DE4112231C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultrafiltration sowie eine Ultrafiltrationsvorrichtung zum Abtrennen von sog. Permeat, d. h. hochgereinigter Flüssigkeit als Ultrafiltrationsfiltrat aus einer Flüssigkeit, die in ständigem Fluß durch den Ultrafiltrationsvorrichtung geführt wird. Derartige Ultrafiltrationsvorrichtungen beruhen auf dem Prinzip der Umkehrosmose und können zur Abwasserreinigung, zur Dialyse, zum Keimfreimachen von Luft, zur Meerwasserentsalzung und dergleichen mehr dienen.

Membranen sind die Basis eines jeden Umkehrosmose- oder Ultrafiltrationssystems. Diese Membranen werden üblicherweise aus unterschiedlichen Polymermaterialien, wie Polysulfon oder Zelluloseacetat gefertigt und weisen Poren auf, deren Größe die Durchlässigkeit dieser Membranen bestimmt. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit werden die Membranen auf der Rückseite mit einem Trägermaterial, z. B. einem Polyethylen-Trägergewebe oder einem Metalldrahtgewebe ausgerüstet.

Die bekannten Ultrafiltrationsvorrichtungen können als Plattenfilter oder als Wickelmodule hergestellt sein. Ultrafiltrationsvorrichtungen unterscheiden sich von herkömmlichen Filtern dadurch, daß das zu filternde Medium parallel zur Membranoberfläche strömt und aufgrund einer Druckdifferenz zwischen den Membranseiten ein geringer Anteil von Flüssigkeit durch die Membran hindurchtritt, wobei alle die Porengröße übersteigende Bestandteile zurückgehalten werden.

Ein besonderer Anwendungsfall derartiger Ultrafiltrationsvorrichtungen ist beim anodischen oder kathodischen Elektrolackieren von Gegenständen gegeben. Hierbei werden metallische Gegenstände oder Gegenstände, deren Oberfläche elektrisch leitend gemacht ist, mit einer Elektrolytflüssigkeit entgegengesetzt der elektrische Polarität der Gegenstände in Berührung gebracht, in der etwa 8 bis 23% Festkörper enthalten sind. Durch Anlegen von Gleichstrom kommt es zu einer Elektrokoagulation und die Gegenstände werden gleichmäßig beschichtet. Die Gegenstände werden anschließend gespült, so daß ein gleichmäßiger läuferfreier Film zurückbleibt, der anschließend eingebrannt wird. Dieses Spülen kann mit reinem Wasser erfolgen, führt dann jedoch zu großen, aufzubereitenden Abwassermengen. Daher wird die Elektrolytflüssigkeit ständig über eine Ultrafiltrationsvorrichtung umgepumpt und das Ultrafiltrat, d. h. das Permeat, wird zum Spülen der Gegenstände benutzt. Das mit Elektrolytflüssigkeit angereicherte Spülmittel fließt wieder in das Elektrolytflüssigkeitsbecken zurück, so daß das Elektrolackieren praktisch verlustfrei mit etwa 98% Materialausnutzung durchführbar ist. Hinzu kommt, daß durch das Spülen der elektrolackierten Gegenstände keine Applikationsfehler wie Tropfen und Läufer auftreten können. Auf diese Weise wird ein in sich geschlossenes System unter quantitativer Ausnutzung des Badmaterials erreicht, wobei keine Abwasserprobleme entstehen.

Allerdings muß ein kontinuierlicher Abzug von Ultrafiltrat stattfinden, da das Ultrafiltrat in einigen Fällen als Spülflüssigkeit benutzt wird, der Abzug des Ultrafiltrats der Reinigung des Lackes dient und die Stabilisierung des Bades ermöglicht.

Die bekannten, hierfür verwendeten Ultrafiltrationsvorrichtungen, die mit Membranen auf Basis von porösen Kunststoffolien arbeiten, wie sie z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift 26 29 719 beschrieben sind, lassen keine hohen Flüssigkeitstemperaturen zu, die empfohlene Temperatur liegt bei 30°C, die maximal mögliche Temperatur liegt bei 90°C.

Dies führt dazu, daß sich die bekannten Ultrafiltrationsvorrichtungen nicht mit Dampf und/oder Heißluft bei hohen Temperaturen sterilisieren lassen. Des weiteren ist es erforderlich, Reinigungswasser, das mit einer Temperatur von 80° zum Reinigen in Großanlagen benutzt wird, wenn es in Ultrafiltrationsvorrichtungen behandelt werden soll, zunächst auf eine für die bekannten Ultrafiltrationsvorrichtungen erträgliche Temperatur abzukühlen, um es anschließend wieder zu erwärmen. Es liegt auf der Hand, daß dies mit großen Wärmeverlusten verbunden ist.

Da die bekannten Ultrafiltrationsvorrichtungen des weiteren sehr empfindlich gegen Klumpenbildung oder Agglomerat sind, wodurch die Poren zugesetzt werden, ist die Standzeit derartiger handelsüblicher Ultrafiltrationsvorrichtungen sehr unterschiedlich und kann zwischen einer Standzeit von 0,5 Stunden und 4 Monaten schwanken. Diese Standzeit läßt sich auch nicht durch eine Spülung verlängern, da die bekannten Ultrafiltrationsvorrichtungen nur einseitig durch ein Drahtgewebe abgestützt sind und aufgrund der mechanischen Empfindlichkeit der Membranen keine Rückstromreinigung zulassen. Es ist nur eine Spülung mit bestimmten, die Membran nicht angreifenden Lösungsmitteln in Flußrichtung möglich, die aber wenig wirksam ist. Aus diesem Grunde nimmt die Filterleistung während des Einsatzes stetig ab, so daß eine Ultrafiltrationsanlage bei der Inbetriebnahme stets erheblich überdimensioniert sein muß, um gegen Ende der Filterstandzeit noch eine ausreichende Filterleistung zu erreichen. Schließlich ist auch noch zu erwähnen, daß die Behandlung von Elektrolytflüssigkeit bei anodischen oder kathodischen Elektrolackierung von Gegenständen Probleme mit sich bringt, da die Lackpigmente sehr scharfkantig sind und zu einer schnellen Abnutzung sämtlicher Teile einer Lackieranlage, insbesondere der Membranen in den Ultrafiltrationsvorrichtungen führen.

In der deutschen Patentschrift 26 58 405 ist zwar bereits eine Dialysemembran aus einem sterilisierbaren Material, nämlich einem Stahldrahtgewebe beschrieben, jedoch müssen, die im Strahldrahtgewebe vorhandenen verhältnismäßig großen Poren zunächst durch Elektrolyse und anschließendes Aufdampfen von Metall im Vakuum verengt werden, um die gewünschte Lochgröße zu erreichen. Dieses Verfahren ist nicht nur aufwendig, sondern erlaubt es auch nicht, bei einem Drahtgewebe in kontrollierbarer und wiederholbarer Weise Durchlässe der gewünschten Größenordnung herzustellen. Auch ist die Haftung des durch Elektrolyse bzw. Aufdampfen abgeschiedenen Materials unter den anzuwendenden Drücken und bei den für die Sterilisierung notwendigen Temperaturen problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ultrafiltration sowie eine Ultrafiltrationsvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Resistenz gegen Lösungsmittel und Chemikalien aufweisen, eine hohe Temperaturfestigkeit und mechanische Widerstandsfähigkeit zeigen, so daß die Möglichkeit einer Rückstromreinigung, ggf. unter Verwendung von scharfen Lösungsmitteln und der Sterilisation bei Verwendung im medizinischen Bereich gegeben ist und die sich schnell und kostengünstig herstellen läßt.

Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß als Membran ein Metalldrahtgewebe mit einem Drahtdurchmesser von weniger als 0,02 mm, mehr als 2000 Schuß, d. h. mehr als 2000 Maschen je Zoll und mit einer durch Flachwalzen oder Flachpressen auf weniger als 0,004 mm verringerten Maschenweite eingesetzt wird. Vorzugsweise kann das eingesetzte Metalldrahtgewebe einen Drahtdurchmesser von weniger als 0,02 mm, mehr als 3000 Schuß, d. h. mehr als 3000 Maschen je Zoll und eine durch Flachwalzen oder Flachpressen auf weniger als 0,002 mm verringerte Maschenweite aufweisen. Das eingesetzte Metalldrahtgewebe kann vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl, wie nicht rostenden Stahldrähten, z. B. der Qualität 1.4301 oder aus Titandrähten bestehen. Das Metalldrahtgewebe kann in einer oder mehreren aufeinander gelegten oder gewickelten Lagen verwendet werden. Derartige Metalldrahtgewebe werden von der Fa. Weisse und Eschrich, Lauensteiner Str. 20 in 8642 Ludwigstadt hergestellt.

Somit steht eine Ultrafiltrationsmembran zur Verfügung, die die Eigenschaften der verwendeten Metalldrähte aufweist. Die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsmembran weist eine hohe mechanische Festigkeit auf, ist aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls, besonders des Titans wenig verformbar, so daß sich die Maschenweite aufgrund der zwischen den Membranseiten herrschenden Druckdifferenz nicht oder nur geringfügig vergrößert. Die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsmembran ist korrosionsfest und temperaturfest, läßt sich also mit beliebigen Lösungsmitteln, Laugen und vielen Säuren behandeln und reinigen sowie bei hohen Temperaturen sterilisieren. Die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsmembran ist unempfindlich gegen scharfkantige Pigmente in der beim Elektrolackieren verwendeten Elektrolytflüssigkeit und läßt sich im Gegenstrom reinigen. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsmembran parallel zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Mediums angeordnet und können in die Membran quer zur Strömungsrichtung turbulenzerzeugende Erhöhungen eingewebt sein, wobei sich die Erhöhungen zur Strömungsrichtung in einem Winkel von 90° über eine größere Länge erstrecken können. Auf diese Weise wird der Hauptstrom des zu filternden Mediums parallel an der Membranoberfläche entlanggeführt, jedoch wird ein Zusetzen der Poren durch die turbulenzerzeugenden Erhöhungen verhindert. Die Anordnung der länglichen Erhöhungen mit einem Winkel von 90° zur Strömungsrichtung trägt dazu bei, sich im Totwassergebiet der Erhöhungen ansammelnde Feststoffe abzuleiten.

Die länglichen Erhöhungen können in die Membran in Form von dickeren Drähten eingewebt sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine rohrförmige Ultrafiltrationsvorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein rahmenförmiges Filterelement und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine plattenförmige Ultrafiltrationsvorrichtung.

Eine rohrförmige Ultrafiltrationsvorrichtung 1 besteht aus einem Rohr 2, an dessen Enden Flansche 3 angeordnet sind. Auf die Flansche 3 sind Abschlußdeckel 4 abgedichtet aufgeschraubt. Ein Abschlußdeckel 4 ist mit einem Zufluß 5 und der andere Abschlußdeckel 4 mit einem Abfluß 6 für zu filterndes Medium versehen. Eine rohrförmig hergestellte Drahtgewebemembran 7 ist mit ihren umgebördelten Enden abgedichtet zwischen den Flanschen 3 und den Abschlußdeckeln 4 eingeklemmt. Es können mehrere Lagen der Drahtgewebemembran 7 übereinander gewickelt sein. Eine zylindrische Schraubenfeder 8 ist zwischen der Drahtgewebemembran 7 und der Innenwandung des Rohrs 2 angeordnet und dient als Abstandshalter für die Drahtgewebemembran 7 zum Rohr 2. In der rohrförmigen Drahtgewebemembran 7 ist eine weitere zylindrische Schraubenfeder 9 angeordnet, die an der Innenwandung der rohrförmigen Drahtgewebemembran 7 anliegt. Diese zylindrische Schraubenfeder 9 kann eine zur zylindrischen Schraubenfeder 8 entgegengesetzte Steigung aufweisen. Die rohrförmige Drahtgewebemembran ist somit zwischen den zylindrischen Schraubenfedern 8 und 9 abgestützt, so daß es möglich ist, einen an sich als Permeatauslaß 10 dienenden Stutzen im Rohr 2 zur Reinigung der rohrförmigen Membran 7 mittels einer im Rückstrom zugeführten Flüssigkeit zu benutzen. Diese Flüssigkeit kann ein Lösungsmittel oder eine Reinigungsmittel enthaltende Flüssigkeit sein. Ebenso ist es möglich, die rohrförmige Drahtgewebemembran 7 über den Stutzen 10 mit Druckluft oder Heißdampf zu beaufschlagen.

Das zu filternde Medium wird über den Zufluß 5 zugeführt und fließt über den Abfluß 6 ab. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Druckseite der rohrförmigen Membran 7 und dem Zwischenraum zwischen der rohrförmigen Membran 7 und dem Rohr 2 tritt durch die feinen Poren der rohrförmigen Drahtgewebemembran 7 Permeat hindurch und fließt über den Permeatauslaß 10 ab. Im Vergleich zum Durchfluß durch den Innenraum der rohrförmigen Drahtgewebemembran 7 ist der Permeatabfluß 10 sehr gering. So wird bei einer typischen Elektrolackieranlage ein Durchfluß von 12 000 l/h Elektrolyt durch die Ultrafiltrationsvorrichtung erreicht, während dabei etwa 80 l/h Permeat gewonnen werden. Diese Menge genügt jedoch, um die beschichteten Gegenstände zu spülen und überflüssige Flüssigkeit abzuscheiden.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellte plattenförmige Ultrafiltrationsvorrichtung 11 besteht aus einem Gehäuse 12, in dem Drahtgewebemembranen 15 parallel zueinander angeordnet sind. Die Drahtgewebemembranen 15 können in mehreren Lagen übereinandergelegt sein. Diese Drahtgewebemembranen 15 sind zwischen zwei Rahmen 13, 16 eingeklemmt, die schräg verlaufende Verbindungsstege 14, 17 aufweisen. Die Verbindungsstege 17 dienen der Abstützung der Drahtgewebemembran 15 in der üblichen Durchflußrichtung von der Druckseite zu einem Permeatabfluß 21, während die Verbindungsstege 14 längliche, turbulenzerzeugende Erhöhungen bilden. Um den Durchfluß des zu filternden Mediums parallel zu den Drahtgewebemembranen 15 von einem Zufluß 19 zu einem Abfluß 20 zu gewährleisten, ist die Höhe der Verbindungsstege 14 geringer als die der Rahmen 13. Die Verbindungsstege 14, 17 sind schräg angeordnet, um sich im Totwassergebiet der Verbindungsstege 14 absetzende Feststoffe seitlich abzuleiten.

Das durch die Drahtgewebemembranen 15 hindurchtretende Permeat wird über die Permeatabflüsse 21 abgeführt. Diese Permeatabflüsse 21 lassen sich, wie bereits bezüglich der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erwähnt, dazu verwenden, die Drahtgewebemembran 15 in Gegenstrom zu reinigen. Im dargestellten Beispiel sind zwei Drahtgewebemembranen 15 in ihren Rahmen 13, 6 parallel zueinander angeordnet. Zur Seitenwand des Gehäuses 12 sind weitere Rahmen 18 vorgesehen, die als Abstandshalter dienen und den Durchfluß des Permeats zu den Permeatabflüssen 21 ermöglichen.

Selbstverständlich läßt sich der in Fig. 2 und 3 dargestellte Plattenfilter durch eine parallele Anordnung einer Vielzahl von Drahtgewebemembranen ausbauen und im Durchsatz vergrößern, so wie dies bereits bezüglich der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit konzentrischen rohrförmigen Drahtgewebemembranen beschrieben wurde.

Das Metalldrahtgewebe weist einen Drahtdurchmesser von weniger als 0,02 mm und mehr als 2000 Schuß, d. h. mehr als 2000 Maschen je Zoll, vorzugsweise mehr als 3000 Schuß, d. h. mehr als 3000 Maschen je Zoll und eine durch Flachwalzen oder Flachpressen auf weniger als 0,004 mm vorzugsweise auf weniger als 0,002 mm verringerte Maschenweite auf und ist damit als Ultrafiltrationsmembran geeignet. In das Drahtgewebe können quer zur Strömungsrichtung Turbulenzen erzeugende dickere Drähte, die Erhöhungen bilden, eingewebt sein.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ultrafiltration, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran ein Metalldrahtgewebe mit einem Drahtdurchmesser < 0,02 mm, mehr als 2000 Schuß, d. h. mehr als 2000 Maschen je Zoll und mit einer durch Flachwalzen oder Flachpressen auf < 0,004 mm verringerten Maschenweite eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Metalldrahtgewebe einen Drahtdurchmesser < 0,02 mm, mehr als 3000 Schuß, d. h. mehr als 3000 Maschen je Zoll und eine durch Flachwalzen oder Flachpressen auf < 0,002 mm verringerten Maschenweite aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Metalldrahtgewebe aus nicht rostendem Stahl besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Metalldrahtgewebe aus Titandrähten besteht.

5. Ultrafiltrationsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationsmembran (7, 15) aus einem Metalldrahtgewebe mit einem Drahtdurchmesser < 0,02 mm, mehr als 2000 Schuß, d. h. mehr als 2000 Maschen je Zoll und mit einer durch Flachwalzen oder Flachpressen auf < 0,004 mm verringerten Maschenweite, besteht.

6. Ultrafiltrationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Metalldrahtgewebe einen Drahtdurchmesser < 0,02 mm, mehr als 3000 Schuß, d. h. mehr als 3000 Maschen je Zoll und mit einer durch Flachwalzen oder Flachpressen auf < 0,002 mm verringerten Maschenweite besteht.

7. Ultrafiltrationsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Metalldrahtgewebe aus nicht rostendem Stahl besteht.

8. Ultrafiltrationsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Metalldrahtgewebe aus Titandrähten besteht.

9. Ultrafiltrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran parallel zur Strömungsrichtung des zu filternden Mediums angeordnet ist und auf der Membran quer zur Strömungsrichtung turbulenzerzeugende Erhöhungen (8, 9, 16, 17) eingewebt sind.