DE4216582C1 - Elektrostatische Filtrationseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen Filter zur Reinigung von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Abtrennung disperser Teilchen aus Flüssigkeiten stehen viele verschiedene Trennprinzipien zur Verfügung. Die dafür notwendige Apparatetechnik ist sehr weit entwickelt, prinzipiell kann jedes beliebige Trennproblem gelöst werden.

Einige Stoffsysteme erfordern aber einen besonders großen technischen Aufwand besonders dann, wenn die dispersen Teilchen

• - eine ähnliche Dichte wie die des Suspensionsmittels besitzen, so daß Kläreindicker, Zyklone oder Zentrifugen kaum anwendbar sind;
• - gegenüber dem Suspensionsmittel ein kleines Zetapotential haben und deshalb die Elektrophorese nicht zum Erfolg führt;
• - auf Membranfiltern Deckschichten bilden oder diese durch ihre Härten mechanisch sehr beanspruchen;
• - ihre Eigenschaften bei zu hohem Energgieeintrag ungünstig verändern würden.

Weitere Probleme ergeben sich, wenn das Suspensionsmittel

• - durch Zusatz koagulierender Substanzen nicht verunreinigt werden soll;
• - durch sein chemisch aggressives Verhalten die Auswahl an verwendbaren Filter- und Konstruktionsmaterialien stark einschränkt.

Die Anwendung des bisher wenig genutzten physikalischen Effektes der elektrischen Filtration im inhomogenen elektrischen Feld kann bei speziellen Stoffsystemen eine ökonomische Alternative zu den vorhandenen Trennverfahren darstellen.

Eine derartige Lösung ist aus DE 41 02 156 A1 bekannt.

Die hier vorgeschlagene Filtereinrichtung ist so gestaltet, daß wenigstens eine Elektrode in der Nähe einer spaltförmigen Öffnung, durch die die Flüssigkeit abläuft, angeordnet ist.

Die Kraftwirkung auf die dispersen Teilchen kommt dadurch zustande, daß beim Anlegen einer elektrischen Spannung die Substanzen entsprechend ihrer Dielektizitätskonstanten verschieden stark polarisiert werden und in der Umgebung der spaltförmigen Öffnung ein stark inhomogenes elektrisches Feld entsteht.

Mit einer gezielten Weiterentwicklung dieser Lösung können die technischen und ökonomischen Parameter und damit der Einsatzbereich elektrostatischer Filtrationsein­ richtungen wesentlich verbessert werden.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektro­ statische Filtrationseinrichtung vorzuschlagen, die bei einfacherem Aufbau eine effektive Fertigung und technologische Umsetzung für Produzenten und Anwender gestattet.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die neue Filtrationseinrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem elektrisch leitfähigen, porösen Grundkörper mit aufgebrachter Isolationsschicht, in die schmale, spaltförmige Durchbrüche eingearbeitet sind. Auf diese Isolationsschicht mit den eingebrachten Spalten folgen der Strömungskanal und die über diesen Strömungskanal beabstandete Gegenelektrode. Die zur Erzeugung der Kraftwirkung auf die dispersen Teilchen erforderliche elektrische Spannung wirkt zwischen dem elektrisch leitfähigen, porösen Grundkörper und der Gegenelektrode.

Unter dem Grundkörper kann noch ein elektrisch leitfähiger, poröser Permeatableiter vorhanden sein, auf dem die zweite Elektrode aufsitzt.

Der Abstand zwischen den in die Isolationsschicht ein­ gebrachten Spalten zur Gegenelektrode muß mit dem Strömungsraum über große Flächen konstant gehalten werden. Dazu werden bekanntermaßen Distanzstücke, in Ausbildung der Erfindung aber auch ein leitfähiger poröser Stoff in den Strömungsraum eingebracht. Dieser elektrisch leitfähige poröse Stoff übernimmt die Aufgabe einer quasi in Richtung des jeweiligen Spaltes verschobenen Gegenelektrode. Dazu wird in unmittelbarer Spaltnähe ein Aufkonzentrierungsraum geschaffen, indem beispielsweise durch elektrochemisches Abtragen, lokalisiert auf die Spaltumgebung, die poröse Schicht in den Strömungsraum hinein ausgekehlt wird.

Als elektrisch leitfähiger poröser Stoff können eingesetzt werden:

Einmal Kohlefasern; dieses Material steht sehr kostengünstig in Form gesinterter bzw. verklebter Kohlefasern zur Verfügung (praktisch wird z. B. bei der Herstellung von kohlefaserverstärktem Metall wie Aluminium erst dieser Kohlekörper hergestellt und in diesen wird das flüssige Metall eingepreßt). Der dort typische Faserdurchmesser von etwa 6 µm ist auch hier geeignet.

Kohlefasern sind ebenfalls als gewebte flächige Strukturen verfügbar.

Zum anderen können als leitfähiger poröser Stoff Sintermetalle oder gewebte Metallfasern eingesetzt werden. Sintermetalle sind als Cu-Ni-Stahl-Version beispielsweise bis etwa 0,5 µm Porendurchmesser verwendbar. Gewebte Metallfasern aus Cu-Ni-Stahl eignen sich bis zu einem Porendurchmesser von ca. 4 µm.

Dabei muß die Aufteilung der porösen Struktur in eine Schicht mit viel Druckverlust in Form des porösen Grundkörpers und eine andere Schicht bzw. ein Raum mit wenig Druckverlust zur Permeatableitung beibehalten werden.

Für große Permeatstromdichten müssen die Spalten dicht beieinanderliegen, der Abstand zur Gegenelektrode sollte aber vorzugsweise kleiner als der Spaltabstand sein, um nicht zu viel Energie in den Aufbau des für die Trennwirkung unwesentlichen homogenen Feldes zu investieren. Die maximale Kraftwirkung tritt dort auf, wo das Feld besonders inhomogen ist, also in Spaltnähe. Damit das Feld an jeder Stelle inhomogen genug ist und genügend Raum für die Aufkonzentrierung der Teilchen vorhanden ist, kann als charakteristischer Abstand für die Teilchenabscheidung etwa die 3- bis 10fache Spaltbreite angenommen werden. Dieser Abstand geht bezüglich des Energieverbrauches quadratisch ein und sollte sehr klein sein.

In einer speziellen Ausführungsform können der elektrisch leitfähige, poröse Grundkörper und die Metallfläche der Elektrode zu einer Schicht mit Doppelfunktion in Form einer gut elektrisch leitfähigen, porösen Platte zusmmengefaßt werden. Eine derartige Konfiguration führt zum Verzicht auf den porösen Permeatableiter, nicht aber zum Verzicht auf den Permeatableitraum. In Konsequenz muß die Ableitung der Suspension durch die Elektrode erfolgen, die dazu durchlässig, beispielsweise mit Durchbrüchen auszuführen ist.

Zur Vergrößerung der Leistungsfähigkeit der Filtrations­ einrichtung kann die Einzelfiltergrundstruktur zu einer kompakten Struktur gestapelt werden. Eine derartige Kaskade ist in ihrer Schichtanordnung jeweils symmetrisch zum porösen Permeatableiter bzw. zum Strömungsraum zwischen zwei Elektroden aufgebaut.

Dieser Aufbau ist auf die Verwendung von Wechselspannung beschränkt.

Die erfindungsgemäße elektrostatische Filtrationseinrichtung ist vorteilhaft anwendbar zur Abtrennung von reinem Wasser aus einem Gemisch mit dispersen Teilchen, da die extrem hohe Dielektrizitätskonstante von Wasser über der fast aller anderen Stoffe liegt. Dieses Trennverfahren ist besonders sinnvoll für disperse Wasserinhaltsstoffe, die

• - eine Dichte ähnlich der von Wasser besitzen;
• - die auf Membranen Deckschichten bilden würden, oder stark abrasiv wirken;
• - keine starken elektrischen Eigenladungen besitzen (Elektro­ phorese unmöglich).

Weitere Anwendungsgebiete sind u. a. die Reinigung organischer Lösungsmittel und die sterile Abtrennung beispielsweise einzelliger Lebewesen in der Biotechnologie.

Zu den wesentlichen Vorteilen der Erfindung zählen

• - äußerst geringe Druckverluste, geringer Energieaufwand, keine Dichtungsprobleme, kaum mechanische Beanspruchung der Stoffsysteme; damit weniger Probleme mit sicherheits­ technischen Vorschriften;
• - wenig bewegte Teile (Pumpen), hydrostatische Drücke von einigen 10 cm Flüssigkeitssäule reichen zur Aufrechterhaltung der Überströmungen aus;
• - sehr gute Regelbarkeit, da alle Parameter unabhängig voneinander eingestellt werden können, einfache Stellglieder;
• - keine Abnutzung und Deckschichtbildung;
• - kontinuierlicher Betrieb ist möglich bei konstanten Parametern, es ist keine Regenerierung erforderlich;
• - steriler Betrieb bzw. Verarbeitung toxischer Stoffe ist möglich.

Weitere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verdeutlicht.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit verändertem Aufbau des Strömungsraumes,

Fig. 3 die Anordnung einzelner Filterelemente zu einer kompakten Struktur.

Entsprechend Fig. 1 ist auf einem elektrisch leitfähigen Grundkörper 4 eine Isolierschicht 3 aufgebracht, in der sich schmale spaltförmige Durchbrechnungen 5 mit einer Breite von einigen µm bis einige 10 µm bei einem Abstand zueinander von einigen 10 µm bis max. wenige mm befinden.

Die zu behandelnde Flüssigkeit bewegt sich im Strömungsraum 2 vorzugsweise parallel zu den Spalten 5.

Dieser Strömungsraum wird gegenüber den Spalten 5 durch eine Elektrode 1 begrenzt.

An den porösen Grundkörper 4 schließt sich ein weitere ebenfalls elektrisch leitfähige poröse Schicht 6 an, deren Strömungswiderstand wesentlich kleiner als der der porösen Stützschicht 4 ist und die als Ableiter für die gereinigte Flüssigkeit fungiert. Dieser Strömungsraum wird andererseits ebenfalls durch eine Elektrode 7 begrenzt.

Mit dieser Anordnung können Flüssigkeiten von dispersen Teilchen gereinigt werden. Dazu wird zwischen die Elektroden 1 und 7 eine elektrische Spannung angelegt. Der Strom fließt dabei mit relativ geringem Spannungsabfall durch die porösen Schichten 4 sowie 6 und baut im Strömungsraum 2 ein elektrisches Feld auf.

Zur Gewährleistung definierter geometrischer Bedingungen im Strömungsraum 2 sind zwischen Elektrode 1 und auf dem porösen Grundkörper 4 aufsitzender Isolierschicht 3 Distanzstücke 8 vorgesehen.

Die elektrostatischen Kräfte in diesem Feld lassen zwei vorteilhafte Anwendungen zur Abscheidung disperser Teilchen zu:

Vorzugsweise können Teilchen abgeschieden werden, deren Eigenladung bzw. deren Zetapotential nicht groß ist. Die gerichtete Kraftwirkung kommt in diesem Fall dadurch zustande, daß die Teilchen im Strömungsraum 2 durch das elektrische Feld polarisiert werden und zusätzlich das elektrische Feld in der Nähe der Spalten stark inhomogen ist. Dabei spielt die Richtung des elektrischen Feldes keine Rolle, so daß zur Vermeidung von Elektrolyseerschei­ nungen zwischen die Elektroden 1 und 7 eine Wechselspannung mit einem viel größeren Effektivwert angelegt werden kaann, als das bei Gleichspannung vertretbar wäre.

In Abhängigkeit von den Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Komponenten der Suspension oder Emulsion werden beispielsweise die Teilchen von den Spalten weggedrängt, und das wenigstens von einer dispersen Komponente befreite Gemisch wird durch den porösen Grundkörper 4 abgezogen. In einer weiteren porösen Schicht 6 erfolgt danach unter relativ kleinen Druckverlusten der Transport zu einer nicht dargestellten Entnahmestelle.

Eine weitere Anwendung mit einer in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigten Filtrationseinrichtung besteht in der elektro­ phoretischen Abtrennung geladener Teilchen im elektrischen Gleichspannungsfeld. Der sehr kleine Abstand zwischen dem als Elektrode fungierendem Spalt 5 und der Gegenelektrode 1 bzw. 10 erfordert hierbei nur geringe elektrische Span­ nungen zur Erzeugung einer großen elektrischen Feldstärke. Bei Kombination dieser beiden Anwendungen sind Teilchenarten mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften gleichzeitig abtrennbar, wenn beispielsweise eine mit einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung angelegt wird.

Bei Anwendung von Wechselspannungsfeldern können besonders vorteilhafte Stoffsysteme behandelt werden, deren abzutrennende Teilchen einen Durchmesser ab etwa 0,2 µm bis 2 µm haben, wobei aus Gründen des erforderlichen Energieeinsatzes der größere Wert für Flüssigkeiten mit einer größeren elektrischen Leitfähigkeit, etwa der von üblichem Trinkwasser gilt.

Dabei soll sich die Dielektrizitätskonstante der Teilchen möglichst stark von der der Flüssigkeit unterscheiden. Wenig salzbelastete Abwässer bzw. einige organische Reini­ gungsflüssigkeiten, die beispielsweise in der Elektronik­ industrie eingesetzt werden, erfüllen diese Anforderungen besonders gut.

Bei der Filtrationseinrichtung nach Fig. 2 ist auch der Strömungsraum für die zu behandelnde Flüssigkeit teilweise mit einem elektrisch leitfähigen porösen Stoff 9 gefüllt. Dabei wird die Wirkung der Gegenelektrode 1 sehr weit in die Nähe des Spaltes 5 verlagert und durch die Begrenzung 10 des porösen Stoffes in Spaltnähe übernommen.

Der in Spaltnähe von poröser Substanz freie Raum kann beispielsweise durch elektrochemisches Abtragen des porösen Materials unter definierten Bedingungen vor dem ersten Betrieb der Filterstruktur erfolgen. Damit ist eine von Justierproblemen freie optimale Strukturierung möglich. Der minimale Abstand zwischen Spalt 5 und Elektrode 10 ermöglicht hier den Aufbau sehr großer elektrischer Feldstärken mit einer sehr geringen elektrischen Spannung.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird in Fig. 3 gezeigt.

Dabei kommen dem porösen Permeatableiter 6 und den Spalten 5 jeweils Doppelfunktionen zu, indem in der Schicht 6 die behandelte Flüssigkeit zweier benachbarter Filterstrukturen abgeleitet wird und die Spalten 5 zweier verschiedener Isolierschichten 3 zueinander jeweils als Gegenelektrode wirken. Wegen der dabei jeweils verschiedenen Richtung der elektrischen Feldstärke ist dieser Aufbau auf die Verwendung von Wechselspannung beschränkt.

Diese Schichtung der erfindungsgemäßen Filterstrukturen erfordert nur noch zwei Elektroden 1. Der Strömungsraum 2 kann hierbei wie nach Fig. 2 ebenfalls mit porösem Stoff gefüllt sein.

Claims (12)

1. Elektrostatische Filtrationseinrichtung mit zwei Elektroden, zwischen denen eine Spannung anliegt, wobei wenigstens eine der Elektroden in der Nähe einer spaltförmigen Öffnung, durch die die Suspension abläuft, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrationseinrichtung aufgebaut ist aus

• - einem elektrisch leitfähigen, porösen Grundkörper (4) mit Isolationsschicht (3), die schmale, spaltförmige Durchbrüche (5) besitzt,
• - einer über einem Strömungsraum (2) beabstandeten Gegenelektrode (1), wobei zwischen Grundkörper (4) und Gegenelektrode (1) die erforderliche elektrische Spannung angelegt ist.

2. Filtrationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem elektrisch leitfähigen, porösen Grundkörper (4) ein elektrisch leitfähiger, poröser Permeatableiter (6) angeordnet ist, auf dem die Elektrode (7) aufsitzt.

3. Filtrationseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Abstände im Strömungsraum (2) Distanzstücke (8) vorhanden sind und/oder der Strömungsraum mit einem porösen Stoff (9) gefüllt ist.

4. Filtrationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Stoff (9) elektrisch leitfähig ist.

5. Filtrationseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Stoff (9) in der unmittelbaren Umgebung der Spalten (5) durch elektrochemische Prozesse abgetragen oder ausgekehlt ist, so daß die Gegenelektrode (1) in die Nähe des Spaltes (5) an die Grenze der Auskehlung (10) verschoben ist.

6. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähige poröse Stoffe Kohlefasern, Sintermetalle, elektrisch leitfähige poröse Kunststoffe oder gewebte Metallfasern einsetzbar sind.

7. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Spalten (5) zur Gegenelektrode (1), (10) kleiner als Spaltabstand untereinander ist.

8. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für eine effektive Teilchen­ abscheidung der charakteristische Abstand zwischen Spalt (5) und Gegenelektrode (1) die 10- bis 100fache Spalt­ breite beträgt.

9. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Spalt (5) und Gegenelektrode (10) die 3- bis 10fache Spaltbreite beträgt.

10. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Grundkörper (4) und die Elektrode (7) in einer einzigen elektrisch leitfähigen, porösen Schicht in Form einer elektrisch leitfähigen, porösen Platte zusammengefaßt sind.

11. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrationseinrichtung beschränkt auf den Einsatz von Wechselspannung als Kaskade gestapelt ausgeführt ist, wobei die Schichtanordnung jeweils symmetrisch zum porösen Permeatableiter (6) und zum Strömungsraum (2) zwischen zwei Elektroden (1) aufgebaut ist.

12. Filtrationseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6), der poröse Permeatableiter entfällt und zur Ableitung der Suspension die Elektrode (7) durchlässig ausgeführt ist.