhrenmembranfiltrationsmodulen bzw. Tubularmembranfiltrationsmodulen
wird die permeable Membran von einem porösen FRP-Rohr getragen, wie es z.B. in dem Forschungs- und Entwicklungsbericht
Nr. 531 von Rozelle L.T. et al des Office of
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Saline Water gezeigt ist, oder von einem perforierten rostfreien Stahlrohr, wie es z.B. in S. Loeb, Desalination, 1, S.35 (1966)
gezeigt ist. Diese herkömmlichen Röhrenmembranfiltrationsmodule
weisen eine ziemlich außerordentliche Qualität auf, die unnötigerweise
die Behandlungskosten erhöhen. Wenn diese Röhrenmembranfiltrationsmodule unter verhältnismäßig niedrigem Druck angewandt
werden, z.B. ungefähr 10 kg/cm oder weniger, wie etwa für die Ultrafiltration oder Mikrofiltration, ist es für den Modul nicht
nötig, eine solch gute Druckwiderstehungseigenschaft aufzuweisen.
Ferner sind in den herkömmlichen Röhrenmembranfiltrationsmodulen
die permeablen Membranen und die porösen Stützrohre an den Enden mittels Dichtungen, Aufnahmehülsen oder anderen Dichtelementen
abgedichtet, wie es z.B. in dem Forschungs- und Entwicklungsbericht Nr. 993 des Office of Saline Water gezeigt ist. Jedoch ist es
bei der Verwendung dieser Elemente schwierig, die röhrenförmigen permeablen Membranen zu bündeln, was dazu führt, daß die Membranfläche
pro Volumeneinheit des Moduls klein ist. Ferner wird die Querschnittsfläche eines Durchflußdurchganges in dem Modul an dem
abgedichteten Teil vermindert, und es tritt leicht ein Druckverlust auf, der die Leistungsfähigkeit des Moduls und den Fluß durch
die Membran reduziert.
Andererseits wurden Hohlfaser- (wie es z.B. in dem U.S. Patent
3,228,876 offenbart ist) oder Spiral- (wie es z.B. in dem U.S. Patent 3,367,504 offenbart ist) Membranfiltrationsmodule entwikkelt,
um die Leistungsfähigkeit der Membranfiltrationsmodule zu verbessern und insbesondere die Membranflache pro Volumeneinheit
des Moduls zu erhöhen. Jedoch verstopfen diese Module leicht und sind schwierig physisch auszuwaschen, wie etwa durch Verwendung
einer Schwammkugel zum Vermeiden von Wassersteinsatz. Folglich ist es zur Benutzung solcher Module notwendig, die Rohflüssigkeit
vorzubehandeln, was wiederum die Kosten erhöht. Ferner sind die eingangs beschriebenen Membranfiltrationsmodule aus einer großen
Anzahl von Elementen aufgebaut, wie etwa Tragrohre für permeable
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Membranen/ Dichtungen, Aufnahmehülsen, Kopfstücke usw., wodurch
sie schwierig herzustellen und teuer sind.
Autjabe der Erfindung ist es, die eingangs beschriebenen Nachteile
der herkömmlichen Membranfiltrationsmodule zu beseitigen. Weiter soll ein Röhrenmembranfiltrationsmodul geschaffen werden, der zum
Gebrauch unter verhältnismäßig niedrigem Druck (wie etwa zur Ultrafiltration, Mikrofiltration usw.) geeignet ist, der eine
vereinfachte Struktur aufweist und leicht und billig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Röhrenmembranfiltrationsmodul der eingangs beschriebenen Art gelöst, der gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Enden der Faservliesröhren und der permeablen Membranen, die den Enden der Faservliesröhren benachbart
sind, mit einem synthetischen Harz umhüllt sind, das dasselbe oder verschieden von dem synthetischen Harz sein kann, das den Zwischenraum
zwischen dem äußeren Zylinder und den Faservliesröhren füllt, die permeable Membran einen Innendurchmesser von ungefähr
4 bis 25 mm aufweist, und die Tiefe der permeablen Membran an der dem offenen Ende der Faservliesröhre benachbarten Innenseite, die
mit dem synthetischen Harz umhüllt ist, kleiner als die Tiefe der Außenseite mit synthetischem Harz der Faservliesröhre ist.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Röhrenmembranfiltrationsmoduls
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt des Rohrendes in dem
Modul gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Moduls gemäß der Erfindung.
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Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, umfaßt ein erfindungsgemäßer Röhrenmembranfiltrationsmodul einen äußeren Zylinder 1 und eine
Mehrzahl von wasserdurchlässigen Faservliesröhren 3 mit nahezu der gleichen Länge wie der äußere Zylinder, und weist eine permeable
Membran 2 auf, die an deren Innenseite gebildet ist und in den äußeren Zylinder in eine eng gebündelte Lage eingeführt ist,
so daß ihre offenen Enden gleich mit dem äußeren Zylinder sind, in dem Räume an den beiden Endteilen des äußeren Zylinders mit
einem synthetischen Gußharz 4 zur Befestigung der Faservliesröhren gefüllt sind.
In der vorliegenden Erfindung ist die permeable Membran 2 einstückig
auf der Innenseite der Faservliesröhre 3 zu einem Körper ausgebildet, so daß sie große Widerstehungseigenschaften bzw. Beständigkeit
gegen negativen Druck (Druck, der die Wände der Röhre nach innen zieht) aufweist. Die so gebildete röhrenförmige permeable
Membran 2 weist im wesentlichen einen Innendurchmesser von ungefähr 4 bis 25 mm auf, vorzugsweise ungefähr 7 bis 13 mm. Wenn
der Innendurchmesser der röhrenförmigen permeablen Membran 2 kleiner als ungefähr 4 mm ist (was einer Hohlfasermembran entspricht),
kann ein Verstopfen auftreten, und ein physisches Waschen wie etwa mit einer Schwammkugel kann nicht ausgeführt werden. Andererseits
wenn der Innendurchmesser der röhrenförmigen permeablen Membran 2 mehr als ungefähr 25 mm ist, wird das Verhältnis der Membranflache
zum Röhrendurchmesser relativ klein, und die Druckbeständigkeit ist manchmal ungenügend. Ferner ist die Dicke der permeablen Membran
im wesentlichen ungefähr 100 bis 300 yum.
Jede handelsübliche Membran kann als die permeable Membran 2 der Erfindung verwendet werden. Geeignete Beispiele solcher permeabler
Membranen sind die aus Polyamiden (z.B. "Nomex", ein Produkt der
E.I. Du Pont Co.), Polyimiden (wie es z.B. in den U.S. Patentanmeldungen
Nr. 961,167 und 961,168 beschrieben ist), Verseifungsprodukten von Äthylen-Vinylazetatmischpolymeren, Zelluloseazetaten,
Polyacrylnitrilen, Polyvinylchloriden und ähnlichem.
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Die Faservliesröhren 3 und der äußere Zylinder 1 sind so angeordnet,
daß sie einander nicht berühren, und die Zwischenräume zwischen ihnen sind mit einem synthetischen Gußharz 4 an den Endteilen
des Moduls gefüllt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. So ist ferner Wasserdichtigkeit bzw. eine Abdichtung gegen Wasser sichergestellt.
Ferner braucht das Faservlies 3 nicht genau die gleiche Länge wie der äußere Zylinder 1 aufzuweisen, sondern es genügt,
wenn seine Länge annähernd dieselbe wie die des äußeren Zylinders ist. Es ist leicht zu ersehen, daß beispielsweise der erfindungsgemäße
Membranfiltrationsmodul erhalten werden kann, sogar wenn die Länge der Faservliesröhre ungefähr 10 mm kürzer als die des
äußeren Zylinders ist.
Da die Faservliesröhren 3, an deren Innenseite eine permeable Membran 2 ausgebildet ist, vorzugsweise Polyester-Faservliesröhren
sind, obwohl auch Faservliesröhren, die aus Polyäthylenen, Polypropylenen oder Polyamiden zusammengesetzt sind, verwendet
werden können, so lange sie eine ausreichende Festigkeit unter
2 relativ niedrigem Druck, z.B. ungefähr 10 kg/cm oder weniger,
unter dem Ultrafiltration oder Mikrofiltration ausgeführt wird, aufweisen, treten solche Schwierigkeiten, wie z.B. Durchbrüche
während des Betriebs nicht auf. Die Faservliesröhre kann aus einer einzigen Schicht oder aus mehreren Schichten hergestellt sein.
Die erfindungsgemäße Faservliesröhre weist im wesentlichen eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 1 mm auf. Ferner sind die von der Faservliesröhre im wesentlichen benötigten Eigenschaften die, daß
die Porösität ungefähr 25 bis 95% und der Durchfluß (Wasserdurch-
2 lässigkeitsrate) ungefähr 1 bis 1.000 m//cm /min unter einem
2
Druck von 1 kg/cm ist.
Druck von 1 kg/cm ist.
Diese Faservliesföhren 3 sind eng aneinander gebündelt, so daß ihre offenen Enden gleich sind, und sie sind in den äußeren Zylinder
1, der nahezu die gleiche Länge aufweist, eingeführt. Es gibt keine Begrenzung der Anzahl der verwendeten Faservliesröhren, aber
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aus praktischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten werden 3
bis 15 Röhren im wesentlichen verwendet. Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Ausführungsform, in der sieben Faservliesröhren in den äusseren
Zylinder 1 eingeführt sind, und Fig. 4 zeigt die Ausführungsform, in der vier Faservliesröhren in den äußeren Zylinder
1 eingeführt sind.
Die Zwischenräume an beiden Endteilen der Röhren sind mit dem
synthetischen Harz 4 gefüllt, und das Harz ist in einer Form gußgehärtet (ausgehärtet), durch die die Faservliesröhren 3 aneinander
geklebt und an dem äußeren Zylinder 1 befestigt sind.
Beispiele für das synthetische Harz 4 sind Epoxydharze (z.B. Epicoat $828, ein Produkt der Shell Chemical Co.), Polyesterharze,
härtbare Epoxyakrylatharze und ähnliches. Von diesen werden die Epoxydharze bevorzugt.
Als äußerer Zylinder 1 kann eine Eisenröhre, eine rostfreie Stahlröhre, eine FRP-Röhre aus einer Thermoplastharzröhre usw.
geeigneterweise verwendet werden. Von diesen ist die Röhre aus
synthetischem Harz, wie etwa einer Polyvinylchloridröhre, eine Akrylharzröhre oder eine Polykarbonatharzröhre zur Verwendung in
der Erfindung geeignet, weil eine solche billig und leicht ist.
Beide Endteile der Faservliesröhren 3 mit der an ihren Innenseiten
gebildeten permeablen Membran 2 sind mit dem oben beschriebenen synthetischen Harz 4 bedeckt, so daß die Außenseite des offenen
Endes der Faservliesröhren 3 und die Umgebung des offenen Endes der permeablen Membran 2 zu deren Schutz vor der Rohfltissigkeit
bedeckt sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Falls die permeable Membran 2 an den offenen Enden der Faservliesröhre freigelegt
ist, wird die permeable Membran manchmal von der Faservliesröhre an den offenen Enden getrennt, wenn die Rohflüssigkeit gegen
das offene Ende der Faservliesröhre mit hoher Geschwindigkeit
läuft, oder die Röhre wird physischer Abnutzung unterworfen, wie
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etwa während des Waschens mit einer Schwammkugel usw. Im Gegensatz
dazu, wo die offenen Enden der Faservliesröhre mit dem Harz zusammen mit der permeablen Membran wie oben beschrieben bedeckt
ist, findet eine Trennung der permeablen Membran nicht statt.
Die Schichtdicke des Harzes an den offenen Enden der Faservliesröhren
und der permeablen Membranen und an der Innenseite der permeablen Membran ist im wesentlichen ungefähr 200 yum oder weniger,
und eine solche Dicke kann vernachlässigt werden im Vergleich zum Durchmesser der Röhre. Ferner muß, wie in Fig. 3 gezeigt
ist, die Innenseitentiefe (1^) angrenzend an das offene
Ende der permeablen Membran, die mit dem synthetischen Gußharz beschichtet ist, schmaler als die Außenseitentiefe L1 des synthetischen
Gußharzes sein. Ferner ist die Länge L1 - L2 der permeablen
Membran für die Filtration wirksam.
Die Enden der Faservliesröhren und der durchlässigen Membran und die den offenen Enden benachbarte Innenseite der durchlässigen
Membranen können mit von dem synthetischen Gußharz zwischen den Vliesröhren verschiedenen Harzen beschichtet bzw. umhüllt sein.
In diesem Fall werden die Zwischenräume zwischen den Röhren zuerst mit einem synthetischen Harz gefüllt und dann die Enden der
Faservliesröhren und permeablen Membranen und die die offenen Enden benachbarte Innenseite der permeablen Membranen mit von
dem ersten synthetischen Harz verschiedenen Harzen beschichtet, unter Verwendung von beispielsweise einer Bürste.
Zur Behandlung der Rohflüssigkeit, die den erfindungsgemäßen Röhrenmembranseparationsmodul
verwendet, wird die Rohflüssigkeit in die Faservliesröhren 3 eingeführt und dann zu einem nachfolgenden
Modul durch einen in den Figuren nicht gezeigten Rohransatz, einen
180° Umkehrrohrbogen oder ähnliches befördert. Andererseits wird das Filtrat, das durch die permeablen Membranen 2 durchgeht,
von dem Zwischenraum zwischen den Faservliesröhren und dem äußeren Zylinder 1 zur Außenseite des Moduls durch einen Durchlaß 5
geführt.
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- ίο -
Der erfindungsgemäße Röhrenmembranfiltrationsmodul hat einen sehr einfachen Aufbau, so daß eine Mehrzahl von Faservliesröhren
mit permeablen Elementen auf ihrer Innenseite in den äußeren Zylinder
hinein in eine Lage eingeführt werden, in der ihre offenen Enden gleichförmig angeordnet und an beiden Enden durch das
ausgehärtete synthetische Harz befestigt sind. Dennoch ist es zur
ο
Verwendung unter verschiedenen kg/cm -Drücken verwendbar, z.B.
Verwendung unter verschiedenen kg/cm -Drücken verwendbar, z.B.
2
ungefähr 4 kg/cm , und weist ausreichenden Widerstand gegenüber negativem Druck auf. Folglich ist es als Röhrenmembranfiltrationsmodul zur Ultrafiltration oder Mikrofiltration geeignet.
ungefähr 4 kg/cm , und weist ausreichenden Widerstand gegenüber negativem Druck auf. Folglich ist es als Röhrenmembranfiltrationsmodul zur Ultrafiltration oder Mikrofiltration geeignet.
Da das Modul der vorliegenden Erfindung eine einfache Struktur aufweist und keine Dichtungen, Aufsteckhülsen und andere verschiedene
Teile benötigt, kann es nicht nur leicht und billig hergestellt werden, sondern hat auch verschiedene Vorteile verglichen
mit den herkömmlichen Röhrenmembranfiltrationsmodulen oder Hohlfasermodulen.
Als erstes, da die Röhrenmembranen im Unterschied zu herkömmlichen
Röhrenmembranfiltrationsmodulen eng gebündelt sind, besteht ein
Vorteil darin, daß die Membranfläche pro Volumeneinheit des Moduls bemerkenswert zunimmt. Als zweites, da die Abdichtung der
Endteile der Faservliesröhren im wesentlichen nur durch Füllen der Außenseite der Faservliesröhren mit dem synthetischen Harz
hergestellt wird (die innere Beschichtung ist sehr dünn und kann vernachlässigt werden), wird die Querschnittsfläche des Durchgangs
an den abgedichteten Teilen nicht vermindert, und der Druckverlust ist bemerkenswert gering. Folglich kann die Rohflüssigkeit
mit hoher Durchflußgeschwindigkeit zugeführt werden, und Wassersteinsatz
und sonstige Ablagerungen können verhindert werden.
Ferner kann in dem erfindungsgemäßen Röhrenmembranfiltrationsmodul
physisches Waschen wie etwa mit einer Schwammkugel im Gegensatz zu den herkömmlichen Hohlfasermodulen ausgeführt werden, und
er kann lange Zeit verwendet werden. Ferner kann der erfindungs-
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gemäße Modul als Wegwerfmodul verwendet werden, weil seine Herstellungskosten
niedrig sind.
überdies können, da das Faservlies kompatibel mit dem synthetischen
Gußharz ist, da das Faservlies porös ist, die Endteile der Faservliesröhren vollständig abgedichtet werden. Zusätzlich kann,
da das Faservlies selbst Wasserbeständigkeitseigenschaften hat, das Trocknen der permeablen bzw. durchlässigen Membran während
des Aufbewahrens leicht verhindert werden.
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Claims (8)
1. Rohrenmembranfiltrationsmodul mit einem äußeren Zylinder und
einer Mehrzahl von wasserdurchlässigen Faservliesröhren, die eine an ihrer Innenseite ausgebildete permeable Membran und nahezu die
gleiche Länge wie der äußere Zylinder aufweisen, wobei diese Faservliesröhren in den äußeren Zylinder in eine eng gebündelte
Lage mit ihren offenen Enden gleich mit den Enden des äußeren Zylinders angeordnet eingeführt sind, und die Zwischenräume zwischen
dem äußeren Zylinder und den Faservliesröhren an beiden Endteilen des äußeren Zylinders mit gehärtetem synthetischem Harz
gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Faservliesröhren (3) und der permeablen Membranen (2), die den Enden der
Faservliesröhren benachbart sind, mit einem synthetischen Harz (4) '.-Jtihüllt sind, das dasselbe oder verschieden von dem synthetischen
Harz (4) sein kann, das den Zwischenraum zwischen dem äußeren Zylinder (1) und den Faservliesröhren (3) füllt, die permeable
Membran (2) einen Innendurchmesser von ungefähr 4 bis 25 mm aufweist,
und die Tiefe der permeablen Membran an der dem offenen Ende der Faservliesröhre (3) benachbarten Innenseite, die mit dem synthetischen
Harz umhüllt ist, kleiner als die Tiefe der Außenseite mit synthetischem Harz der Faservliesröhre ist.
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2. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faservliesröhren (3) aus Polyestern, Polyäthylenen, Polypropylenen oder Polyamiden zusammengesetzt sind.
3. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtdicke des synthetischen Gußharzes (4)
an den offenen Enden und auf der Innenseite der Faservliesröhren ungefähr 200 /um oder weniger ist.
4. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Modul 3 bis 15 der Faservliesröhren (3) umfaßt, die eine an ihrer Innenseite ausgebildete permeable Membran aufweisen.
5. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die permeable Membran (2) einen Innendurchmesser
von ungefähr 7 bis 13 mm aufweist.
von ungefähr 7 bis 13 mm aufweist.
6. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faservliesröhre (3) aus einem Material aufge-
2 baut ist, das ausreichend ist, um Drücken von ungefähr 10 kg/cm
zu widerstehen.
7. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faservliesröhre (3) eine Porösität von ungefähr 25 bis 95% und eine Wasserdurchlässigkeitsrate von ungefähr 1 bis
2 2
1.000 ml/cm /min unter einem Druck von 1 kg/cm aufweist.
8. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die permeable Membran (2) ungefähr 100 bis 3OO /u
dick ist.
dick ist.
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