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Verfahren zur Membranfiltration und Vorrichtung
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zu deren Durchführung Anwendungsgebiet der Erfindung Die erfindung
bezieht sich auf das (;ebiet der Stofftrennung mittels Membranen, insbesondere die
Ultrafiltration und die Umkehrosmose, Ihr Einsatz ist zweckmäßig, wenn die Konzentrationsolarisation
hohe inerte erreicht, es zu Ablagerungen auf der membran kommt und wenn Partikel
in der Lösung enthalten sind oder wähiend der Membranfiltration entstehen.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen bs ist bekannt,
daß die bei der Membranfiltration zwangsläufig auftretende l'Jnzentrationspolarisation
durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit der ueber die Membran fließenden Lösung
vermindert werden kann. Dem sind jedoch durch steigenden Druckverlust und entsprechend
steigenden Energieaufwand Grenzen gesetzt. Außerdem kann dadurch die Entstehung
von Äblagerungen oft nicht mit Sicherheit verhindert werden.
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Bekannt ist ferner, daß durch periodisch durchgeführte Spülprozesse
mit ausgewählten Reinigungsmitteln die auf den Membranen abgelagerten Stoffe entfernt
werden können, so daß die Anfangskapazität der anlage wieder kurzzeitig erreicht
wird.
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Spülprozesse vermindern jedoch die technologische Nutzungsdauer der
Apparatur und verursachen zusätzliche Kosten für Chemikalien. Es entstehen Probleme
hinsichtlich der Verwendung des beim SpUlen anfallenden Filtrats und der restlichen
Spülmittellosung
nach Beendigung des opülens. Schließlich steigt
der Bedienungsaufwand.
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Bekannt ist auch der Einsatz von Reinigungskörpern fir die Reseitigung
bzw. Verhinderung von Ablagerungen auf der Membran.
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Dieses Verfahren muß jedoch auf apparate mit rohrförmigen Membranen
beschränkt bleiben, die viederum andere Nachteile aufweisen.
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Es ist auch bekannt, dsß durch eine gründliche Vorbehandlung Ablagerungen
weitgehend vermeidbar sind. Diese Vorbehandlung ist jedoch meist sehr aufwendig
und erh;jht die Gesamtkosten des Verfahrens. Bekannt wurde in einigen speziellen
i?ällen die Zu-Ordnung solcher stofftrennverfahren zur Membranfiltration, die den
selektiven Entzug vorhandener und entstehender Partikel aus dem embrnfiltrationseislauf
erlauben.
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Speziell betrifft das einmal die Sinschaltung eines Schverkraftebscheiders
in den L5sunÕsstrom, dessen Wirksamkeit jedoch oft zu gering ist, und zum anderen
die ausnutzung des Restdrukkes der Lösung, die die Membrantrenneinheit verlaßt,
zum Betreiben eines Ejektors mit anschließender Flotation, die aber nur die Äbscheidun6
der Partikel gewährleistet, die nicht in der Trenneinheit haftengeblieben sind (U-PS
3917526).
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Aus der US-PS 3794169 ist bekannt, der zu filtrierenden Flüssigkeit
ruft im ftberschuß zuzugeben. In bestimmten Abständen erfolgt eine Druckentlastung
des ?l'ssigkeit-Luft-Gemisches in der Trenneinheit. Dadurch wird kurzzeitig eine
erhebliche Erhöhungides Volumenstromes in der Trenneinheit hervorgerufen.
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Die an der Membranoberfläche haftenden festen oder gelartigen Stoffe
werden durch die große Scherkraft abgetrennt und aus der Trenneinheit in den Vorratsbehälter
der zu filtrierenden Flüssigkeit gespult. Der Nachteil dieser Verfahrensweise liest
darin, daß durch die Rückführung der abgespülten Stoffe in den Vorratsbehälter diese
Stoffe nicht abgetrennt werden. Die Trenneinheit wird solange betrieben bis durch
die Aufkonzentrierung der zu filtrierenden Flüssigkeit ein oberer Grenzwert der
Konzentration erreicht wird, bei dem eine weitere filtration nicht mehr möglich
ist. Bei Anwendung des Verfahrens nach der US-PS 3794169 auf die Spaltung von ölemulsionen
ist es nicht möglich, ein P.estUl von hoher Konzentration abzuscheiden.
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Ein weiterer Nachteil des in der US-PS 3794169 beschriebenen Verfahrens
ist darin zu sehen, daß zur Entfernung der auf der Membranoberfläche sich ablagernden
Stoffe diskontinuierliche Spülprozesse notwendig sind, bei denen der Betrieb der
Trenneinheit unterbrochen ist.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und die
zugehörige Vorrichtung zu schaffen, die einen effektiveren und bei der Behandlung
realer LUsungen stabilen Betrieb der Membranfiltration ermöglichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hembranfiltration
und die Vorrichtung zu deren Durchführung zu schaffen, durch das die Konzentrationspolarisation
soweit reduziert wird, daß die Entstehung von Ablagerungen verhindert wird, vorhandene
Ablagerungen und vorhandene bzw. entstehende Partikel aus der Lösung entfernt werden
können sowie ein Abprodukt hoher zonzentration entsteht.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Beechickungastrom vor der
Membrantrenneinheit ein Gas zugegeben wird, der Beschikkungsstrom nach der Membrantrenneinheit
entspannt wird und eine Trennapparatur pas-siert und erfindungsgemäß mit Hilfe der
Trennapparatur der bei der Druckentlastung entstehende Schaum abgetrennt und als
Produkt abgeleitet wird.
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Die Zufuhr des Beschickungsstromes zur Trenneinheit erfolgt mit erhöhtem
Druck, dadurch erfolgt teilweise eine Absorption des zageführten Gases, zum größten
Teil jedoch eine Adsorption an die in der Lösung vorhandenen oder im Gefolge des
Lösungsmittelentzuges entstehenden Partikel. Das nicht adsorbierte oder absorbierte
Gas und die beim Druckabfall längs des Strömungweges wieder desorbierenden Gasblasen
fuhren zum örtlichen Abreißen der Grenzschicht und damit zur Reduzierung der Konzentrationspolarisation
gegenüber der einfachen Membranfiltration.
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Nach Verlassen der Trenneinheit wird der LEsungsstrom auf Umgebungsdruck
entspannt, dadurch wächst nochmals das Volumen der an den Partikeln anhaftenden
Gasblasen, so daß diese in geeigneten nachgeschalteten Trennapparaturen als Schaum
abgezogen
werden können. hls l'rermapparaturen können an sich bekannte
Flotationsbecken, insbesondere deren Beruhigungs- und Schaumabstreifeinrichtungen,
verwendet werden.
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Eine Verbesserung des Verfahrens wird erreicht, indem der mit dem
Gas vermischte, komprimierte Beschickungsstrom vor Sintlitt in die Membrantrenneinheit
bereits teilweise entspannt wird, da so die enthaltenen Partikel vor dem Kontakt
mit der Membran von Gasbläschen umgeben sind und dadurch nicht auf der Membran abgelagert
werden können. Ursache dafür ist, daß Oberflächenspannung der Plüssigkeit, Porenradius,
Größe der Luftbläschen und Betriebsdruck nach der teilweisen Entspannung in einem
solchen Verhältnis stehen, daß die Luftbläschen nicht durch die Poren der Membran
abgesaugt werden können.
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Diese Druckreduzierung erfolgt zum Teil bereits durch den Druckverlust
auf dem Stramungsweg bis zur frenneinheit ohne zusätzliche Drosselarmatur.
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Pr besondere Fälle besteht eine Brweiterung des Verfahrens in der
Zugabe oberflächenaktiver Stoffe zur Lösung. Sie kommt bei Lösungen mit ungenügender
Schaumstabilität und ungünstiger Partikelbeschaffenheit in Frage.
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Die Vorrichtung zur Durchfrung des Verfahrens besteht aus dem Vorratsbehälter,
der Pumpensaugleitung mit Gasansaugstutzen und Regelventil, Pumpe, Druckleitung,
der Membrantrenneinheit, Drosselorgan, Beruhigungs- und Schaumabstreifkammer sowie
der Rücklaufleitung von der Beruhigungs- und Schaumabstreifkammer zum Vorratsbehälter.
Erfindungsgemäß ist die Beruhigungs- und Schaumabstreifkammer mit Mitteln zur Schaumabtrennung
sowie mit einem Ablauf nach außen versehen. Weiterhin ist in der Druckleitung vor
der Membrantrenneinheit eine Druckreduzierung vorhanden. Der Pumpenmotor ist mit
einem durch Zeitrelais gesteuerten zusätzlichen Aus- und Einschalter versehen.
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Beim Betrieb der Pumpe saugt diese gleichzeitig Lösung und Gas in
einem regelbaren Verhältnis an, durchmischt beides intensiv und bringt das Gemisch
auf den im Druckstutzen herrschenden Druck. Die Reibungsverluste und das Drosselventil
vor der Membrantrenneinheit sorgen für eine teilweise Entspannung des Besohickungsetromes.
Die der Trenneinheit nachgeschaltete Entspannungseinrichtung gewährleistet den Druckaufbau
in der Trenneinheit und nach Verlassen der Trenneinheit die Entspannung
der
Lösung auf Umgebungsdruck. Die dem Entspannungsventil nachgeschaltete Trennapparatur
ermöglicht das Aufschwimmen der von Luftbläscnen umgebenen Partikel oder anderer
flotierbarer Stoffe, insbesondere Öle, und deren Entfernung aus der Lösung mit dem
Schaum. In der Entfernung der flotierten Stoffe, insbesondere der aufgeschwimmenen
Ole ist eine wesentliche Weiterentwicklung des Standes der Technik zu sehen. Wit
dem neu entwickelten Verfahren wird neben dem filtrat auch ein hochkonzentriertes
Abprodukt erhalten. Durch die Druckentspannung vor der Membrantrenneinheit kann
weitgehend auf diskontinuierliche Spülprozesse verzichtet werden.
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ÄusfUhrungsbeispiele Die Erfindung soll nachfolgend an Ausf üh rungsbeispi
e len an Hand der zugehörigen Zeichnungen, welche die Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zeigen, erläutert werden.
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L's zeigen: Fig. 1: die Vorrichtung mit Zeitrelais zum periodischen
Ausschalten; Pig. 2: die Vorrichtung mit einem zweiten Gasansaugstutzen mit Magnetventil.
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Eine bekannte Anwendung der]dembranfiltration ist die Behandlun
g Hlhaltiger Abwässer aus der Metallbearbeitung, die neben emulgiertem 1l größere
engen an Verunreinigungen enthalten wie Schleifstaub, Sand, Grafit, Schmutz, Metallspäne.
Deshalb sind die Xonzentrationspolarisation, Ablagerungen auf den Membranen und
die Abnahme der 1i'iltrationsleistung mit zunehmender Konzentration besonders gravierend.
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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Abwasser nach
der ersten nusführungsform aus dem Vorratsbehälter 1 von der Pumpe 2 angesaugt.
Uber den Gasansaugstutzen mit dem Regelventil 3 erfolgt eine Zumischung von Luft
4 zum Beschickungsstrom 1. Die Luft wird in der Pumpe 2 intensiv mit dem Beschikkungsstrom
1 vermischt und gemeinsam mit diesem auf den in der Druckleitung 5 herrschenden
Druck verdichtet. Dabei erfolgt entsprechend den Gleichgewichtsbedingungen vorwiegend
eine Adsorption von Luft an die Oberfläche der Partikel und größerer,
bereits
koagulierter Öl tröpfchen. ei der Passage des * P.eduzierventils 6 erfolgt eine
teilweise Entspannung des mit Luft vermischten und komprimierten Beschickungsstromes
vor Eintritt in die Trenneinheit 7. Dadurch werden die Partikel mit Gasbläschen
umgeben, so daß deren Ablagerung auf den Membranen unmöglich wird. In der Membrantrenneinheit
7 wird dem Abwasser das Glfreie Filtrat entzogen. Nach Passieren der Membrantrenneinheit
7 erfolgt die Entspannung des Beschickungsstromes am Entspannungsventil 9 und die
Einleitung in die Beruhigungs- und Schaumabstreifkammer 10.
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Bei der Entspannung vergrößert sich das Volumen der Luftbläschen nochmals,
so daß die mit ihnen verbundenen Partikel rasch aufschwimmen und als stark ölhaltiges
Schaum 11 abgezogen werden kdnnen. Durch die ständige Entfernung der ursprünglich
kolloidal verteilten Inhaltsstoffe der verbrauchten Emulsion arbeitet das Verfahren
kontinuierlich. Das Zeitrelais 12 in der Stromversorgung des Pumpenmotors 13 sorgt
für kurzzeitige Unterbrechung der Stromzuführung in festgelegten Zeitabständen.
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Durch das nahezu schlagartige Absinken des Retriebsdruckes auf den
Umgebungsdruck werden auf der Membran abgeschiedene oder gebildete Partikel durch
die entsprechenden Gasblä.schen von der Membran entfernt und beim erneuten Einsetzen
des Beschikkungastromes aus der Trenneinheit ausgetragen.
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Natürlich treten die gleichen positiven Wirkungen bei der Anwendung
des Verfahrens mit anderen Abwässern oder Produktlösungen auf. Durch Einsatz keimfreier
inerter Gase anstelle von Luft kann die Anwendung des Verfahrens auch in der Lebensmittelindustrie
oder der pharmazeutischen Industrie erfolgen.
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In einer zweiten Ausführungsform erfolgt eine Abwandlung der Vorrichtung
zur Durchiührung des Verfahrens in der Weise, daß ein zweiter Gasansaugstutzen 14
in die Saugleitung der Pumpe 2 eingebunden wird, der durch ein Magnetventil 15 verschlossen
ist und daß ein Zeitrelais 16 zum periodischen kurzzeitigen Öffnen des Magnetventils
15 eingesetzt wird, während das Zeitrelais 12 in der Stromversorgung des Pumpenmotors
13 entfällt.
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Während der kurzzeitigen Öffnung des Magnetventils 15 wird die angesaugte
Gasmenge so groß, daß die Fltissigkeitssäule in der Pumpensaugleitung abreißt und
erst nach Schließen des Magnetventils 15 wieder angesaugt wird. Es erfolgt dadurch
ebenfalls
eine Unterbrechung des Beschickungsstromes 1 ohne daß
durch häufige Ein- und Ausschaltvorgänge ungünstige Belastungsverhältnisse in der
Pumpe 2 auftreten.