DE3522725A1 - Verfahren zur herstellung eines filters mit poren von vorbestimmter und etwa gleicher mikrogroesse sowie nach diesem verfahren hergestellter filter - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines filters mit poren von vorbestimmter und etwa gleicher mikrogroesse sowie nach diesem verfahren hergestellter filter

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters mit Poren von vorbestimmter und etwa gleicher Mikro­ größe sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Filter nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 12.
Nach der zum Stand der Technik zählenden, nicht vorveröffent­ lichten Patentanmeldung P 35 15 025.4 soll auf einen Fil­ ter ein die Größe der Poren verringernder Materialauftrag aufgebracht werden. Hierbei besitzt der Filter eine im we­ sentlichen ebene Form und wird durch ein Gewebe gebildet.
Es sind auch bereits schlauch- oder rohrförmige Filter mit Poren im Mikrofilterbereich bekannt. Diese finden insbe­ sondere Verwendung in der Totend-, Querstrom- oder Wirbel­ strom-Filtration. Sie werden zur Stofftrennung aus Flüssig­ keiten oder Gasen angewendet. Bei einigen Verfahren wird zur Reinigung der Filter ein Rückspülverfahren angewandt. Die verwendeten Materialien bestehen vorwiegend aus Poly­ meren, gesintertem Metall, Glas oder Keramik. Sie sind ther­ misch, chemisch oder mechanisch teilweise nur gering belast­ bar. Ihre Porengrößen sind sehr unterschiedlich; ihre Poren­ verteilung ist ungleichmäßig. Eine definierbare Änderung der Porengröße ist nach Beendigung des Fertigungsprozesses der Filter und somit auch im laufenden Betrieb nicht mehr mög­ lich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zu schaffen, der die Form eines Rohres oder eines Schlauches besitzt und dessen Porengröße verkleinert und vergleichmäßigt wird, wobei die Festigkeit des Filters beibehalten oder erhöht wird. Zudem soll es mög­ lich sein, die Porengröße vor oder während des Filterprozes­ ses stetig zu verändern.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der kenn­ zeichnenden Teile des Patentanspruches 1 und des Patentan­ spruches 12.
Dadurch, daß ein schlauch- oder rohrförmiger Filter mit einem Materialauftrag versehen wird, kann die Porengröße noch weiter verkleinert werden. Wird zudem ein zunächst die Poren vollständig verschließender Materialauftrag verwendet, der im Bereich der Poren wieder geöffnet wird, stellen sich verkleinerte Poren von gleichmäßiger Größe ein. Durch die Ausbildung des Filters als Spiralrohr ist es möglich, die Filterwindungen mit oder ohne Vorspannung zu versehen. Hier­ bei ist es auch möglich, einem solchen Filterrohr eine Fe­ der beizuordnen oder eine Federwirkung zu verleihen. Wird es einer Zugwirkung ausgesetzt, kann die Porengröße verän­ dert werden, wenn das Auftragsmaterial in begrenztem Maße nachgiebig oder elastisch ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Filterrohres aus einer entspannten Spirale;
Fig. 2 eine Ansicht eines Filterrohres aus einer Spirale in gespanntem Zustand;
Fig. 3 einen vertikalen Teilschnitt durch ein Filterrohr nach Fig. 1;
Fig. 4 einen vertikalen Teilschnitt durch ein Filterrohr nach Fig. 1, jedoch mit Ma­ terialauftrag und wieder geöffneten Po­ ren;
Fig. 5 einen vertikalen Teilschnitt durch ein Filterrohr nach Fig. 1 aus Draht und Materialauftrag in Form einer semiper­ meablen Membran;
Fig. 6 eine Ansicht eines Filterrohres;
Fig. 7 einen vertikalen Teilschnitt durch ein Filterrohr mit eingelagerter Zugfeder als Vorfilter und Spann- und Rückhol­ feder zur Porengrößenänderung;
Fig. 8 die perspektivische Ansicht eines Filter­ moduls aus mehreren Filterrohrspiralen mit einem Endflansch, der durch eine Zugvorrichtung axial bewegt werden kann.
Der Filter 1 besteht aus einem Rohr 2. Das Rohr 2 kann kreis­ förmigen, ovalen oder eckigen Querschnitt besitzen. Es kann in Längsrichtung mit gleichbleibendem Querschnitt oder sich verjüngend ausgebildet sein.
Dieses Rohr 2 kann von einer unter Vorspannung gewickelten Spirale 3 gebildet sein. Die Spirale 3 mit den Windungen 4 kann aus einem massiven Draht, aus Litzen, Fasern, Faser­ bündeln oder Geweben, zu Strängen gebündelt aus Metall, Kunststoff, aus organischem oder anorganischem Material bestehen, das glatt, gedrillt oder verwoben ist. Die Spira­ le 3 kann ein- oder mehrgängig gewickelt sein.
Die Spirale 3 kann so gewickelt werden, daß die Windungen 4 ohne Vorspannung aneinanderliegen (Fig. 1) oder sie kann mit Vorspannung gewickelt werden (Fig. 2).
Selbst beim Wickeln unter sehr hoher Vorspannung und bei Verwendung weichen und faserigen Materials lassen sich Po­ ren 5 unter 1 µm zwischen den einzelnen, aneinanderliegen­ den Windungen 4 nicht erzielen.
Nach Fig. 4 wird zur Verringerung der Poren 5 auf den Filter 1 ein Materialauftrag 6 aufgebracht. Dieser umhüllt die zu­ gängliche Oberfläche der Spirale 3 des Filters 1.
Die Stärke des Materialauftrags 6 ist vorbestimmt. Somit wird die Größe der vorhandenen Poren 5 zwischen den Win­ dungen 4 um einen vorbestimmten Wert verringert.
Das Aufbringen des Materialauftrages kann auf elektrolyti­ schem Wege, galvanischem Wege, chemisch, durch Aufdampfen oder durch Aufsprühen erfolgen.
Als Materialauftrag 6 kann Metall, Kunststoff, organisches Material oder beliebiges gesintertes Material verwendet wer­ den.
Bei entsprechender Materialfestigkeit bleibt die Stabili­ tät der Spirale 3 des Filters 1 erhalten bzw. wird erhöht.
Bei dem Filter 1 nach Fig. 4 kann der Materialauftrag 6 auch bis zum völligen Verschluß der Poren 5 zwischen den Windungen 4 der Spirale 3 erfolgen.
Anschließend erfolgt eine Wiederöffnung der Poren 5 mit geringerer Größe. Das Wiederöffnen kann durch Ätzen unter Verwendung von Säure oder Laugen oder durch elektrolyti­ schen Abtrag an den Stellen des dünnsten Materialauftrages 6 erfolgen.
Der Materialauftrag 6 kann wiederum aus Metall oder Kunst­ stoff bestehen.
Nach einer geänderten Ausführungsform nach Fig. 5 kann an die Spirale 3 des Filters 1 eine semipermeable Membran 6′ angelagert oder eingebaut werden.
Zwischen Membran 6′ und der Spirale 3 wird eine feste Ver­ bindung hergestellt.
Als Ausgangsmaterial für die semipermeable Membran 6′ wer­ den zum Beispiel Polymere in bekannter Weise verarbeitet. Während dieses Verarbeitungsprozesses wird die Membran 6′ an die Spirale 3 angebracht oder an diese angelagert.
Nach einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform können die Drähte oder Fasern der Spirale 3 vor oder nach dem Wickelprozeß mit feinsten, organischen oder anorgani­ schen Partikeln versehen werden, die ihrerseits mit ihren kristallinen oder gitterförmigen Strukturen und ihren Zwi­ schenräumen erhöhte und für den speziellen Anwendungsfall geeignete Filterwirkungen ausüben.
Hierzu zählen Graphit-, Graphitoxid-, Metall-, Metalloxid-, Keramik- und andere Partikel, die allein oder gemeinsam mit einem Trägermaterial (Suspension, z.B. aus Wasser, Fett oder Öl) auf die Drähte oder Fasern aufgebracht oder in die Zwi­ schenräume der Spirale eingebracht werden und anschließend fest mit dem Trägermaterial verbunden werden. Zur besseren Verteilung und Haftung geeigneter Metallpartikel können Me­ talldrähte oder -fasern aufmagnetisiert werden. Die Filter­ wirkung der Partikel entsteht durch deren Porösität.
Nach Fig. 6 wird die Spirale 3 des Filters 1 vor der wei­ teren Bearbeitung durch Biegen beliebig geformt. Auf diese Weise wird es möglich, an den Stellen größerer Porenöffnung einen stärkeren Materialauftrag an die Windungen anzulagern als an die Stellen mit geringerer Porenöffnung. Bei ausrei­ chender Schichtdicke des angelagerten Materials und geeig­ neter Materialwahl wird somit eine bleibende Verformung der Spirale erzielt. Bei geeigneter Verformung der Filterspi­ ralen lassen sich somit die Verfahrensvorteile der Totend- und Querstrom-Mikrofiltration in einem Modul und Verfahrens­ durchgang kombinieren.
Nach Fig. 5 werden die zur Bildung der Spirale 3 verwen­ deten Drähte oder Faserbündel so profiliert, daß sie dek­ kungsgleich ineinandergreifen können. Je nach Ausbildung des Profils kann auf diese Weise die Filterstruktur der Rohlösung oder dem Rohgas angepaßt, durch eingelagerte Stof­ fe oder Partikel die Filterfeinheit weiter erhöht werden und eine Kombination aus Oberflächen-und Tiefenfilterwir­ kung herbeigeführt werden. Das Ineinandergreifen der Pro­ file erfolgt durch Ausübung einer ausreichenden Vorspannung beim Wickeln der Spirale.
Rohlösungen oder Rohgase können mit groben Partikeln so hoch belastet sein, daß Mikrofilter in kürzester Zeit belegt und trotz Rückspülung unbrauchbar werden. In diesen Fällen ist eine Vorfiltration notwendig. Sie erfolgt zweckmäßig in ei­ nem Arbeitsgang mit der Mikrofiltration.
Fig. 7 zeigt ein Filter 1 mit einer filternden Spirale 3 und einer eingelagerten weiteren, vorfilternden Spirale 7, die als Zugfeder ausgebildet ist. Rohlösung oder Rohgas fließen zunächst zum Zweck der Vorfilterung in die einge­ lagerte Spirale 7. Erst das vorgefilterte Medium kommt mit der äußeren Spirale 3 in Berührung, die den Mikrofilter 1 bildet. Bei extrem starker Verschmutzung oder sehr unter­ schiedlichen Partikel-Arten- und -Größen können eine oder mehrere weitere innere Spiralen 7 eingelagert werden.
Zur Aufrechterhaltung ausreichender Filterdrücke werden zwischen dem ersten Vorfilter 8 und dem (oder den) nachge­ ordneten Filtern 1 geeignete Medien (z.B. Filtrat oder Zwi­ schenfiltrat) unter Druck hindurchgeleitet.
Die in Fig. 7 gezeigte eingelagerte weitere Spirale 7 kann als (ebenso wie die Spirale 3 des Mikrofilters) Zugfeder ausgebildet werden. In dieser Eigenschaft dient sie nicht allein als Vorfilter 8, sondern auch als Rückholfeder für den Fall, daß das gesamte "Spiralfiltersystem" in seiner Porengröße gleitend verändert werden soll.
Eine Änderung der Porengröße kann im Filterprozeß selbst notwendig werden (Anpassung an Rohlösungen oder Rohgase mit extrem unterschiedlicher Zusammensetzung). Sie ist in jedem Fall zweckmäßig zur Erleichterung der Rückspülung und für Reinigungszwecke.
Fig. 8 zeigt, wie ein Filter-Spiral-Bündel, das aus Innen- und Außenspiralen 3, 7 nach Fig. 7 bestehen kann, gemein­ sam an einem Flansch 9 befestigt werden. Durch definiertes Bewegen des Flansches 10 in axialer Richtung werden unter Festhalten der anderen Enden die Spiralen 3, 7 verlängert und somit die Filterporen 5 vergrößert. Da die jeweilige Außenspirale 3, die als Mikrofilter dient, häufig aus sehr dünnen Drähten oder Faserbündeln besteht, reicht ihre ei­ gene Federkraft zumeist nicht aus, um sie exakt in ihre Ausgangslage zurückzuführen. Diese Aufgabe übernimmt eine Zugfeder nach Fig. 7, die somit eine Doppelfunktion als Filterspirale und Rückholfeder erfüllen kann. Die definierte Bewegung in axialer Richtung kann manuell über eine Mikro­ schraube, aber auch durch einen (Getriebe-)Stellmotor, ei­ nen Schrittmotor oder ein anderes Stellaggregat mit Rück­ lauf, ggf. mit Drehzahlregelung oder Mikroprozessor-Steue­ rung, erfolgen. Die definierte Rückholung bleibt somit nicht allein der Rückholfeder überlassen. Bei geeigneter Wahl des Vor- und Rücklauf-Aggregates kann auf die Rückholfeder ver­ zichtet werden, oder sie wird durch ein Führungsrohr er­ setzt, das verhindert, daß sich der Mikrospiralfilter in un­ erwünschter Weise in radialer Richtung bewegt.
Das Führungsrohr kann perforiert sein und auf diese Weise Vorfilterfunktionen, ähnlich wie der Spiral-Vorfilter 8, ausüben. In einer besonderen Ausführung besteht es aus ei­ nem Rohr aus Gewebe, z.B. Metall, das ebenso durch Ma­ terialauftrag 6 in vorbeschriebener Weise in seinen Poren 5 verkleinert wurde.
Dieses Rohr kann wahlweise ausschließlich als Filter- oder Vorfilterrohr im beschriebenen Filtersystem eingesetzt wer­ den. Es kann auch autark (außerhalb des Systems) oder als kombiniertes (Vor-)Filter und Stützrohr verwendet werden. Beim Einsatz als Stützrohr wird es zum Zweck des Längsaus­ gleiches bei einer gleitenden Änderung der Porengrößen an zumindest einer Stelle mit einem Federteil ausgerüstet sein, das undurchlässig für Rohlösungen oder Rohgase ist.
Die Spiraldrähte oder -Fasern nach Fig. 1 können aus fein­ sten Drähten oder Fasern (bis in den Bereich weniger µm) gewickelt werden. In diesen Fällen reicht die Stabilität der Spirale im allgemeinen nicht aus, um gleichbleibende Porengrößen zu gewährleisten. Die Spiralwindungen werden daher entweder auf Gerüste aus perforiertem Rohr, grob po­ rösem Material (z.B. gesinterte Materialien), Drahtkonstruk­ tionen oder andere Flüssigkeits- oder gasdurchlässige Gerü­ ste gewickelt. Sie werden zusätzlich oder stattdessen mit­ einander in axialer Richtung auf geringstmöglicher Fläche miteinander verschweißt, verklebt oder in sonstiger Weise nach chemischen, thermischen oder mechanischen Verfahren miteinander so verbunden, daß die geringstmögliche Poren­ öffnung verloren geht.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung eines Filters mit Poren von vorbestimmter und etwa gleicher Mikrogröße, bei dem auf den Filter ein die Größe der Poren verringernder Mate­ rialauftrag aufgebracht wird, nach Patent . . . (Patentanmeldung P 35 15 025.4), dadurch gekennzeichnet, daß als Filter ein Rohr (2) mit Poren (5) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohr (2) für den Filter (1) eine Spirale (3) mit dicht aneinanderliegenden Windungen (4) verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spirale (3) vor dem Materialauftrag (6, 6′) gespannt wird, so daß sich nach dem Material­ auftrag bei Wahl geeigneten, nachgebenden Materials die Vorspannung und damit der Druck auf den Materialauftrag erhöht.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet daß die Spirale (3) vor dem Materialauftrag (6) gekrümmt wird und die weitere Behandlung so erfolgt, daß die Krümmung nach dem Materialauftrag (3) beibehalten bleibt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildung der Spirale (3) verwendeten Drähte so profiliert sind, daß sie ineinandergreifen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag von einer semipermeablen Membran (6′) gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag (6) in Form von feinsten Partikeln unter Druck gebildet wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spirale (3) aus Metall, Kunststoff oder organischem Material besteht.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spirale (3) aus verdrillten oder ver­ flochtenen Fäden oder Faserbündeln besteht.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Materialauftrag (6, 6′) elektrolytisch, chemische, galvanisch, durch Bedampfen oder durch Auf­ sprühen aufgebracht wird.
12. Filter, hergestellt unter Anwendung eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er (1) einen die Größe der Poren (5) bestimmenden Material­ auftrag (6) oder eine Materialschicht (6′) besitzt.
13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in eine oder mehrere der Filterspiralen (3) innere Spi­ ralen (7) als Zugfedern eingelagert sind, die in glei­ cher Weise oberflächenmäßig behandelt werden wie die äußeren Spiralen (3).
14. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Spiralen (7) als Vorfilter dienen, die größere Poren (5) besitzen als die äußere Spirale (3).
15. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralen (3 und 7) gemeinsam mit einem Endflansch (10) verbunden sind, der mit einer Zugvorrichtung ver­ bunden ist.
16. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale (3) des Filters (1) aus feinsten Drähten (bis in den Bereich weniger µm) gewickelt ist, die in axialer Richtung zur Erhöhung der Stabilität miteinan­ der durch Schweißen (z.B. Laserschweißen), Kleben oder andere chemische, thermische oder mechanische Verfahren auf geringstmöglicher Fläche verbunden sind.
17. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralwindungen (4) auf Gerüste aus perforiertem Rohr, grob porösem Material, Drahtkonstruktionen oder andere flüssigkeits- oder gasdurchlässige Gerüste ge­ wickelt wird.
18. Filter nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der als Filter wirkenden Spirale (3) und der als Zugfeder und/oder als Vorfilter wirken­ den Spirale (7) durch Flüssigkeiten oder Gase ein Druck ausgeübt wird, der geringer als der Druck innerhalb der als Vorfilter (8) dienenden Spirale (7) ist, aber höher als 1 bar, so daß ein ausreichender Filtrationsdruck auf den Spiralfilter (1) ausgeübt wird.
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