DE2932194C2

DE2932194C2 - Röhrenmembranfiltrationsmodul

Info

Publication number: DE2932194C2
Application number: DE2932194A
Authority: DE
Inventors: Hisashi Ibaraki Osaka Ichinose; Norio Ikeyama; Shusaku Tamaru; Noriaki Yoshioka
Original assignee: Nitto Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1978-08-09
Filing date: 1979-08-08
Publication date: 1992-09-24
Also published as: US4747946A; US4707261A; DE2932194A1; JPS5524563A; BE878126A; JPS5635493B2; US4747946B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Röhrenmembranfiltrationsmodul gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Röhrenmembranfiltrationsmodule sind zur Behandlung von Rohflüssigkeiten unter verhältnismäßig niederem Druck, wie etwa Ultrafiltration, Mikrofiltration usw. geeignet und sind beispielsweise aus der DE-OS 24 30 988 bekannt.

Verschiedene permeable Membranen, wie etwa Umkehrosmosemembranen, Ultrafiltrationsmembranen, Mikrofiltrationsmembranen usw. wurden wegen ihrer selektiven Permeabilität eingesetzt. Die Bedingungen für ihren Gebrauch und ähnliches sind z. B. in den US-Patenten 31 33 132, 35 26 588 und 35 67 810 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), USA herausgegeben werden.

In herkömmlichen Röhrenmembranfiltrationsmodu-Ien bzw. Tubularmembranfiltrationsmodulen wird die permeable Membran von einem porösen Rohr oder von einem perforierten rostfreien Stahlrohr getragen, wie es z. B. in S. Loeb, Desalination, I, 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/cm² 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 US-Patent 32 28 876 offenbart ist) oder Spiral- (wie es z. B. in dem US-Patent 33 67 504 offenbart ist) Membranfiltrationsmodule entwickelt, um die Leistungsfähigkeit der Membranfiltrationsmodule zu verbessern Und insbesondere die Membranfläche 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 EIementen aufgebaut, wie etwa Tragrohre für permeable Membranen, Dichtungen, Aufnahmehülsen, Kopfstücke usw., wodurch sie schwierig herzustellen und teuer sind.

Wenn die permeable Membran 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 etwa während des Waschens mit einer Schwammkugel usw.

Aufgabe 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 und der dabei trotzdem an seinen Enden so abgedichtet ist, daß ein Ablösen der Membran vom Vliesrohrende mit Sicherheit vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Röhrenmembranfiltrationsmodul gemäß Anspruch 1 gelöst.
Da im Gegensatz zum Stand der Technik die offenen Enden der Faservliesröhre zusammen mit denen der permeablen Membran mit Harz bedeckt sind, findet ein Ablösen 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 vorzugsweise ungefähr 200 μΐη oder weniger, und eine solche Dicke kann vernachlässigt werden im Vergleich zum Durchmesser der Röhre. Ferner ist die Innenseiten-

tiefe (Lt) angrenzend an das offene Ende der permeablen Membran, die mit dem synthetischen Gußharz beschichtet ist, schmaler als die Außenseitenriefe L\ des synthetischen Gußharzes. Die Längendifferenz L\ — L₂. der permeablen Membran ist 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 gleichen oder verschiedenen Harzen beschichtet bzw. umhüilt sein. Im letzteren 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.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Röhrenmembranfiltrationsmoduls gemäß der Erfindung;

Fig.2 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;

F i g. 3 einen vergrößerten Längsschnitt des Rohrendes in dem Modul gemäß der Erfindung; und

F i g. 4 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Moduls gemäß der Erfindung.

Wie in den F i g. 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.

Die permeable Membran 2 ist 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 einen Innendurchmesser von 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 Membranfläche zum' Röhrendurchmesser relativ klein, und die Druckbeständigkeit ist manchmal ungenügend. Ferner ist die Dicke der permeablen Membran im wesentlichen ungefähr 100 bis 300 μίτι.

Jede handelsübliche Membran kann verwendet werden. Geeignete Beispiele solcher permeabler Membranen sind die aus Polyamiden, Polyimiden, Verseifungsprodukten von Äthylen- Vinylazetatmischpolymeren, Zelluloseazetaten, Polyacrylnitrilen, Polyvinylchloriden und ähnlichem.

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 Fi g. 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 t aufzuweisen, sondern es genügt, wenn seine Länge annähernd dieselbe wie die des äußeren Zylinders ist. Es ist leicht zu ersehen, daß

ίο beispielsweise der erfindungsgemäße Membranffitrationsmodul 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 relativ niedrigem Druck, z. B. ungefähr 10 kg/ cm² 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 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 (Wasserdurchlässigkeitsrate) ungefähr 1 bis 1000 ml/cm²/min unter einem Druck von 1 kg/cm² ist.

Diese Faservliesröhren 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 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 Polyvinylchlroridrchre, 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

Rohflüssigkeit bedeckt sind, wie es in F i g. 3 gezeigt ist. 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.

Der erfindungsgemäße Röhrenmembranfiltrationsmodul hat einen sehr einfachen Aufbau, so daß eine Mehrzahl von Faservliesröhren mit permeablen EIementen 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 Verwendung unter verschiedenen kg/cm²-Drücken verwendbar, z. B. ungefähr 4 kg/ cm², 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 erfindungsgemäße 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Röhrenmembranfiltrationsmodul 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 einer eng gebündelten 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, und wobei die permeable Membran einen Innendurchmesser von einigen mm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der die Rohrflüssigkeit führenden Faservliesröhren (3) und der permeablen Membranen (2), die den Enden der Faservliesröhren benachbart sind, mit einem synthetischen Harz (4) umhüllt sind, wobei die Tiefe (L2), bis zu welcher sich die Harzumhüllung der Membran an deren Innenseite axial einwärts erstreckt, kleiner ist als die Tiefe (L\), bis zu welcher sich die Harzumhüllung an der Außenseite der Faservliesröhre axial einwärts erstreckt und daß der Innendurchmesser der permeablen Membran (2) 4 bis 25 mm beträgt.

2. Röhrenmembranfiltrationsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des synthetischen Harzes (4) an den offenen Enden und auf der Innenseite der Faservliesröhren ungefähr 200 μίτι oder weniger ist.