DE4010526A1

DE4010526A1 - Filtermaterial in form von flexiblen blaettern oder bahnen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE4010526A1
Application number: DE4010526A
Authority: DE
Inventors: Helmut Rueger; Gerd Ritter; Hans Hofmann; Peter Breitbach
Original assignee: Seitz Filter Werke GmbH and Co; Seitz Filter Werke Theo and Geo Seitz GmbH and Co
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-04-02
Publication date: 1990-10-18
Anticipated expiration: 2010-04-03
Also published as: GB2230278B; CH683595A5; GB2230278A; DE4010526C2; US5223139A; GB9008179D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial, aufgebaut aus einem Gerüst von Kunst- und/oder Naturfasern mit eingelagertem, Trubstoffe aufnehmendem Filtermedium.

Filtermaterial mit diesem grundsätzlichen Aufbau ist als Tiefenfiltermaterial oder Tiefbettfiltermaterial bisher in Form steifer Platten oder Filterschichten bekannt und wird bevorzugt in Filterpressen und ähnlichen Filtergeräten eingesetzt. Es läßt sich aber nicht für solche Anwendungsfälle einsetzen, bei welchen es auf spezielle Formgebungen und mehr oder weniger starke Verformung des Filtermaterials beim Einbringen in ein Filtergerät oder ein Filterelement ankommt.

In DE-AS 15 61 753 ist zwar ein bandförmiges oder bahnförmiges zweischichtiges Filtermaterial beschrieben, das auf einer dünnen Grundschicht wesentlich dichterer Struktur aus Fasermaterial und eine aus Fasermaterial ausgebildete grobstrukturierte Schicht aus Fasern aufweist, wobei die Fasern in der dünnen Grundschicht in der Schichtfläche orientiert und in der grob strukturierten Schicht im wesentlichen rechtwinklig zur Schichtfläche orientiert sind. Der Zusammenhalt der Fasern in den Schichten, insbesondere in der grob strukturierten Schicht wird durch ein Harzbindemittel erreicht. Dieses Filtermaterial kann zwar mit relativ geringer Dicke und flexibel ausgebildet werden, es hat aber nur in sehr geringem Maße Tiefenfiltereigenschaften, wenn ihm überhaupt solche zugeschrieben werden können.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein flexibles, biegsames Filtermaterial verfügbar zu machen, das sich jeder geometrischen Form anpassen läßt und in Art eines Tiefenfiltervlieses gleiche Trenncharakteristik für Trubstoffe aufweist, wie die bekannten Tiefenfilterschichten, aber darüberhinaus noch wesentlich bessere Regenerierbarkeit besitzt als die bekannten Tiefenfilterschichten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Ausbildung des Filtermaterials in Form von flexiblen Blättern oder Bahnen mit vliesartiger Struktur in der Kombination

a) eines Grundgerüstes in Form einer Matrix aus selbstbindenden Kunst- und/oder Naturfasern, die zumindest teilweise fibrilliert sind und einen Mahlgrad von 5° bis 50° SR besitzen, mit
b) einem in das Grundgerüst eingelagerten Filtermedium aus sehr fein fibrilliertem Faserstoff und/oder inerten Partikeln, wobei das Filtermedium zumindest teilweise eine in der Matrix des Grundgerüstes verankerte, feine räumliche Kettenstruktur bildet.

Die erfindungsgemäßen Filtervliese können in Folge ihrer geringen Dicke und ihrer Flexibilität plissiert d.h. wellenförmig gelegt oder auch gewickelt werden und eignen sich dadurch zur Verarbeitung in Filterelemente, die zur Filtration von trubhaltigen bzw. kolloidal belasteten Medien und/oder zur selektiven Stofftrennung aus einer Lösung eingesetzt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Grundgerüst aus einem Gemisch von Polyolefinfasern und/oder reinem Zellstoff, vorzugsweise Nadelholzzellstoff, und/oder Baumwollfasern gebildet sein, wobei das Gemisch im Naßverfahren auf 5° bis 50° SR fibrillierend gemahlen ist.

Das Filtermedium kann in einer bevorzugten Ausführungsform 0 bis 40 Gew.-% im Naßverfahren sehr fein fibrillierend gemahlene Nadelholzzellstoff und/oder Baumwollfasern mit einem Mahlgrad von vorzugsweise 50° bis ≧ 90° SR und/oder sehr feine Kunstfasern, vorzugsweise Zelluloseacetatfasern enthalten. Die Fasern des Filtermediums können dabei mit 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf Feststoffe) eines in der Papierindustrie üblichen, mit einem Lösungsmittel verdünnten Retentionsmittel, z.B. Polyethylenimin, versetzt sein.

Das Filtermedium kann ferner 0 bis 70 Gew.-% inerte Partikel mit definierter Teilchengröße zwischen 0,5 und 100 µm enthalten. Die inerten Partikel des Filtermediums können aus Agglomeratteilchen, vorzugsweise Agglomeratteilchen aus Fällungskieselsäure, bestehen oder solche Agglomeratteilchen enthalten. Das Filtermedium kann - insbesondere wenn es inerte Partikel aufweist - 0 bis 4,0 Gew.-% Retentionsmittel, beispielsweise Polyamin, enthalten.

An der Oberfläche der fibrillierten Fasern und/oder der Agglomeratteilchen des Filtermediums können physikalische und/oder chemische Umwandlungen bewirkende Stoffe gegen Extrahieren sicher gebunden sein. Es können auch auf diese Weise die elektrisch ungeladenen Komponenten mittels eines Retentionsmittels während des Herstellungsprozesses kationisch oder anionisch geladen werden. Es ist auch möglich, immobilisierte Zellen und/oder Enzyme an der Oberfläche der sehr fein fibrillierten Fasern und/oder der Agglomeratteilchen des Filtermediums zu binden. Dem jeweiligen Anwendungsfall des Filtermaterials entsprechend können auch ausgewählte Bio-Katalysatoren an der Oberfläche der fibrillierten Fasern und/oder der Agglomeratteilchen des Filtermediums gebunden sein.

Um das Filtermaterial zusätzlich zu verfestigen, können weitere Kunststoffe in das Filtermaterial eingebracht werden, die eine zusätzliche Vernetzung bewirken. Solche Kunststoffe können vorzugsweise Polyacrylate sein. Diese Kunststoffe werden der fertigen Maische zugegeben, in dem bereits das Retentionsmittel enthalten ist, um eine entsprechende Ausflockung zu erreichen. Der Anteil dieser vernetzbaren Kunststoffe liegt im Bereich von mehr als 0 bis 10 Gew.-% bezogen auf das gesamte Filtermaterial.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen vliesartigen Filtermaterials besteht neben der flexiblen und sicher verarbeitbaren und verformbaren Ausbildung in Form von 0,5 mm bis 5 mm dicken vliesartigen Blättern oder Bahnen darin, daß dieses Filtermaterial trotz seiner flexiblen Ausbildung in seinen Filtereigenschaften den Tiefenfilterschichten nicht nachsteht und sich außerdem aufgrund seiner erfindungsgemäßen Zusammensetzung wesentlich besser regenerieren läßt als die bisherigen Tiefenfilterschichten. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Filtermaterials bestehen darin, daß alle seine oben angeführten Inhaltsstoffe im Prinzip ionenarm bzw. ionenfrei, AOX-frei und frei von sonstigen organischen Schadstoffen sind, also hohen Reinheitsanforderungen entsprechen.

Die erfindungsgemäßen Filtervliese lassen sich in unterschiedlichen Porengrößen und unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften herstellen. Dabei bietet sich die Möglichkeit derartige Filtervliese mit unterschiedlichen Porengrößen und unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften bei der Herstellung von Filterelementen zu kombinieren.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filtermaterials eignet sich insbesondere ein Verfahren, das sich durch die folgenden Verfahrensschritte kennzeichnet:

a) Das Grundgerüst des Filtermaterials bilden die Kunstfasern und/oder Naturfasern, welche in der Lage sind, eine selbstbindende Matrix zu bilden, und die im Naßverfahren fibrillierend auf 5° bis 50° SR gemahlen werden
b) dem durch Mahlen der das Grundgerüst bildenden Fasern gebildeten Faserstoff/Flüssigkeitsgemisch werden 0 bis 40 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt) im Naßverfahren auf einen Mahlgrad von 50° bis ≧ 90° SR gemahlene Fasern eines Nadelholzzellstoffes und/oder Baumwollfasern und/oder Kunstfasern, vorzugsweise Zelluloseacetatfasern und/oder 0 bis 70 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt) poröse, inerte Partikel in Form von Agglomeratteilchen, vorzugsweise Fällungskieselsäure, beigemischt;
c) die durch dieses Vermischen gebildete Maische wird mittels eines an sich bekannten Verfilzungsverfahrens zu einem 0,5 mm bis 5 mm dicken Vlies geformt, das anschließend getrocknet wird.

Dieses Herstellungsverfahren läßt sich einfach und umweltschonend durchführen. Es läßt sich hinsichtlich Zugabe weiterer Bestandteile und hinsichtlich Verfahrensführung in weitem Maße speziellen Anforderungen anpassen, um ein Filtermaterial mit Vliesstruktur als Verfahrensprodukt zu erhalten, das jeweils gewünschten speziellen Filtrationsaufgaben gerecht wird. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dem Gemisch von gemahlenen Fasern des Grundgerüstes mit Filtermedium in Verdünnungsmittel 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt) Retentionsmittel in 1- bis 5%iger, vorzugsweise in 1%iger Verdünnung, beispielsweise Polyamin zugesetzt werden.

Die dem Gemisch von gemahlenen Fasern des Grundgerüstes und Verdünnungsmittels zuzugebenden Fasern des Filtermediums können auf 50° bis ≧ 90° SR feingemahlen und unmittelbar nach diesem Mahlvorgang mit 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf Feststoffgehalt) eines Retentionsmittels in 1% bis 5%iger, vorzugsweise in 1%iger Verdünnung, beispielsweise Polyethylenimin zugegeben und damit elektrisch umgeladen werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die dem Gemisch von gemahlenen Fasern des Grundgerüstes mit Verdünnungsmittel zuzusetzenden porösen, inerten Partikel mit einer Agglomeratteilchengröße von 0,5 bis 100 µm fixiert werden, wobei dem entstehenden Gemisch 0 bis 4 Gew.-% (bezogen auf Feststoffgehalt) Retentionsmittel in 1%iger bis 5%iger, vorzugsweise in 1%iger Verdünnung zugesetzt wird.

Ferner können im erfindungsgemäßen Verfahren die dem Gemisch von gemahlenen Fasern des Grundgerüstes und Verdünnungsmittel zuzumischenden porösen, inerten Partikel und/oder feinen Fasern vor dem Zumischen mit kationischen und/oder anionischen Polymeren bzw. Copolymeren und/oder mit Stoffen beaufschlagt werden, welche physikalische bzw. chemische Umwandlungen bewirken, wobei diese Polymere bzw. Copolymere und/oder Stoffe mittels eines an sich bekannten Immobilisierungsverfahrens gegen Extrahieren sicher an die Oberfläche der Partikel bzw. Fasern gebunden werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial kommen außer den o.g. Kunstfasern auch andere Kunstfasern in Betracht.

Bei der Verarbeitung der Maische zu Filtermaterial, kann im erfindungsgemäßen Verfahren die fertige Maische mittels Vakuum zu einem Vlies geformt werden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine stark vergrößerte Ansicht aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtermaterials;

Fig. 2 ein DIAGRAMM 1 für das Trübungsaufnahmevermögen des erfindungsgemäßen Filtermaterials und

Fig. 3 die DIAGRAMME 2A und 2B für einen Vergleich der Filtrationswirkung von erfindungsgemäßem Filtermaterial (Diagramm 2A) mit der Filtrationswirkung der Kombination einer üblichen Feinklär-Filterschicht (Diagramm 2B) bei der Filtration einer Roh-Rohrzuckerlösung.

Ausführungsbeispiele Herstellung eines Tiefenfiltervlieses im "Feinklärbereich"

Es werden 54,75% Polypropylenfasern (PAD-Fasern von Herkules) und 5% Polyethylenfasern (ESS 21-Fasern von den Schwarzwälder Textilwerken) zur Bildung eines Grundgerüstes 1 (siehe Strukturskizze, Fig. 1) zusammen kurz mit einem Refiner intensiv gemischt, dann wird 30% Kieselsäure (FK 310 - Fällungskieselsäure von Degussa) zugesetzt, welche vor dem Zumischen durch ein Disyergierverfahren deagglomeriert worden ist, so daß sich mit den oder ohne die sehr fein fibrillierend, vorzugsweise mit einem Mahlgrad zwischen 50° und ≧ 90° SR, gemahlenen Fasern 2 eine räumliche Kettenstruktur bildet. Außerdem wird 10% fein fibrillierend gemahlener Nadelholzzellstoff 2 mit einem Mahlgrad von ca. 80° SR zugemischt und 0,25% Retentionsmittel (Polymin PL von Firma BASF) langsam rührend zugesetzt. Anschließend werden die Polyolefinfasern ebenfalls langsam, jedoch intensiv rührend zugemischt und mittels eines Vakuumverfilzungsverfahrens zu einer ca. 1,5 mm dicken Bahn geformt und bei 150°C getrocknet. Wie Fig. 1 zeigt, bilden die Kieselsäure-Partikel Agglomerate (3) in einer Kettenstruktur. Die Bahn kann dann aufgewickelt werden und z.B. als filteraktives Vlies in einer Wickelkerze verwendet werden.

Filtrationsbeispiele

Es wurden Vergleiche mit den zum Stand der Technik gehörenden asbestfreien Filterschichten erarbeitet.

Bei den Filtrationsbeispielen wurden gleiche effektive Filterflächen eingesetzt.

1. Filtration von hefehaltiger Kaffeesuggorat-Lösung als Modellflüssigkeit.
Der Mengendurchsatz betrug konstant 800 l×m^-2×h^-1.
Der Kläreffekt als Maß für das Trübungsaufnahmevermögen wurde mit einem handelsüblichen Trübungsmeßgerät ermittelt.
Siehe Fig. 2: Druck/Zeit - DIAGRAMM 1
2. Filtration einer Rohrohrzucker-Lösung mit einer Heißwasserregenerierung gegen die Strömungsrichtung.
Der Mengendurchsatz betrug konstant 1000 l m^-2h^-1.
Als Maß für das Trübungsaufnahmevermögen wurde mit einem handelsüblichen Trübungsmessgerät das Unfiltrat bzw. die Filtrate gemessen.
Siehe Fig. 3: Zeit/Druck/Trübung - DIAGRAMM 2A für erfindungsgemäßes Filtermaterial und
Zeit/Druck/Trübung - DIAGRAMM 2B für eine Feinklär-Filterschicht.

Claims

1. Filtermaterial, aufgebaut aus einem Gerüst von Kunst- und/oder Naturfasern mit eingelagertem, Trubstoffe aufnehmendem Filtermedium, gekennzeichnet durch die Ausbildung in Form von flexiblen Blättern oder Bahnen mit vliesartiger Struktur in der Kombination

a) eines Grundgerüstes in Form einer Matrix aus selbstbindenden Kunststoff- und/oder Naturfasern die zumindest teilweise fibrilliert sind und einen Mahlgrad von 5° bis 50° SR besitzen, mit
b) einem in dieses Grundgerüst eingelagerten Filtermedium aus sehr feinfibrilliertem Faserstoff und/oder inerten Partikeln, wobei das Filtermedium zumindest teilweise eine in der Matrix des Grundgerüstes verankerte feine räumliche Kettenstruktur bildet.

2. Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundgerüst aus einem Gemisch von Polyolefinfasern und/oder reinem Zellstoff, vorzugsweise Nadelholzzellstoff, und/oder Baumwollfasern gebildet ist, wobei das Gemisch im Naßverfahren auf 5° bis 50° SR fibrillierend gemahlen ist.

3. Filtermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermedium 0 bis 40 Gew.-% im Naßverfahren sehr fein fibrillierend gemahlene Nadelholzzellstoff- und/oder Baumwollfasern mit einem Mahlgrad von vorzugsweise 50° bis ≧ 90° SR und/oder sehr feine Kunstfasern, vorzugsweise Zelluloseacetatfasern, enthält.

4. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Filtermediums mit 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf Feststoffe) eines in der Papierindustrie üblichen, mit einem Lösungsmittel verdünnten Retentionsmittel, z.B. Polyethylenimin, versetzt sind.

5. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermedium 0 bis 70 Gew.-% inerte Partikel mit definierter Teilchengröße zwischen 0,5 und 100 µm enthält.

6. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermedium aus inerten Partikeln in Form von Agglomeratteilchen, vorzugsweise Agglomeratteilchen aus Fällungskieselsäure besteht oder inerte Partikel in Form solcher Agglomeratteilchen enthält.

7. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermedium 0 bis 4,0 Gew.-% Retentionsmittel, beispielsweise Polyamin, enthält.

8. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche der fibrillierten Fasern und/oder der Agglomeratteilchen des Filtermediums physikalische und/oder chemische Umwandlungen bewirkende Stoffe gegen Extrahieren sicher gebunden sind.

9. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial zur mechanischen Verfestigung zusätzlich vernetzbare Kunststoffe, vorzugsweise Polyacrylate, aufweist.

10. Filtermaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der vernetzbaren Kunststoffe im Bereich von mehr als 0 bis 10 Gew.-% liegt.

11. Filtermaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß immobilisierte Zellen und/oder Enzyme an der Oberfläche der sehr fein fibrillierten Fasern und/oder der Agglomeratteilchen des Filtermediums angelagert sind.

12. Filtermaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem jeweiligen Anwendungsfall des Filtermaterials entsprechend ausgewählte immobilisierte Zellen und/oder Biokatalysatoren an der Oberfläche der fibrillierten Fasern und/oder der Agglomeratteilchen des Filtermediums angelagert sind.

13. Verfahren zum Herstellen von Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Das Grundgerüst des Filtermaterials bilden die Kunstfasern und/oder Naturfasern, welche in der Lage sind eine selbstbindende Matrix zu bilden und die im Naßverfahren fibrillierend auf 5° bis 50° SR gemahlen werden;
b) dem durch Mahlen der das Grundgerüst bildenden Fasern gebildeten Faserstoff/Flüssigkeitsgemisch werden 0 bis 40 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt) im Naßverfahren auf einen Mahlgrad von 50° bis ≧ 90° SR gemahlene Fasern eines Nadelholzstoffes und/oder Baumwollfasern und/oder Kunstfasern, vorzugsweise Zelluloseacetatfasern, und/oder 0 bis 70 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt) poröse inerte Partikel, z.T. in Form von Agglomeratteilchen, vorzugsweise Fällungskieselsäure, beigemischt;
c) die durch dieses Vermischen gebildete Maische wird mittels eines an sich bekannten Verfilzungsverfahrens zu einem 0,5 mm bis 5 mm dicken Vlies geformt, das anschließend getrocknet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch aus gemahlenen Fasern des Grundgerüstes mit Filtermedium im Verdünnungsmittel ein Retentionsmittel von 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt) in 1%iger bis 5%iger, vorzugsweise in 1%iger Verdünnung, beispielsweise Polyamin, zugesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gemisch aus gemahlenen Fasern des Grundgerüstes und dem Verdünnungsmittel zuzugebenden Fasern des Filtermediums auf 50° bis ≧ 90° SR feingemahlen und unmittelbar nach diesem Mahlvorgang mit 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf Feststoffgehalt) eines Retentionsmittels in 1%iger bis 5%iger, vorzugsweise in 1%iger Verdünnung, beispielsweise Polyethylenimin, versetzt und damit elektrisch umgeladen werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gemisch aus gemahlenen Fasern des Grundgerüstes mit Verdünnungsmittel zuzusetzenden porösen, inerten Partikel mit einer Agglomerationsteilchengröße von 0,5 bis 100 µm fixiert werden und dem entstehenden Gemisch 0 bis 4,0 Gew.-% (bezogen auf Feststoffgehalt) Retentionsmittel in 1%iger bis 5%iger, vorzugsweise in 1%iger Verdünnung, zugesetzt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gemisch aus gemahlenen Fasern des Grundgerüstes und des Verdünnungsmittels zuzumischenden porösen, inerten Partikel und/oder feinen Fasern vor dem Zumischen mit kationischen und/oder anionischen Polymeren bzw. Copolymeren und/oder mit Stoffen beaufschlagt werden, welche physikalische bzw. chemische Umwandlungen bewirken und daß diese Polymere bzw. Copolymere und/oder Stoffe mittels eines an sich bekannten Immobilisierungsverfahrens gegen Extrahieren sicher an der Oberfläche der Partikel bzw. Fasern gebunden werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die fertige Maische mittels Vakuum zu einem Vlies geformt wird.