DE4330163C2 - Poröser Keramikfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen porösen Keramikfilter, welcher aus einer formbaren keramischen Masse erhältlich ist, welche durch Sintern in ihrer Form fixiert wird.

Aus US 5 098 571 ist ein poröser Keramikfilter der vorstehend genannten Art bekannt. Der Keramikfilter weist hierbei einen Filterkörper auf, welcher rohrförmig beispielsweise in Form eines stehenden Zylinders ausgebildet ist. Er wird durch Extrusion und eine sich daran anschließende thermische Behandlung aus Keramik­ partikeln gewonnen, die bis zur gegenseitigen Versinterung durch ein organisches Bindemittel verklebt sind. Aus Festigkeitsgründen ist es dabei schwierig, Keramikfilter bereitzustellen, die einerseits eine große Oberfläche haben und andererseits eine besonders geringe Wandstärke von weniger als 2 mm haben. Mit zunehmender Baugröße des Filters steigt daher der hydraulische Widerstand an, den solche Keramikfilter einer Rohlösung entgegen­ setzen. Wegen der daraus resultierenden, ungünstigen Energiebi­ lanz ist dies wenig zufriedenstellend. Ein sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung auf der Anströmfläche ablagernde Filterkuchen kann außerdem nicht ohne weiteres durch eine Rückspülung entfernt werden und ein Bersten des Filters ist zu befürchten.

Poröse Keramikfilter der gattungsgemäßen Art gelangen primär in den Bereichen der Mikro- und Ultrafiltration zur Anwendung und weisen eine besonders gute chemische und thermische Stabilität auf. Anwendungen in organischen Lösungsmitteln und heißen, aggressiven Prozeßmedien der chemischen Industrie sind dadurch möglich, wie in der Lebensmittelindustrie, wo die Dampfsterilisa­ tion zur Anwendung kommt und zu einer erheblichen Belastung des Filters führt.

Aus DE 38 18 281 A1 ist ein Abgasfilter zur Beseitigung von schädlichen Abgasen, insbesondere Rußfilter zur Beseitigung von Ruß und rußähnlichen Stoffen, insbesondere aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren, wie Dieselmotoren, bekannt. Der Filterkörper besteht hierbei aus ein oder mehreren formgepreßten hochtempera­ turbeständigen Sinterteilen, welche nach ihrem Formpressen gemeinsam zu einem monolithischen Filterkörper beispielsweise mittels Sintern verbunden werden können. Die formgepreßten Sinterteile werden dann derart angeordnet, daß sie Einlaßkanäle oder Auslaßkanäle bilden. Durch das Formpressen der Formteile wird deren Porosität verändert, wodurch der hydraulische Widerstand erhöht wird.

Aus FR 1 455 084 ist ein Filterkörper aus thermoplastischem Puder bekannt, das an einen Formling außenseitig angeformt und durch einen Versinterungsprozeß in dieser Gestalt fixiert wird, bevor der Formling zur Bildung eines mit einer Abflußöffnung verbind­ baren Hohlraums mit Hilfe eines Lösungsmittels aufgelöst und aus dem Innenraum des Filterkörpers entfernt wird. Eine derartige Herstellungsweise ist äußerst umständlich und mit großen Schwierigkeiten behaftet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen porösen Keramikfilter bereitzustellen, welcher bei einer wirtschaftlichen Herstellungsweise eine wesentliche Vergrößerung der zur Verfügung stehenden Filterfläche bei vermindertem hydraulischen Widerstand gestattet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit dem porösen Keramikfil­ ter gelöst, welcher im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Bei dem erfindungsgemäßen porösen Keramikfilter sind die ebenen Platten und erste und/oder zweite Distanzelemente aus einer ungesinterten Grünfolie durch Stanzen hergestellt. Diese läßt sich trotz des hohen Keramikgehaltes ähnlich einfach wie ein polymerer Werkstoff be- und verarbeiten. Die so ausgestanzten Teile werden dann in der gewünschten Weise relativ zueinander angeordnet und gegebenenfalls mittels eines geringfügigen Anpreßdrucks in dieser Anordnung gehalten. Die Platten und die ersten und/oder zweiten Distanzelemente werden nach dem Zusammen­ fügen gemeinsam zu einer homogenen Einheit versintert, wobei das erste und/oder zweite Distanzelement und zumindestens eine Platte einstückig ineinander übergehend verbunden sind. Alle hierbei zu verbindenden Elemente sind aus miteinander kompatiblen oder identischen Grünfolien gewonnen, was sich leicht ver­ wirklichen läßt. Der so erhaltene poröse Keramikfilter zeichnet sich nicht nur durch eine besonders große Festigkeit aus, sondern hat auch eine besonders große Maßhaltigkeit. Ferner erhält man eine wesentlich vergrößerte, wirksame Filterfläche und der hydraulische Widerstand läßt sich herabsetzen. Als Filterflächen dienen hierbei sowohl die Hauptplattenflächen als auch die entsprechenden Flächen der ersten und/oder zweiten Distanzele­ mente. Der so erhaltene poröse Keramikfilter läßt sich auf vereinfachte Weise herstellen, und er hat eine durchgängige Porosität.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweiten Distanz­ elemente durch einen Gieß- oder Prägeprozeß erzeugt und verfestigt. Hierdurch wird eine besonders gute gegenseitige Verbindung zwischen den Distanzelementen und den Platten erzielt.

Vorzugsweise sind bei dem Keramikfilter die Platten durch zumindest ein erstes Distanzelement im Bereich ihres Außenumfangs gegeneinander abgedichtet sowie miteinander verbunden. Die Platten und das Distanzelement können unter Verwendung der bekannten Ausgangsstoffe wie bei­ spielsweise Aluminiumoxid erzeugt sein, wobei während des gesamten Herstellungsprozesses eine ganzflächige Unter­ stützung möglich ist. Die Wandstärke der Platten kann dadurch bis auf Werte von ca. 0,5 bis 1 mm reduziert sein, was die Erzielung von sehr geringen hydraulischen Widerständen ermöglicht.

Trotz der geringen Wandstärke ist es möglich, den Platten in sich selbst einen unsymmetrisch geschichteten Aufbau zu geben und beispielsweise kleinere Porenradien auf der Anströmseite als auf der davon abgewandten Rückseite vorzusehen. Die Größe der Porenradien liegt im allge­ meinen im nm- bis µm-Bereich. Der sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung ergebende hydraulische Widerstand läßt sich dadurch noch weiter vermindern, ohne eine Verschlechterung des Abscheidungsgrades in Kauf nehmen zu müssen.

Die Platten können in dem von dem ersten Distanzelement umschlossenen Bereich durch zumindest ein zweites Di­ stanzelement verbunden sein. Die für die Filtration zur Verfügung stehende, aktive Filterfläche, d. h. die Plattengröße, läßt sich hierdurch steigern, ohne daß die Bruchgefährdung steigt. Zweckmäßigerweise besteht das zweite Distanzelement aus mehreren Teilelementen, die musterartig über den von dem ersten Distanzelement umschlossenen Bereich verteilt sind. Eine Optimierung der Filterleistung läßt sich besonders einfach dann errei­ chen, wenn die kleinsten Abstände einander benachbarter Teilelemente im wesentlichen in jeder Richtung von übereinstimmender Größe sind. Die Optimierung ist darauf gerichtet, während der bestimmungsgemäßen Verwendung einen möglichst großen Anteil der Platten bis zur Grenze der statischen Tragfähigkeit ausgeglichen zu belasten. Die Wandstärke der Platten kann dementsprechend reduziert und der hydraulische Widerstand gesenkt werden. Die außerhalb der Teilelemente verfügbaren Freiräume sind bevorzugt kanalartig ausgebildet und ineinanderübergehend ausgebildet.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der Keramikfilter einen kreisförmig begrenzten Außenumfang hat, der die Abflußöffnung konzentrisch umschließt. Er läßt sich bei einer solchen Ausbildung besonders einfach in eine um die Abflußöffnung rotierende Bewegung versetzen, was die Gefahr vermindert, daß sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung festhaftende Anlagerungen auf den Anströmflächen bilden.

An zumindest einer der Platten des Keramikfilters kann ein erhaben vorstehendes, drittes Distanzelement vorgesehen sein, das die Abflußöffnung umschließt, wobei das dritte Distanzelement in eine dichtende Verbindung mit einem weiteren Keramikfilter gleicher Art oder einer Abflußlei­ tung bringbar ist. Aus einer beliebig großen Anzahl von übereinstimmend gestalteten Keramikfiltern dieser Art läßt sich so eine Kaskade mit beliebig hoher Filterleistung erstellen, in der alle Keramikfiltereinheiten in funktionstechnischer Hinsicht parallel geschaltet sind.

Die Zusammenfassung und der Austausch der Keramikfiltereinheiten gestalten sich dabei besonders einfach, wenn die ein­ zelnen Keramikfilter im wesentlichen spiegelbildlich gestaltet sind und Abflußöffnungen aufweisen, die axial in beiden Richtungen mündende Teilausgänge haben. Sie können bei einer solchen Ausführung mittels der Teilaus­ gänge auf ein Rohr aufgefädelt werden und gegebenenfalls mit diesem zusammen bei Bedarf ersetzt werden. Das Rohr besteht zweckmäßig ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff. Es umschließt einen Hohlraum, der mit den Innenräumen der einzelnen Keramikfiltereinheiten strömungsleitend verbunden ist. Die erzielbaren Filterleistungen eines solchen Moduls sind dementsprechend unter Umständen erheblich. Eine Ausbildung ganz aus keramischem Werkstoff ist ebenfalls möglich. Sie empfiehlt sich dann, wenn gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten in allen Teilbereichen erforderlich sind oder eine besonders große chemische und/oder thermische Belastbarkeit.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Keramik­ filters besteht in seiner einfachen Herstellbarkeit, ausgezeichneten hydraulischen Permeabilität sowie in der Möglichkeit, die aktive Filterfläche nahezu unbegrenzt zu steigern, ohne eine Verschlechterung der mechanischen Widerstandsfähigkeit in Kauf nehmen zu müssen. Sämtliche Baugrößen sind problemlos rückspülbar und hierdurch leicht zu reinigen. Sie lassen sich in der Flüssigkeits- und Gasfiltration verwenden, desweiteren in dem Cross- Flow und dem Dead-End-Betrieb und in jeglicher Art der Separation, die durch eine Modifikation des Filtermate­ rials erreicht wird. Beispiele sind die Mikro-, Ultra-, Nano- und Hyperfiltration, Pervaporation, Pertraktion und Dialyse. Rotationssymetrisch aufgebaute Ausführungen können als Rotationsfilter zur Anwendung gelangen, in dem der Keramikfilter relativ zur Rohlösung mit hoher Ge­ schwindigkeit rotiert, wobei sich eine hohe Überström­ geschwindigkeit mit großer Scherkraft ergibt und eine Verblockung der Anströmflächen durch Fouling verhindert wird. Ausführungen, die vollständig aus keramischen Werkstoffen bestehen, sind in beliebiger Größe reali­ sierbar und hochgradig temperaturbeständig. Darüberhinaus haben kaskadenartig aufgebaute Keramikfilter, durch ihr geringes Totvolumen bedingt, einen äußerst kleinen Platzbedarf bei großer Leistung. Die Platten haben im Regelfall nur eine Dicke von etwa 0,5 mm und einen gegenseitigen Abstand von etwa 0,2 bis 1 mm innerhalb des Keramikfilters. Werden mehrere Keramikfiltereinheiten modulartig zu einer in sich geschlossenen Baueinheit zusammengefaßt, beispielsweise durch Affädeln auf ein Rohr, dann kann deren gegenseitiger Abstand ähnlich gering bemessen sein und in Abhängigkeit von der Viskosität der Rohlösung 0,4 bis 2 mm betragen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher verdeutlicht. Es zeigt

Fig. 1 einen beispielhaften Keramikfilter in längsgeschnittener Darstellung,

Fig. 2 den Keramikfilter gemäß Fig. 1 in einer teilweise quergeschnittenen Darstellung,

Fig. 3 mehrere Keramikfiltereinheiten gemäß Fig. 1 und 2 in teilweise längsgeschnittener Darstellung, wobei die einzelnen Keramikfilter kaskadenartig zusammengefaßt und in funktioneller Hinsicht parallelgeschaltet sind, und

Fig. 4 und 5 die sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung außerhalb und im Inneren des Keramikfilters ergebenden Strömungsverhältnisse.

Der in den Darstellungen gezeigte poröse Keramikfilter umschließt einen mit zwei Abflußöffnungen 6 verbundenen Hohlraum 1, wobei der Keramikfilter aus zwei ebenen Platten 2, 3 besteht, die einen Abstand voneinander haben, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und die durch ein erstes Distanzelement 4 im Bereich des Außenumfangs gegeneinander abgedichtet und miteinander verbunden sind sowie durch ein zweites Distanzelement 5, das aus mehreren Teilelementen 5.1 besteht, die musterartig über den von dem ersten Distanzelement 4 umschlossenen Bereich verteilt sind. Der gegenseitige Abstand einander benachbarter Teilelemente beträgt nicht mehr als 20 mm. Hierdurch werden die Platten 2, 3 in ausgezeichneter Weise aufeinander abgestützt. Der Keramikfilter erfährt dadurch keine nennenswerte Formveränderung, wenn seine Außenseite durch den Druck des zu reinigenden Mediums beaufschlagt wird oder seine Innenseite durch den Druck der gegebenenfalls in den Hohlraum 1 eintretenden Rückspülflüssigkeit. Der Keramikfilter ist von homogenem Aufbau. Er besteht sowohl im Bereich der Platten 2, 3 als auch im Bereich des ersten Distanzelementes 4 als auch im Bereich des zweiten Distanzelementes 5 aus einem Werkstoffkörper, der homogen ineinander übergehend ausgebildet ist. Er weist dadurch nicht nur eine besonders große, mechanische und ther­ mische Widerstandsfähigkeit auf, sondern darüber hinaus eine besonders gute Maßhaltigkeit und Dauerhaftigkeit, was es erleichtert, Unwuchterscheinungen zu vermeiden. Die Verwendung in einem Rotationsfilter wird dadurch er­ leichtert.

In Fig. 3 wird der Aufbau gezeigt, der sich ergibt, wenn mehrere Keramikfilter mit übereinstimmendem Aufbau unter Zwischenschaltung von Distanzelementen 7 zusammengefügt werden, die die Abflußöffnung 6 konzentrisch umschließen. Die gezeigte Kaskade kann in axialer Richtung beliebig vergrößert werden.

In den Fig. 4 und 5 werden die Strömungsverhältnisse verdeutlicht, die sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung eines um seine Achse rotierenden Keramikfil­ ters ergeben mit der Folge, daß sich die zu reinigende Rohlösung in Richtung der schwarz eingetragenen Pfeile im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Platten 2, 3 bewegt. Das aus der Rohlösung abgeschiedene Filtrat durchdringt deren Porenstruktur und gelangt in den Hohlraum 1, aus dem es über die Abflußöffnung 6 abgeführt wird. Die Filtrationsleistung kann dadurch gesteigert werden, daß die Rohlösung einem Überdruck und der Innenraum 1 einem Unterdruck ausgesetzt wird. Zur Durch­ führung der Rückspülung werden die diesbezüglichen Gegebenheiten umgekehrt was dazu führt, daß an der Außen­ seite der Platten 2, 3 anhaftende Schichten abgelöst bzw. hinsichtlich ihrer Schichtdicke reduziert werden.

Claims (11)

1. Poröser Keramikfilter, erhältlich aus einer formbaren keramischen Masse, welche durch Sintern in ihrer Form fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ebene Platten (2, 3) und erste und/oder zweite Distanzelemente (4, 5), gewonnen aus ungesinterter Grünfolie mittels Ausstanzen, unter Freilassung zumindest eines mit zumindest einer Abflußöffnung (6) verbindbaren Hohlraum (1) zusammengefügt und gemeinsam zu einer homogenen Einheit versintert werden.

2. Keramikfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Distanzelemente (5) durch einen Gieß- oder Prägeprozeß erzeugt sind.

3. Keramikfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Platten (2, 3) durch zumindest ein erstes Distanzelement (4) im Bereich des Außenumfangs gegeneinander abgedichtet sind.

4. Keramikfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2, 3) in dem von dem ersten Distanzelement (4) umschlossenen Bereich durch zumindest ein zweites Distanz­ element (5) verbunden sind.

5. Keramikfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Distanzelement (5) aus mehreren Teilelementen (5.1) besteht, die musterartig über den von dem ersten Distanzelement (4) umschlossenen Bereich verteilt sind.

6. Keramikfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikfilter einen kreis­ förmig begrenzten Außenumfang hat, der die Abflußöffnung (6) konzentrisch umschließt.

7. Keramikfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußöffnung (6) zwei einander spiegelbildlich gegen­ überliegende Teilausgänge hat, die in axialer Richtung münden.

8. Keramikfilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Keramikfilter in eine um die Abflußöffnung (6) rotierende Bewegung versetzbar ist.

9. Keramikfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer der Platten (2, 3) ein erhaben vorstehendes, drittes Distanzelement (7) vorgesehen ist, das die Abflußöffnung (6) umschließt, und daß das dritte Distanzelement (7) in eine dichtende Ver­ bindung mit einem weiteren Keramikfilter gleicher Art oder einer Abflußleitung bringbar ist.

10. Keramikfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Keramikfilter mittels der beiden Teilausgänge ihrer Abflußöffnung (6) in Abständen voneinander auf ein Rohr aufgefädelt und gegenüber dem Rohr abgedichtet sind, und daß das Rohr einen axial zumindest in einer Richtung offenen Hohlraum umschließt, der mit den Innenräumen der einzelnen Keramikfilter strömungsleitend verbunden ist.

11. Keramikfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem Keramikwerkstoff besteht und lösbar mit den Keramikfiltern verbunden ist.