DE3938245A1 - Filtervorrichtung mit magnetisch aktivierbarem filtermaterial - Google Patents
Filtervorrichtung mit magnetisch aktivierbarem filtermaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung mit einer
Zulauf- und einer Ablaufkammer und einem dazwischen
angeordneten, relativ grobporigen Filterträger, auf dem ein
relativ feinporiges Filtermaterial angeordnet ist.
Filtervorrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt, und
sie haben den Nachteil, daß das feinporige Filtermaterial
nach kurzem Gebrauch verstopft ist, wodurch die
Filterleistung nachläßt, so daß das Filtermaterial gegen
neues ausgetauscht werden muß. Insbesondere, wenn teure
Filtermaterialien, die besonders widerstandsfähig sind bei
hohen Drücken und/oder zur Filtrierung von agressiven Medien
benutzt werden oder die sehr feinporig sind und zur
Reversosmose genutzt werden, zum Einsatz kommen, ist durch
den erforderlichen häufigen Materialwechsel der
Filterbetrieb recht teuer. Es ist deshalb gebräuchlich, zur
Einschränkung und Verzögerung der Filterverstopfung eine
Querbestromung des Filtermaterials in der Einlaufkammer
vorzunehmen und das sich vor dem Filtermaterial bildende
Konzentrat abzuführen. Die Filtereigenschaften, insbesondere
die Porengröße und die Druckbeständigkeit sind im
wesentlichen durch das feinporige Filtermaterial, das
gewöhnlich als Filtervlies, als Sintermaterial oder als
Membran ausgebildet ist, jeweils für bestimmte Anwendungen
festgelegt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Filtervorrichtung und ein
Filtermaterial zu offenbaren, das in der Filtervorrichtung
steuerbar unterschiedliche Filtereigenschaften aufweist und
während des Gebrauchs oder nach einem Gebrauch regenerierbar
ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß das feinporige
Filtermaterial aus einer Schicht ferromagnetischer Partikel
besteht, die durch ein steuerbares Magnetfeld auf dem
Filterträger in situ aufgebracht und untereinander lösbar
gehalten sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Als ferromagnetische Partikel können je nach der Art des zu
filtrierenden Mediums und dessen auszufilternder Stoffe
preisgünstige Ferritkristalle oder Eisen- oder
Eisenlegierungspartikel unmittelbar verwandt werden, falls
diese nämlich nicht von dem Medium angegriffen werden, oder
es können vorteilhaft mit inerten Materialien ummantelte
Partikel benutzt werden. Die Ummantelung kann z. B. aus einem
weitgehend beständigen Kunststoff wie Tetrafluorethylen oder
einer Glasschicht bestehen, die mit einem bekannten
Mikroverkapselungsverfahren auf die Ferritkristalle oder
Eisenteilchen aufgebracht ist. Die ummantelten Partikel
lassen sich insbesondere für eine Trinkwasserfilterung oder
eine Reversosmose verwenden, da im Trinkwasser ein niedriger
Eisengehalt bevorzugt ist.
Die Filtereigenschaften sind einerseits durch die
Partikelgröße und weiterhin durch deren Schichtdicke zu
bestimmen und leicht zu variieren. Darüberhinaus lassen sich
Partikel unterschiedlicher Oberflächenstruktur und
unterschiedlicher Form einzeln oder in geeigneten Mischungen
oder Schichtungen bedarfsweise in einfacher Weise
zusammensetzen. Es lassen sich auch Partikel aus
nicht-ferromagnetischem Material beim Aufbau der
Filterschicht in diese einlagern.
Weiterhin lassen sich die Filtereigenschaften vorteilhaft
durch die Stärke des Magnetfelds während des Aufbringens
des Filtermaterials und während des Filterbetriebs
beeinflussen.
Besonders vorteilhaft ist es, daß durch eine periodische
Variation des Magnetfeldes die veränderlichen magnetischen
Bindekräfte in Wechselwirkung mit der Strömungskraft des
flüssigen Mediums eine Vibration der Partikel bewirken,
durch die eine Einlagerung des Filterschlammes und ein
Verstopfen der Filterporen zu verhindern ist. Auf diese
Weise bleibt bei einem Querstrombetrieb, durch den das
Konzentrat beseitigt wird, das Filter fast unbegrenzt
konstant durchlässig. Hierdurch werden völlig neue
Anwendungsgebiete der Brauchwasserregenerierung, der
Meerwasserentsalzung zur Bewässerung und der
Trinkwassergewinnung erschlossen.
Statt für einen Querstrombetrieb läßt sich die
Filtervorrichtung auch für einen periodischen Betrieb
ausgestalten, wobei gebrauchtes Filtermaterial nach
Abschaltung des Magnetfelds aus dem Filterträger völlig
ausgespült wird und die ferromagnetischen Partikel dann
durch das erneut eingeschaltete Magnetfeld wieder in situ zu
einer Filterschicht zusammengelagert werden, worauf das
zurückbleibende Konzentrat abgeführt wird, bevor der
Filtervorgang wieder weitergeführt wird.
Das ausgespülte Filtermaterial läßt sich auch bei besonders
festhaftender Filterkontaminierung in eine gesonderte
Wasch- und Reinigungsvorrichtung abpumpen, von wo es nach
einer mechanischen und/oder chemischen Reinigung einer
späteren Wiederverwendung zuzuführen ist.
Das steuerbare Magnetfeld läßt sich sowohl durch einen
relativ zur Filtrierschicht verschieblich gelagerten
Permanentmagneten oder bevorzugt durch mindestens einen
elektrisch steuerbaren Elektromagneten erzeugen. Die
Wicklung des Elektromagneten läßt sich als Zylinderspule
außerhalb der Filterkammern anordnen, oder sie kann in
diesen, insbesondere in dem Filterträger selbst, eingelagert
sein. Die Bestromung kann mit Gleichstrom oder mit üblichem
Netz-Wechselstrom erfolgen, da die Mobilität der feinen
Magnetpartikel in dem flüssigen Medium relativ gering ist,
so daß die kurzen Unterbrechungen eines netzfrequenten
Stromes nicht stören.
Eine beispielhafte Ausgestaltung ist in Fig. 1 dargestellt,
wo eine z. B. zylindrische Anordnung gezeigt ist, die axial
durchströmt ist. Prinzipiell ist die Anordnung in
fachmännischer Weise auf andere geometrische Formen, z. B.
ein radial durchströmtes Filter, umzugestalten.
Fig. 1 zeigt eine Filtervorrichtung, schematisch im Schnitt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Filtervorrichtung schematisch.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 besteht aus einer Zulaufkammer
(1) und einer Ablaufkammer (2) zwischen denen ein
grobporiger Filterträger (3) angeordnet ist, auf dem sich
auf der Zustromseite eine feinporige Filterschicht (4)
befindet, die aus ferromagnetischen Partikeln besteht.
Abstromseitig des Filterträgers (3) ist ein Elektromagnet
(5) angeordnet, der eine Magnetisierungswicklung (50) trägt.
Der eine Magnetpol (51) erstreckt sich über die gesamte
Filterfläche und zwar abstromseitig des Filterträgers (3),
und der zweite Magnetpol (52) liegt seitlich der
Filterkammern (1, 2), so daß im zustromseitigen
Filterträgerbereich zu dem Filterträger (3) hin ein hoher
Magnetfeldgradient vorliegt, also in der Zulaufkammer (1)
ein zum Filterträger (3) hin zunehmendes Magnetfeld besteht,
das dort eingebrachte Magnetpartikel dorthin zieht und dort
als die Filterschicht (4) festhält.
Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird das Filtermaterial
in die Zulaufkammer (1) eingeschwämmt, und dann wird es
durch das eingeschaltete Magnetfeld als Filtrierschicht (4)
angezogen und zusammengelagert, wonach das zu filternde
Medium, z. B. Zuwasser (ZW), mit einer Pumpe (P) durch das
Filter (1, 2, 3, 4) gepumpt wird, so daß das Filtrat (F) in
einen Filtrattank (FT) und zum Gebrauch aus der Ablaufkammer
(2) abzuleiten ist.
Die Vorrichtung läßt sich im Querstrombetrieb betreiben,
wenn ein den Filterdruck haltendes Dosierventil (DV)
gegenüberliegend zum Einlauf (E) der Zulaufkammer (1)
querstrommäßig zum Filter (3, 4) angeordnet ist. Aus dem
druckhaltenden Dosierventil (DV) tritt das Konzentrat (AW1)
aus, und es ist von dort abzuführen.
Für einen periodischen Betrieb der Vorrichtung und eine
vorteilhafte Wiederaufbereitung des Filtermaterials ist
diese Vorrichtung mit umsteuerbaren Mehrwegventilen (V1-
V5) zu- und ablaufseitig ausgestattet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind einlaufseitig von
der Pumpe (P) vier verschiedene Zulaufmöglichkeiten durch
die Ventile (V1-V3) zu schalten, nämlich von ungefiltertem
Wasser (ZW), von frischem Filtermaterial aus einem
Filtermaterialtank (FM), von bereits gebrauchtem,
wiederaufbereitetem Filtermaterial aus einer
Waschvorrichtung (WV) oder von gefiltertem Wasser aus dem
Filtrattank (FT). Außerdem läßt sich das wiederaufbereitete
Filtermaterial in den Filtermaterialtank (FM) zurückführen.
Druckseitig der Pumpe (P) ist über das Ventil (V4) entweder
im Filterbetrieb die Zulaufkammer (1) oder im
Reinigungsbetrieb die Ablaufkammer (2) angeschlossen. Im
Reinigungsbetrieb wird die Filtervorrichtung (1, 2, 3, 4)
bei abgeschaltetem Magnetfeld invers betrieben und das
freiwerdende Filtermaterial und das beim Filtern vorher
zurückgehaltene Konzentrat durch die entsprechend
geschalteten Ventile (V4, V5) in die Waschvorrichtung (WV)
geleitet, von wo ausgangsseitig das belastete Abwasser (AW2)
abgeführt wird.
Die Ventile (V1-V5) sind in der Filterbetriebsstellung
dargestellt.
Es sind folgende Ventilschaltungen vorgesehen:
Filtermaterial zuführen:
FM - V3 - V2 - P - V4 - 1.
FM - V3 - V2 - P - V4 - 1.
Filtrieren:
ZW - V1 - V2 - P - V4 - 1 - 4 - 3 - 2 - V4 - V5 - FT,F.
ZW - V1 - V2 - P - V4 - 1 - 4 - 3 - 2 - V4 - V5 - FT,F.
Reinigen:
ZW - V1 - V2 - P - V4 - 2 - 3 - 1 - V4 - V5 - WV - V3 - AW2.
ZW - V1 - V2 - P - V4 - 2 - 3 - 1 - V4 - V5 - WV - V3 - AW2.
Spülen und Filtermaterial zurückführen:
FT - V1 - V2 - P - V4 - 2 - 1 - V4 - V5 - WV - V3 - V2 - FM.
FT - V1 - V2 - P - V4 - 2 - 1 - V4 - V5 - WV - V3 - V2 - FM.
Weitere Schaltungsarten lassen sich fachmännisch vornehmen.
Die gezeigte Ventilanordnung läßt sich fachmännisch auf
andere Anordnungen übertragen, die die gleichen oder
entsprechende Wege zwischen den Komponenten steuerbar
herstellen lassen.
Das Magnetfeld wird entsprechend einer jeweils geforderten
Packungsdichte der Partikel in seiner Intensität gewählt.
Sie wird bei einer Wasserfiltration vorzugsweise über eine
Leitfähigkeitsmessung des Filtrats bestimmt, wozu der Sensor
(S) dient, der die Stromquelle (I) des Magneten (5) steuert.
Diese ist eingangsseitig mit einer Netzwechselspannung (U)
beaufschlagt.
Das Magnetfeld wird vorzugsweise periodisch verändert, indem
die Stromquelle mit einem Takt beaufschlagt ist. Dieser Takt
ist für die Zeit des Filteraufbaus so gewählt, daß sich
eine vorgegebene Porösität in Verbindung mit dem zugeführten
ferromagnetischen Material ausbildet, und weiterhin während
der Filtrierzeit so gewählt, daß die Filterschicht so
vibriert, daß sich keine Kontamination an die Filterpartikel
anlagert und kein zurückgehaltenes Material in das Filter
einlagert.
Die Pumpe (P) ist für eine Reversosmose zweckmäßig für einen
Druck von 10 bis 15 bar ausgelegt.
Fig. 2 zeigt ausschnittsweise stark vergrößert eine
Anordnung der Magnetspule (50′) im Filterträger (30) der aus
einer engmaschigen, gitterartigen Leiteranordnung mit einer
isolierenden Schutzbeschichtung, z. B. aus mehrschichtiger
Emaille, besteht. Das Magnetfeld bildet sich in den
Maschenöffnungen der Leiter aus, in denen sich das zuerst
zugeführte Filtermaterial (4′) bei vorhandenem Magnetfeld
einlagert, worauf sich dann eine weitere Filterschicht (40)
aufbaut. Die Dicke und die Struktur dieser Schicht ist je
nach der Stromstärke und deren Frequenz sowie dem
zugeführten Material ausgebildet. Die im Einzelfall
geeignete Stromstärke, Frequenz und Filtermaterialmenge und
Materialart ist durch Versuche fachmännisch leicht zu
bestimmen.
Weitere Anwendungen sind chemisch-biologische Trennverfahren
und Anreicherung von Stoffen auf der Konzentratseite.
Claims (25)
1. Filtervorrichtung mit einer Zulaufkammer (1) und einer
Ablaufkammer (2) und einem dazwischen angeordneten relativ
grobporigen Filterträger (3, 30) auf dem ein relativ
feinporiges Filtermaterial (4, 40) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das feinporige Filtermaterial (4, 40) aus einer Schicht
ferromagnetischer Partikel besteht, die durch ein
steuerbares Magnetfeld auf dem Filterträger (3, 30) in situ
aufgebracht und untereinander lösbar gehalten sind.
2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Partikel aus Ferritkristallen
und/oder Eisenpulver bestehen.
3. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Partikel mit einem
Schutzüberzug mikroverkapselt sind.
4. Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schutzüberzug aus Kunststoff, z. B.
Polytetrafluorethylen, oder aus Glas besteht.
5. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel kugel-,
knollen-, stäbchen- oder fadenförmige Gestalt haben.
6. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in der Zulaufkammer (1)
eine steigende Intensität in Richtung auf den Filterträger
(3, 30) hin aufweist.
7. Filtervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einem Magneten (5)
erzeugt ist, dessen eine Polfläche (51) sich flächig
abstromseitig des Filterträgers (3) erstreckt und dessen
andere Polfläche (52) sich seitlich der Kammer (1, 2)
befindet.
8. Filtervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Magnet (5) ein Elektromagnet mit
einer stromdurchflossenen Spule (50) ist.
9. Filtervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Magnet (5) ein Dauermagnet ist.
10. Filtervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dauermagnet in seiner Lage relativ
zum Filterträger (3) verschieblich gelagert ist.
11. Filtervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einer
stromdurchflossenen Leiteranordnung (50′) in oder auf dem
Filterträger (30) erzeugt ist.
12. Filtervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (50′) netzförmig
ist.
13. Filtervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (50′) ein- oder
mehrfach schutzbeschichtet ist.
14. Filtervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schutzbeschichtung aus Kunststoff
oder Emaille besteht.
15. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufkammer (1)
zu einer querstrommäßigen Beaufschlagung einerseits einen
Zustromanschluß (E) hat, der druckbeaufschlagt ist und
andererseits mit einem, einen vorgegebenen Druck haltenden,
Drosselventil (DV) verbunden ist, von dem abstromseitig ein
bei einer Filtrierung laufend anfallendes Konzentrat (AW1)
abzuführen ist.
16. Filtervorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der
Filtervorrichtung (1, 2, 3, 4) eine Pumpe (P) angeordnet
ist, die zuflußseitig, durch steuerbare Ventile (V1, V2, V3)
gesteuert, jeweils mit einem Zufluß (ZL) eines zu
filtrierenden Mediums oder mit einem Behälter mit
Filtermaterial (FM) oder ggf. mit einer
Filtermaterial-Reinigungsvorrichtung (WV) oder mit einem
Filtrattank (FT) verbindbar ist.
17. Filtervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung (1, 2, 3, 4)
abstromseitig durch ein steuerbares Ventil (V5) entweder mit
der Reinigungsvorrichtung (WV) oder mit dem Filtrattank (FT)
und/oder einer Filtratleitung (F) gesteuert verbindbar ist.
18. Filtervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Filterkammern (1, 2) jeweils
mit einem Anschluß (E, A) an ein steuerbares Umschaltventil
(V4) angeschlossen sind, dessen gesteuert wechselseitig
zugeordnet verbindbaren Anschlüssen einerseits druckseitig
mit der Pumpe (P) und andererseits abstromseitig
angeschlossen sind.
19. Filtervorrichtung nach Anspruch 8 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spule (50) oder die Leiteranordnung
(50′) von einer steuerbaren Stromquelle (I) beaufschlagt
ist.
20. Filtervorrichtung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I) mit einer
Netzwechselspannung (U) gespeist ist.
21. Filtervorrichtung nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß der Netzwechselstrom (U) in der
Stromquelle (I) gleichgerichtet ist.
22. Filtervorrichtung nach Anspruch 20 und 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I) mit einem
niederfrequenten Takt (T) gesteuert ist.
23. Filtervorrichtung nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der Takt (T) während einer Anlagerung
des Filtermaterials am Filterträger (3) derart bestimmt ist,
daß eine vorgegebene Porösität der Filterschicht (4, 40)
entsteht.
24. Filtervorrichtung nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der Takt (T) während eines
Filtrierbetriebs derart bestimmt ist, daß eine derartige
Vibration der Partikel auftritt, daß eine Anlagerung der
zurückzuhaltenden Stoffe an das Filtermaterial und eine
Einlagerung derselben in die Filterschicht (4, 40) nicht
erfolgt.
25. Filtervorrichtung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I) eine Stromstärke des
Magnetisierungsstroms abhängig von einem Meßsignal
mindestens eines Sensors (S) steuert, der im Filtrat
angeordnet ist.
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