DE3028926C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein gewickeltes Einsatzfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Es sind bereits Einsatzfilter in der mit Kunstharz behandelten und gewickelten Form bekannt; sie haben in der Industrie eine weite Verbreitung gefunden, weil sie sich durch einen verhältnismäßig hohen Durchsatz und eine lange Lebensdauer selbst bei ziemlich hohen Verunreinigungsgraden auszeichnen.

Ökologische und gesundheitliche Gesichtspunkte haben das Interesse an der Kontrolle oder Überwachung niedriger Konzentrationen kleiner Materialpartikel in vor allem für den menschlichen Verbrauch bestimmten Wasservorräten noch erhöht. In diesem Zusammenhang werden selbst kolloidale Trübungen von außerordentlich kleiner Dimension für unerwünscht erachtet, auch wenn sie nicht direkt schädlich sind. Die Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen wird von der Bevölkerung auch auf die Besorgnis hinsichtlich der Reinheit und Unverletztheit jedes verwendeten Filtersystems ausgedehnt. Ein Filtersystem wird daher nicht nur hinsichtlich seiner Wirksamkeit im Bereich kleiner Verunreinigungspartikel beurteilt, sondern auch hinsichtlich der Unversehrtheit der Filterstruktur und des Aussehens.

Auswechselbare Einsatzfilter in der mit Kunststoff behandelten Form sind für den Hausgebrauch gut geeignet, weil sie von passender Unversehrtheit sind und einen hohen Durchsatz und eine lange Lebensdauer haben; sie erleiden jedoch eine Extraktion organischer Reststoffe und/oder sind ästhetisch unansehnlich aufgrund der dunkel gefärbten Haftmittel im gewöhnlichen Gebrauch. Andere Haftmittel haben sich als unzureichend erwiesen, dem Gebilde eine ausreichende Festigkeit zu verleihen, was eine weitere wichtige Anforderung an das Filter darstellt, ohne daß sie die extrahierbaren Stoffe reduzieren.

Gewickelte Einsatzfilter dagegen halten auch ohne Haftmittel und bieten daher ein normalerweise weißes, sauberes und gefälliges Aussehen. Leider haben diese Strukturen relativ große Poren.

Bei der mechanischen Filtrierung wird ein Partikel dadurch herausgefiltert, daß er bei dem Versuch, durch eine Pore zu treten, die kleiner ist als er selbst, körperlich eingefangen wird. Es ist deshalb in diesen Fällen notwendig, daß die Porengröße des Filtermittels geringer ist als die Partikelgröße der Verunreinigung, die aus dem Fluid ausgefiltert werden soll. Daher müssen für die Beseitigung feiner Verunreinigungspartikel im Submikronbereich durch mechanische Filtrierung die Filtermittel entsprechend feine Poren haben. Da die Porengröße einer solchen Struktur vorherrschend durch die Größe und Morphologie der in dieser Konstruktion verwendeten Materialien bestimmt wird, können in dünnen Filterschichten Materialbestandteile von geringer Größe, beispielsweise Fasern mit kleinem Durchmesser, verwendet werden, um die Filtration von feinen Teilchen zu verbessern (siehe US-PS 31 58 532; 32 38 056; 32 46 767; 33 53 682; 35 73 158).

Innerhalb der geometrisch bedingten Grenzen für die Konstruktion von gewickelten Filtereinsätzen ist eine gewisse Abänderung in den mechanischen Filtereigenschaften möglich, um die Einfangeffizienz zu erhöhen, etwa durch Wahl des Garntyps, durch Reduzierung der Garnstärke oder durch Vergrößerung der Oberfläche mittels Auffaserung der Garnoberfläche. Doch handelt es sich dabei um geringgradige Effekte, die nur kleine Verbesserungen in der Effizienz möglich machen.

Aus der DE-AS-11 87 229 ist ein röhrenförmiger Filtereinsatz aus schichtweise gewickelten, sich kreuzenden Strähnen oder Fäden bekannt, die in Achsenrichtung einen gewissen Abstand voneinander haben und radiale Durchgänge für die zu filternde Flüssigkeit oder das zu filternde Gas von der Außenfläche des Einsatzes ins Innere bilden, und in denen ein aus zahlreichen gesonderten Fasern mit zur Überbrückung der Durchgänge ausreichender Länge bestehendes Filtermedium zwischen den Wicklungen der Fäden oder Strähnen festgehalten ist.

Es ist auch bereits bekannt, bei dünnen Filtermittelschichten einen ladungsmodifizierenden Kunststoff zu verwenden, um die Oberflächenladung zu modifizieren und das Einfangen kleiner Partikel mit Hilfe elektrokinetischer Effekt zu verbessern; eine solche Ladungsmodifikation von mit Kunststoff behandelten Einsatzfiltern kann man mit Hilfe der selektiven Kombination eines Melamin-Formaldehyd-Kunststoffs als Bindemittel und eines Polyamid-Polyaminepichlorhydrins als Ladungsmodifizierer erreichen, wie dies in der schwebenden US-Patentanmeldung Ser. Nr. 46 743, eingereicht am 6.6.1979, beschrieben ist.

Aus der DE-OS 24 22 426 ist ein Verfahren zur Behandlung eines negativ geladenen Filtermaterials bekannt, bei dem das Filtermaterial mit einem kationischen Melamin-Formaldehyd-Kolloid in Verbindung gebracht wird.

Diese Ladungsmodifizierer erfahren beim Trocknen und Härten in dünner Schicht keine merkliche Verfärbung, jedoch beim Einbau in dickwandige Einsatzfilter erfordern sie hohe Temperaturen von etwa 300°C und lange Trocknungszeiten bis zu 3 Stunden oder mehr und unter solchen Bedingungen verfärbt sich die Cellulose oder der Kunststoff selbst oder erleidet einen Qualitätsverlust in unannehmbarem Ausmaß.

Wenn herabgesetzte Temperaturen verwendet werden, tritt eine ungenügende Wechselwirkung mit dem Filterelement auf und der ladungsmodifizierende Kunststoff wird nicht festgehalten.

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Einsatzfilter bereitzustellen, die neben einer hohen Unverletzbarkeit, langer Lebensdauer und gute Effizienz nur eine geringe Menge an extrahierbaren Stoffen enthalten und keine merkliche Verfärbung zeigen, wie sie bei organischen ladungsmodifizierenden Stoffen auftreten, wodurch ein günstiges ästhetisches Aussehen gewährleistet wird.

Diese Aufgabenstellung wird mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein gewickeltes Einsatzfilter aus einem porösen rohrförmigen Element gemäß Patentanspruch 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen davon sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen gewickelten Einsatzfilters nach Patentanspruch 6.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen gewickelten Einsatzfilters zur Filterung einer Flüssigkeit mit hohen Durchsätzen und verbesserter Effizienz.

Es hat sich herausgestellt, daß gewickelte Filtereinsätze mit verbesserter Filtrationseffizienz für kleine Verunreinigungspartikel ohne Beeinträchtigung des ästhetischen Eindrucks durch die Einführung eines kationischen kolloidalen Siliciumoxids als Ladungsmodifizierer zu der Struktur vorgesehen werden können. Der so entstehende Filtereinsatz zeichnet sich durch hohe Unverletzbarkeit, lange Lebensdauer, hohen Durchsatz und verbesserte Effizienz für kleine Verunreinigungspartikel aus, behält dabei aber sein gefälliges Äußeres bei.

Der kolloidales Siliciumoxid umfassende Ladungsmodifizierer zeichnet sich durch geringere Anforderungen für das thermische Härten aus, so daß eine wirksame Trocknung und Härtung unter Bedingungen möglich ist, bei denen der thermische Qualitätsverlust oder weitere Verfärbungseffekte auf ein Minimum herabgesetzt sind, wobei als Begleiterscheinung noch eine Energieersparnis realisierbar ist.

Die gewickelten, nicht mit Kunststoff behandelten Einsatzfilter werden gemeinhin aus Garn geformt, dessen Oberfläche aufgerauht ist, um eine zusätzliche Fläche zu bieten. Das Garn besteht in einem typischen Beispiel ganz aus Cellulose, z. B. Baumwolle oder Reyon, kann aber in manchen Fällen aus synthetischen Fasern gebildet sein, beispielsweise Celluloseacetat, Nylon, Glas, Polypropylen oder einem Acrylharz. Was den Ausdruck "Garn" anlangt, so soll dieser jede Faserstruktur oder jeden Strang von beträchtlicher Länge und kleinem Durchmesser umfassen, ob dieser nun aus kontinuierlichen oder unterbrochenen Faserelementen geformt ist, die zu einer zusammenhängenden, im wesentlichen seilartigen Form zum Wickeln miteinander verbunden sind. Faseriges Garn oder Folienstreifen oder geschlitztes Werggarn können beispielsweise verwendet werden, wenngleich Baumwollunten mit beispielsweise einer Baumwollzahl von 0,5 bis 0,6 gebräuchlicher sind.

Das Garn wird um eine durchlässige Unterlage, gewöhnlich einen gelöcherten Kern oder ein gelöchertes Rohr aus Kunststoff oder Metall, gewickelt, wozu übliche Wickeltechniken verwendet werden, um die gewünschte Porenstruktur in den Wicklungslagen und zwischen den übereinanderliegenden Wicklungslagen vorzusehen. Gewöhnlich wird das Garn in einem spiralförmigen, kreuzgewickelten Muster geführt, so daß ein Muster sich überlappender Garnsegmente entsteht, das beim Legen der Wicklung große rautenförmige Kammern bildet. Geeignete solche Strukturen können nach der Lehre einer der US-PS 33 19 793, 35 56 226 und 33 98 905 hergestellt werden, auf die hiermit verwiesen wird. Durch entsprechende Wahl der Wicklungen wird die Dichte und Porengröße bestimmt, wobei ein nominelles 1-µm-Filter mit 39 Rauten gewickelt wird, die auf dem Umfang rund um einen zentralen Kern von annähernd 2,5 cm Durchmesser angebracht sind und ein nominelles 20-µm-Filter 15 Rauten verwendet usw., wobei weniger Rauten einer gröberen Filterung entsprechen.

In einer alternativen und oft bevorzugten Ausführungsform wird das Garn derart gewickelt, daß es ein faserartiges Filtermittel, beispielsweise eine nicht gewebte Baumwollwatte, tardiertes Vorgespinnst, einfängt und festhält. Dieser Strukturtyp kann in der Weise geformt werden, wie dies in den US-PS 30 56 856 und 36 48 846 beschrieben ist, auf die hiermit verwiesen wird. Bei diesen Konstruktionen werden die rautenförmigen Kammern mit einer oder mehreren Wänden aus dem faserartigen Filtermittel vorgesehen, um eine wirksame Barriere für Partikel mit Mikrometer-Abmessungen zu bieten. Die Filtermittelschicht kann selbstverständlich zusätzliche Bestandteile haben, beispielsweise nach Wunsch partikelförmige Filterhilfsstoffe.

Die Ladungsmodifikation der Filteroberflächen kann auf einfache Weise durch Eintauchen in den Ladungsmodifizierer und Adsorption des Modifizierers, Entfernung des überschüssigen Kunststoffs, beispielsweise durch Absaugen und nachfolgende Trocknung und Härtung vorgenommen werden. Die Behandlung kann selbstverständlich durchgeführt werden, indem eines der Filterelemente, beispielsweise die nicht gewebte Baumwollwatte, während der Konstruktion gesondert ladungsmodifiziert wird, im allgemeinen wird jedoch eine Kunststofflösung von beispielsweise 5% Feststoffen verwendet und der vorgeformte Einsatz wird behandelt, um kolloidales Siliciumoxid von vorzugsweise 3 bis 4 Gew.-%, bezogen auf die Feststoffe, vorzusehen. Wenn die Wahl der Behandlungsart eine weitere unmodifizierte Oberfläche in dem System vorsieht, können die Faseroberflächen zusätzlich mit einer Quelle für polybasische Aluminiumkationen, beispielsweise Aluminiumchlorhydrat, behandelt werden, um den Grad der Ladungsmodifikation zu erhöhen.

Das kationische kolloidale Siliciumoxid ist eine wäßrige Dispersion positiv geladener kolloidaler Partikel, die aus einem dichten Siliciumoxidkern, überzogen mit einer positiv geladenen mehrwertigen Metall-Sauerstoff-Verbindung, im typischen Fall stabilisiert mit einem Gegenion, bestehen.

Geeignete kationische kolloidale Siliciumoxidmaterialien sind in den US-PS 30 07 878, 32 52 917, 36 20 978, 37 19 607 und 39 56 171 aufgezählt, auf die hiermit verwiesen wird. Diese sind wäßrige Dispersionen positiv geladener kolloidaler Partikel, bestehend aus einem dichten Siliciumoxidkern, überzogen mit einer positiv geladenen mehrwertigen Metall-Sauerstoff-Verbindung, beispielsweise aus der Metalloxide, Metallhydroxide, und hydrierte Metalloxide drei- oder vierwertiger Metalle, vorzugsweise Aluminium und Titan, umfassenden Klasse. Am zweckmäßigsten ist die Dispersion sauer und der Überzug besteht aus einer polymeren Aluminiumoxidspezies. In einem typischen Fall liegt das Molverhältnis von Aluminium zu Siliciumoxid an der Oberfläche etwa bei 1 : 1 und die Dispersion (die im Handel von E.I. duPont de Nemours & Co. unter der Bezeichnung "Ludox Positiv Sol 130M" erhältlich ist) ist mit einem Gegenion stabilisiert, wie in der oben erwähnten US-PS 30 07 878 beschrieben. Die Dispersion wird mit 30% Feststoffen geliefert, stabilisiert mit einem Chloridion (1,4 %, etwa NaCl) zur Verwendung im pH-Bereich 3,5 bis 5,5.

Die kolloidalen Partikel bieten eine Oberfläche von etwa 150 bis 225 m²/g durch Stickstoffadsorption, einen Partikeldurchmesser von etwa 15 bis 16 µm und ein Molekulargewicht von etwa 5 bis 18 Mio, gemessen durch Lichtstreuung.

In ihrer bevorzugten Ausführungsform werden die Eigenschaften der wäßrigen Siliciumoxidlösung noch weiter auf höhere Anteile von polymerer Aluminiumoxidspezies modifiziert, die auf der Basis der kolloidalen Feststoffe zu einem Aluminiumoxidgehalt von 13 bis 15% oder mehr im stabilen Bereich gemessen werden. Der Überzug kann durch einfache Behandlung mit einer geeigneten Aluminiumverbindung hergestellt werden, beispielsweise mit basischen Aluminiumchlorid, wie dies in der US-PS 30 07 878 beschrieben ist, oder mit einer anderen Quelle für polybasische Aluminiumkationen. Das Aluminiumoxid in solchen Systemen existiert als Oberflächenüberzug und soweit es die verfügbare Oberfläche übersteigt, als freies Aluminiumoxid in der Lösung. Das freie Aluminiumoxid kann selbstverständlich auch als ein Überzug für unbehandelte Oberflächen in dem Filter dienen. Nach Wunsch kann die resultierende kolloidale Dispersion behandelt werden, und sie wird dies auch gewöhnlich, um überschüssigen Elektrolyten zu beseitigen, beispielsweise mit Hilfe der Dialyse, damit man eine Speicherfähigkeit erhält. Das Überziehen mit einer Aluminiumverbindung kann selbstverständlich auch gesondert von der Behandlung mit dem kolloidalen Siliciumoxid durchgeführt werden oder diese Materialien können kombiniert werden, wie oben erwähnt.

Der kationische Kunststoff wird vorgesehen, um die Oberflächenladung wenigstens eines der Filterelemente, nämlich des Garns oder der Baumwollwatte, zu modifizieren, so daß diese Oberfläche weniger elektronegativ wird; eventuell und zweckmäßigerweise wird ausreichend Ladungsmodifizierer abgelagert, um wenigstens gewisse elektropositive Bereiche oder Plätze in der Filterstruktur zu schaffen. Es wird angenommen, daß diese Bereiche oder Plätze für die erzielte Verbesserung der Filtrationseffizienz verantwortlich sind, obwohl man überraschenderweise elektrokinetische Effekte findet, die die beteiligte verhältnismäßig großporige Struktur steuern.

Die Menge des gemäß der Erfindung verwendeten Ladungsmodifizierers ist ausreichend gewählt, daß die Filtrationseffizienz des unmodifizierten Filtereinsatzes erhöht wird. Wo eine gewisse Bindungsfestigkeit geschaffen werden soll, können größere Mengen an Ladungsmodifizierer verwendet werden, vorzugsweise erweist sich jedoch ein Anteil von 3 bis 4 Gew.-% des kolloidalen Siliciumoxids als zweckmäßig.

Das kolloidale Siliciumoxid wird gewöhnlich in der Weise aufgebracht, daß der vorgeformte Filtereinsatz in eine Dispersion von beispielsweise 5% Feststoffen getaucht wird und entweder ausschließlich durch Tränkung oder mit Unterstützung durch ein Vakuum etwa 100 bis 125 Naßgewichts- % der Dispersion aufgenommen werden. Andere Methoden für das Zufügen des Siliciumoxids, etwa ein Aufsprühen während der Bildung des Filtereinsatzes oder eine Vorbehandlung der Filterelemente oder eine Kombination dieser Verfahren kommen selbstverständlich auch in Betracht. Nach dem Aufbringen des kolloidalen Siliciumoxids wird der Filtereinsatz getrocknet und gehärtet.

Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß die Wärmeanforderungen für den typischen Trocknungs- und Härtungsprozeß auf ein Minimum reduziert sind. So erfolgt in einem fabrikmäßigen Betrieb mit einer Behandlung von 400 oder mehr Filtereinsätzen die Trocknung bei weniger als 149°C, gewöhnlich bei 107 bis 135°C während einer Zeitdauer von 1 bis 3 Stunden, um die Filter knochentrocken zu machen.

Der Trocknungs- und Härtungsvorgang kann zwar auf jede geeignete Weise durchgeführt werden, in manchen Fällen ist es jedoch zweckmäßig, statische Trocknungsverfahren (Ofen) zu verwenden, um mit Sicherheit eine gleichmäßige oder relativ homogene effektive Verteilung der kationisch modifizierten Stellen zu erzielen. Getränkte Einsatzfilter werden im typischen Fall mit Hilfe durchgeblasener Heißluft getrocknet, die aus einer in der Mitte liegenden Öffnung austritt, oder durch Umspülen der Außenfläche mit Heißluft. Die Anwendung dieser bisher üblichen Verfahren an den erfindungsgemäßen Filtern ergibt jedoch Filtereinsätze mit einer relativ begrenzten und ineffektiven ladungsmodifizierten Fläche, weil sich herausgestellt hat, daß der modifizierende Kunststoff dazu neigt, zu der Quelle der Trocknungswärme hinzuwandern und sich dort oder an der Innenfläche oder Außenfläche der Filtereinsätze anzusammeln. Um eine relativ homogene Verteilung der ladungsmodifizierten Stellen zu erreichen, ist es deshalb zweckmäßig, eine statische Trocknung unter den erwähnten Temperaturbedingungen zu verwenden. Die Erfindung zieht selbstverständlich auch eine Profilverteilung des Ladungsmodifizierers in Betracht, wenn dies erwünscht ist.

Das in der Filterkonstruktion verwendete Garn ist meistens Baumwolle mit beispielsweise 2,7 tpi mit einem Micronaire- Wert von 2,8 bis 5,1, doch können auch andere Faserstärken oder Garngewichte innerhalb vernünftiger Grenzen verwendet werden.

Der Filtereinsatz selbst wird in üblicher Weise wie oben erläutert, geformt, indem Garn auf einen Dorn um eine durchlässige Unterlage gewickelt wird, so daß ein wenigstens halbsteifer Kern entsteht.

Die Garnzuführgeschwindigkeit, die konstant sein kann oder mit dem Garnaufbau veränderbar, wird teilweise durch das Wicklungsmuster bestimmt, das seinerseits durch die angestrebte Dichte und Porenabmessung in dem Filter vorgeschrieben wird. Typische Wicklungsmuster ziehen eine Reihe rautenförmiger Konfigurationen vor, und zwar 20 bis 40 auf der Länge des Einsatzes, die 23 bis 25 cm beträgt, und 7 bis 12 auf dem Umfang der 6,4 cm beträgt. Der Garnaufbau sieht daher eine Bettstruktur vor, die sich aus dreidimensionalen rautenförmigen Kammern zusammensetzt mit etwa 3,8 cm in der Dicke rund um den hohlen Kern.

Die Bestimmung der Filterelemente und die Wicklungsbedingungen legen die geometrischen Eigenschaften der Struktur fest und bilden in den Zwischenräumen zwischen den Filterelementen die bleibenden Porenabmessungen und damit die Durchsatzgeschwindigkeit der Struktur. In einem typischen Fall entwickeln derartige Konstruktionen Wasserdurchsätze von 0,038 bis 0,76 m³ pro Minute bei 0,138 bar.

Die Filterpatrone wird in einem Gehäuse üblicher Konstruktion verwendet. Der Zufluß von der Oberseite des Gehäuses verteilt sich entlang der Außenfläche des normalerweise vertikal stehenden Filtereinsatzes und die Filtration erfolgt durch eine axiale Strömung unter einem Pumpendruck von der Außenfläche zum Inneren des Einsatzes, von wo der Abfluß durch den Boden des Gehäuses geht.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der gewickelte Filtereinsatz mit einer eingelegten Filtermittelschicht präpariert, wie dies in der US-PS 30 65 856 und 36 48 846 beschrieben ist. Diese Konstruktionen haben eine geringere Dichte, einen höheren Durchsatz und eine längere Lebensdauer als die gewickelten Standardeinsätze, bieten jedoch eine offenere Porenstruktur, wodurch der Effekt des Ladungsmodifizierers hinsichtlich einer Verbesserung der Filtrationseffizienz ausgeprägter ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Wickelmaschine eine Bahn eines Filtermittels, beispielsweise kardierte Baumwolle, zugeführt, und diese Bahn wird erfaßt und an Ort und Stelle in einer Spiralform gehalten dadurch, daß das Ende oder die Enden des Wicklungsgarns die Breite der Bahn (entlang der Längsachse des fertigen Einsatzes) traversieren und sie in einem kreuzgewickelten Muster zu einer integralen Struktur einhüllen. Am günstigsten ist es, die Schicht, die Bahn oder Watte der Wickelmaschine mit einer konstanten Geschwindigkeit zuzuführen und die Garngeschwindigkeit und die Wickelgeschwindigkeit konstant zu halten, so daß die Zugspannung, die von dem Radius des Garnaufbaus abhängt, einen Dichtegradienten quer über den Querschnitt liefert. Selbstverständlich können auch gesteuerte, variable oder programmierte Dichtegradienten auf ähnliche Weise in Abhängigkeit von der gegenseitigen Beziehung der Zulieferungsgeschwindigkeit der Bahn oder des Garnvorschubs oder der Wickelgeschwindigkeit relativ zum Radius des Garnaufbaus oder auch durch diese wechselseitige Beziehung vorgesehen werden.

Die eingebetteten Filtermittel können aus irgendeinem sonstigen geeigneten Material bestehen, das eine ausreichende Oberfläche für die Filtration hat, aus rationellen Gründen sind sie gewöhnlich Baumwolle, Rayon oder Abfallgemisch in der Form kardierter Baumwollwatte von Stapelfaser. Es sei darauf hingewiesen, daß die Watte partikelförmige Filterhilfsmittel, Kohle, Glasfaser oder andere Mittel, enthalten kann, um nach Wunsch die Oberfläche zu vergrößern oder die mechanische Filterwirkung zu erhöhen.

Das bevorzugte eingelegte Filtermittel ist kardierte Baumwolle (z. B. in der Form einer Bahn von 24,7 cm Breite mit einem Gewicht von 570 bis 630 Grains (Gr) (37 bis 40,8 g) pro yard (91,44 cm) (=0,40-0,44 g/cm)). Das Gewicht der Bahn oder der eingefügte Anteil können selbstverständlich variiert werden, so daß beispielsweise nur 3 g bis zu 85 g oder mehr des eingebauten Filtermittels zugeführt werden. Da die Oberfläche des Filtereinsatzes nur etwas größer ist, versteht es sich, daß der größte Teil der Oberfläche von dem eingefügten Filtermittel vorgesehen wird, während die Geometrie des Garnaufbaus oder das Wicklungsmuster im wesentlichen die Porenabmessung bestimmt.

Funktionstest 1. Filtrationseffizienz

Bei diesem Test wird verunreinigtes Fluid einer bestimmten Trübung (normalerweise 30 bis 35 FTU für grobe Verunreinigungen und 70 bis 75 FTU für feine Verunreinigungen) durch den Filtereinsatz mit einem speziellen Durchsatz (gewöhnlich 1 bis 3 g/min) gepumpt, die Trübung des Ausflusses wird gemessen (unter Verwendung eines Trübungsmessers Hach Modell 2100A) im allgemeinen während der ersten 5 bis 6 Minuten der Filterung und ausgedrückt als prozentuale (turbidimetrische) Filterungseffizienz im Vergleich mit der Zuflußtrübung, wobei die Effizienz sich wie folgt berechnet:

Gewöhnlich werden die Trübungswerte des Zuflusses und des Ausflusses gemittelt; gelegentlich wird der letzte Trübungswert (Ausfluß) verwendet, d. h. an dem Punkt, wenn der Druckunterschied an dem Filtereinsatz 1,38 bar übersteigt, womit der Test beendet wird. Die Leistung des Filters läßt sich auch aus einer Prüfung der Änderung der Ausflußtrübungswerte im Verlauf der Zeit ersehen und aus der bis zur Beendigung des Tests bei 1,38 bar (0,138 MPa) verstrichenen Zeit. Die Verunreinigung ist natürlicher Arizona-Straßenstaub (geliefert von AC Spark Plug Division of General Motors Corp.), der ein verhältnismäßig breites Spektrum von Partikeln hat, die von dem G.M. Phoenix Laboratory wie folgt klassifiziert werden:

2. Verunreinigungskapazität (Gramm-Lebensdauer)

In gleicher Weise kann die Leistung des Filters auch ausgedrückt werden in g der Verunreinigung, die von dem Filter bei Beendigung des Tests bei 1,38 bar (0,138 MPa) festgehalten worden sind.

Andere Eigenschaften, z. B. die Widerstandsfähigkeit gegen chemische Stoffe, Wasser und Lösungsmittel, werden in üblicher Weise getestet und aufgezeichnet, sind aber für diese Konstruktionen in industrieller Verwendung üblich.

Beispiel I

In der folgenden Serie von Testläufen wurde die turbidimetrische Effizienz (Zuflußtrübung 70 bis 72 FTU, AC Feinverunreinigung, Durchsatz 1 g/min) und die Verunreinigungskapazität bestimmt im Vergleich für übliche kommerzielle gewickelte Einsatzfilter ohne Behandlung und für mit kolloidalem Siliciumoxid behandelte (Wesol PA, ein kationischer kolloidaler Siliciumoxid-Ladungsmodifizierer erhältlich von Wesolite Corp., Wilmington, Delaware (4,0% Aluminiumoxid, 22,5% Siliciumoxid, 30% Feststoffe)) oder mit Gemischen von Wesol PA und Wesol Plus (eine Quelle für polybasische Aluminiumkationen von dem gleichen Hersteller). Alle behandelten Filtereinsätze wurden getrocknet und bei 149°C je nach dem Fasergewicht 2 bis 3 Stunden gehärtet. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle I niedergelegt.

Tabelle I

Das Beispiel demonstriert die mit der Ladungsmodifikation erzielbare Verbesserung auch ohne geometrische neue Anordnungen. Die Filtereinsätze behielten ein sauberes, frisches weißes Aussehen während der gesamten Versuchsreihen. Der Testlauf Nr. 9 zeigt die Wirkung der unmittelbaren Behandlung des Filters mit einer Quelle für polybasische Aluminiumkationen. Obgleich eine Verbesserung erreicht ist, fällt der Vergleich mit der Verwendung von kolloidalem Siliciumoxid doch ungünstig aus.

Beispiel II

Gesonderte gewickelte Einsatzfilter (AMF Cuno DCCSY: Baumwollgarn in 8×22,5 Wicklung, eingelegtes Baumwollfiltermittel 85 g, Durchsatz etwa 1,5 g/min bei 0,138 bar (0,0138 MPa)) wurden mit 2% eines Polyamid/Polyamin-Epichlorhydrin-Ladungsmodifizierers (Hercules 1884) und 2% eines kolloidalen Siliciumoxid-Modifizierers behandelt und beide getrocknet und 3 Stunden bei 162°C gehärtet.

Der mit kolloidalem Siliciumoxid behandelte Filtereinsatz war weiß und hell und hatte ein gefälliges Aussehen, wogegen der mit 1884 Kunststoff behandelte verfärbt war und ein schmutzig-braunes Aussehen aufwies.

Beispiel III

In einer weiteren Serie wurden gewickelte Einsatzfilter (AMF Cuno DCCSY) mit verschiedenen Mengen von Ladungsmodifizierern behandelt, getrocknet und bei unterschiedlichen Temperaturstufen gehärtet und hinsichtlich ihrer Filterungsleistung getestet (AC Feinverunreinigung, 70 bis 72 Zulauftrübung, 1 g/min Durchsatz).

Der in diesen Versuchsläufen verwendete Ladungsmodifizierer war ein kationisches kolloidales Siliciumoxid (3% Feststoffe), das etwa 15% Aluminiumoxid, basierend auf dem Gewicht der kolloidalen Feststoffe enthielt (bestimmt durch atomare Adsorption bei 309 nm mit einer Hohlkathodenlampe und Distickstoff-Monoxid-Acetylenflamme) mit einer Oberfläche von etwa 220 m²/g (Stickstoffadsorption), einem Partikeldurchmesser von etwa 15 bis 16 µm und einem Molekulargewicht von etwa 5 bis 18 Mio (Lichtstreuungsmethode). Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengefaßt.

Tabelle II

Claims (7)

1. Gewickeltes Einsatzfilter aus einem porösen rohrförmigen Element, das von übereinanderliegenden Wicklungen eines fortlaufenden Garnbündels gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Wicklungen mit einem kationischen kolloidalen Siliciumoxid modifiziert sind, wobei das kolloidale Siliciumoxid aus einer Dispersion positiv geladener kolloidaler Partikel erhalten wird, die einen dichten Siliciumoxidkern haben, der mit einer mehrwertigen Metall-Sauerstoff-Verbindung modifiziert ist.

2. Gewickeltes Einsatzfilter nach Anspruch 1, wobei das poröse, rohrförmige Element auch noch eine eingelegte kontinuierliche faserige Filtermittelschicht enthält, die mit dem Garnbündel zu einer kohärenten Struktur vereinigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der faserigen Filtermittelschicht ebenfalls mit dem kationischen kolloidalen Siliciumoxid modifiziert sind.

3. Gewickeltes Einsatzfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es genügend kationisches kolloidales Siliciumoxid enthält, um mindestens an einigen Bereichen des Filters ein positives Zetapotential vorzusehen.

4. Gewickeltes Einsatzfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen 2 und 5 Gew.-% des kationischen kolloidalen Siliciumoxids enthält.

5. Gewickeltes Einsatzfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrwertige Metall Aluminium ist und die Metall- Sauerstoff-Verbindung in einer Menge vorliegt, die ausreicht, um das Siliciumoxid mit einem Anteil von wenigstens 13 Gew.-% der kolloidalen Feststoffe zu überziehen.

6. Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Einsatzfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zunächst durch Wickeln eines fortlaufenden Garnbündels das gewickelte Einsatzfilter erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das trockene, vorgeformte gewickelte Einsatzfilter mit einer Dispersion positiv geladener kolloidaler Partikel, die einen dichten Siliciumoxidkern haben, der mit einer mehrwertigen Metall-Sauerstoff-Verbindung modifiziert ist, zur Bildung eines Oberflächenüberzugs auf den faserigen Oberflächen des Filters in einer Menge getränkt wird, die ausreicht, um die Filtrationseffizienz zu erhöhen, und das so getränkte Filter getrocknet und bei einer Temperatur unter 149°C gehärtet wird.

7. Verwendung eines porösen, gewickelten Einsatzfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Filterung einer Flüssigkeit mit hohen Durchsätzen und verbesserter Effizienz.