DE60004021T2

DE60004021T2 - Verfahren und vorrichtung zur prüfung von membranfiltern

Info

Publication number: DE60004021T2
Application number: DE60004021T
Authority: DE
Inventors: C. Gary GANZI
Original assignee: United States Filter Corp
Current assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-02-26
Also published as: EP1159058A1; EP1159058B1; ES2202081T3; JP2002537105A; DE60004021D1; US6568282B1; WO2000050158A1; ATE245472T1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung einer Membran und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung der Integrität von in Wasseraufbereitungsanlagen verwendeten porösen Membranen bereit.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Verschiedene Verfahren zum Testen der Integrität einer porösen Membran stehen zur Verfügung. Diese Verfahren umfassen zum Beispiel einen herkömmlichen Nachweistest, wo eine Wasserprobe, die Mikroorganismen enthält, durch die Membran hindurchgeht und das Produkt dahinter auf die Anwesenheit und die Konzentration des Mikroorganismus analysiert wird. Andere Verfahren verwenden im Allgemeinen keine wirklichen Mikroorganismen, messen aber einige andere physikalische Charakteristika der Membran, die auf irgendeine Weise die Fähigkeit der Membran, betreffende Partikel, gelöste Stoffe oder Mikroorganismen auszuschließen, widerspiegeln. Diese Tests umfassen den Diffusionstest, den Blasenpunkttest, den Druckhaltetest, die Trübungsmessungen, die Teilchenzählung und die Leitfähigkeitstests.
In einem standardmäßigen Diffusionstest (DT) wird die Membran, die geprüft wird, mit einem Fluid benetzt, welches mit einem zweiten Fluid nicht mischbar ist, das mit einer Seite der Membran in Berührung ist. Der Druck des zweiten Fluids, in der Regel Luft, wird bis auf einen vorbestimmten Druck oder Strömungsgeschwindigkeit erhöht, im Allgemeinen einen Druck, der vom Hersteller der Membran empfohlen wurde. Bei diesem Druck oder Strömungsgeschwindigkeit wird eine Menge des zweiten Fluids durch die benetzte Membran zu der Seite des niedrigeren Druckes diffundieren. Wenn die gemessene Geschwindigkeit die gleiche wie die vom Hersteller empfohlene Geschwindigkeit ist, dann kann angenommen werden, dass die Membran ordnungsgemäß funktioniert.
In dem Blasenpunkttest (BPT/Bubble Point Test), welcher auf eine ähnliche Weise wie der Diffusionstest, aber bei einer steigenden Geschwindigkeit des Druckes oder der Strömung des zweiten Fluids durchgeführt wird, kann das zweite Fluid, in der Regel Luft, wenn der Druck des zweiten Fluids ein kritisches Niveau erreicht, etwas Benetzungsfluid aus den Poren der Membran herausgestoßen haben und kann als eine Reihe von Blasen auf der Niederdruckseite der Membran zu sehen sein. Je niedriger der erforderliche Druck ist, um sichtbare Blasen zu erzeugen, umso größer ist die Porengröße oder die Größe eines Defektes, der in der Membran vorhanden sein kann. Außer dem visuellen Nachweis des Blasenpunktes kann die Bildung von Blasen ebenfalls durch die Anwendung von akustischen oder optischen Messungen nachgewiesen werden.
Die Trübungsmessung und die Teilchenzählung wurden ebenfalls verwendet, um Membranen zu bewerten. Beide dieser Verfahren stellen allgemeine Messungen der Menge von ungelöstem Material bereit, das durch eine Membran hindurchgeht.
Ein anderes Verfahren zur Messung der Menge des Eindringens eines zweiten Fluids in eine Membran besteht darin, die Leitfähigkeit durch eine Membran zu messen. In diesem Test, wo eine im Allgemeinen nichtleitende Membran von einem leitenden Fluid durchdrungen wird, nimmt die Leitfähigkeit durch die Membran zu und kann gemessen werden. Aus dieser Messung kann die Menge des Eindringens von Fluid in die Membran indirekt bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung einer Membran gerichtet, wie in den Ansprüchen 1 und 21 enthalten. Die bevorzugten Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die bevorzugten, nicht einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden beispielhaft mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in welcher:
1 eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewertung der Integrität von porösen Membranen gerichtet. Das Verfahren verbessert die Empfindlichkeit von Membranintegritätstests außerordentlich und stellt für den Operator ein Verfahren zum Nachweisen eines einzelnen Defektes bereit, der zum Beispiel genau groß genug ist, um den Durchgang eines Mikroorganismus zu ermöglichen. Die Vorrichtung der Erfindung stellt ein System zur Durchführung eines empfindlichen Membranintegritätstests bereit.
Poröse Membranen werden umfangreich in der Aufbereitung von Wasser für vielfältige Endanwender verwendet, einschließlich privater und gewerblicher Verbrauch, industrielle Verfahren und pharmazeutische Produktion. Der gestiegene Bedarf an Wasser hoher Qualität wurde durch die gestiegene Produktion von Arzneimitteln und Mikrochips sowie durch staatliche Bestimmungen beeinflusst. Insbesondere haben vor kurzem Ausbrüche von Giardia und Cryptosporidium in Trinkwasserversorgungen das Bewusstsein für diese Organismen geweckt und ihre Überwachung in die vorderste Reihe der Aufgaben der Wasserqualität für kommunale Wasserversorger gebracht.
Die meisten Mikroorganismen können durch die Verwendung von Desinfektionsmitteln wie zum Beispiel Chlor, Chloramin oder Ozon gesteuert werden. Einige Lebensstadien von Mikroorganismen jedoch, insbesondere Zysten und Oozysten, sind gegenüber diesen Behandlungen resistent und können resistent gegenüber Chlor bei Konzentrationen sein, die für eine Trinkwasserversorgung als sicher angesehen werden. Erfreulicherweise wurde die Membrantechnologie weiterentwickelt und ist in der Lage, große Volumina von Wasser zu filtern, während der Durchgang dieser Organismen verhindert wird.
Da Membranen darauf bauen, die Verunreinigung durch Teilchen und Mikroorganismen in kritischen Anwendungen, wie zum Beispiel der Trinkwasserproduktion, zu verringern, muss die Integrität der Membran während des Produktionsprozesses aufrechterhalten werden. Im Unterschied zur chemischen Desinfektion, wo effektive Konzentrationen des Desinfektionsmittels genau überwacht werden können, kann eine defekte Membran den Durchgang von pathogenen Mikroorganismen ermöglichen, ohne nachgewiesen zu werden. Als eine Folge wurde umfangreiche Arbeit auf dem Gebiet der Prüfung der Membranintegrität geleistet.
Poröse Membranen arbeiten, indem sie den Durchgang von Wasser durch Poren, die sich von einer Seite der Membran bis auf die andere erstrecken, ermöglichen. Theoretisch ist jede Pore in einer Membran groß genug, um den Durchgang von Wasser zu ermöglichen, während der Durchfluss von unerwünschten Organismen und partikularen Stoffen verhindert wird. Einige Membranen weisen Poren auf, die klein genug sind, um gelöste Moleküle auszuschließen. Der Begriff Mikrofiltration (MF/microfiltration) wird im Allgemeinen verwendet, um Membranen zu beschreiben, die fähig sind, Teilchen mit einem Durchmesser größer als 0,1 Mikron auszuschließen. Die Ultrafiltration (UF/ultrafiltration) bezieht sich auf Membranen, die zum Ausschließen von Teilchen kleiner als 0,1 Mikron fähig sind und Hyperfiltrations-(HF/hyperfiltration) oder Umkehrosmosemembranen (RO/reverse osmosis) können zum Ausschließen extrem kleiner Spezies fähig sein, wie zum Beispiel gelöster Ionenverbindungen. Mikroporöse Membranen umfassen die Membranen, die nominelle Porengrößen von ungefähr 0,01 Mikron bis ungefähr 1 Mikron aufweisen, und umfassen in der Regel Membranen, die nominelle Porengrößen von ungefähr 0,1 Mikron bis ungefähr 0,5 Mikron aufweisen.
Unter Belastungen, die durch Faktoren wie Verwendung, Desinfektion, Rückspülung oder Alterung hervorgerufen werden, können sich in den Membranen Defekte bilden, die den Durchgang von Verunreinigungsstoffen durch die Membran ermöglichen, deren Durchgang die Membran ausschließen soll. Als eine Folge fordern die staatlichen Bestimmungen, die Herstellerempfehlungen und der typische Betrieb, dass Membranen, die in kritischen Anwendungen verwendet werden, regelmäßig geprüft werden.
Viele Hersteller spezifizieren für ihre Membranen einen BPT-Grenzwert. Die BPT-Parameter und die Nachweisverfahren unterscheiden sich sehr, aber die Prozedur und die Theorie hinter dem Verfahren sind im Allgemeinen von Prüfung zu Prüfung übereinstimmend. Eine Membran wird zuerst benetzt, um die Poren mit einem Fluid zu füllen, das mit der Membran verträglich ist. In der Regel ist Wasser das Benetzungsfluid. Ein zweites Fluid, gewöhnlich Luft, wird zu einer Seite der Membran zugeführt und der Druck dieses Fluids wird schrittweise erhöht. Zuerst leisten die Kapillarkräfte und die Oberflächenspannungskräfte in den Poren der Membran dem Zufluss des zweiten Fluids Widerstand und der Druck steigt mit geringem oder keinem Transport des Fluids durch die Membran weiter an. Mit dem Anstieg des Druckes jedoch überschreitet die Kraft, die auf die Fluidsäule in einer gegebenen Pore wirkt, möglicherweise die Kräfte, die ihr Widerstand leisten, und das zweite Fluid fließt ungehindert durch die Pore zu der anderen Seite der Membran. Im Allgemeinen wird je größer die Porengröße (in ihrem Punkt des kleinsten Durchmessers) ist, der Durchbruch infolge der auf die größere Oberfläche wirkenden Kraft umso früher eintreten. Wenn der Durchbruch erheblich ist, kann der Blasenpunkt (BP/Bubble Point) durch mehrere Verfahren nachgewiesen werden. Erstens können die Blasen selbst beobachtet werden, die sich auf der Niederdruckseite der Membran bilden oder durch das Fluid aufschwimmen, das mit der Niederdruckseite der Membran in Berührung ist. Im anderen Fall wird die Druckanstiegsgeschwindigkeit auf der Seite vor der Membran mit der Zunahme der Strömung durch die Membran abflachen. Die wirkliche Strömung der Luft durch das Prüfsystem kann ebenfalls auf jeder Seite der Membran überwacht werden. Die Bildung von Blasen kann ebenfalls akustisch durch Nachweisen der Schalldifferenz zwischen dem zweiten Fluid, das durch die Membran diffundiert, und dem zweiten Fluid, das ungehindert durch die Poren der Membran fließt, nachgewiesen werden. Der Anstieg der Strömung, der in dem Blasenpunkt auftritt, kann ebenfalls unter Verwendung eines Indikatorgases gemessen werden, das durch Messausrüstung auf der Seite hinter der Membran nachgewiesen werden kann.
In einem DT ist ein bekanntes Volumen eines Gases bei einem bekannten Druck mit einer Seite einer Membran in Berührung, die durch ein Fluid, in der Regel Wasser für eine hydrophile Membran und ein Alkohol für eine hydrophobe Membran, ausreichend benetzt wurde. Die Diffusionsgeschwindigkeit durch die Membran wird durch Überwachung des Druckes und/oder der Strömung des Gases von der Hochdruckseite der Membran zu der Niederdruckseite gemessen. Diese Diffusionsgeschwindigkeit wird anschließend mit einer Geschwindigkeit verglichen, die von dem Membranhersteller für diesen Typ der Membran unter gleichartigen Prüfbedingungen eingestellt wurde. Wenn die gemessene Geschwindigkeit die vorgeschriebene Geschwindigkeit übersteigt, kann ein Defekt in dem System vorhanden sein.
Der BPT und der DT liefern jeder nützliche Informationen über die Membran, die geprüft wird, und zusammen stellen diese zwei Tests zusätzliche Informationen bereit, die für die Operator nützlich sind. Das Übertragungsmodell eines Fluids durch eines dieser Verfahren unterscheidet sich jedoch wesentlich von dem anderen.
Das Vertrauen auf den BPT als eine genaue Messung der Filterintegrität setzt voraus, dass eine Beziehung zwischen dem Blasenpunktdruck und der Größe der potentiell größten Pore oder Defektes in der Membran vorhanden ist. Eine analytische Form der Beziehung ergibt sich aus einem Kräftegleichgewicht zwischen dem benetzenden und nichtbenetzenden Fluid in einer Pore oder Defekt, die in der Form einer zylindrischen Kapillare anzunehmen sind. Das Benetzungsfluid nimmt die Poren oder Defekte in der Membran ein und setzt sich der Kraft des nichtbenetzenden Fluids infolge der Kapillarkräfte und Oberflächenspannungskräfte entgegen, die zum Beispiel durch das Benetzungsfluid selbst, die Form der Poren oder Defektes und das Material, aus dem die Oberfläche der Membran aufgebaut ist, beeinflusst werden. Die Young-Laplace-Gleichung kann ein effektives Modell sein, um den BP und die größte Pore oder Defekt in die Form einer Gleichung zu bringen: ΔP = 4σ(cosθ)/d; (Gl. 1)wo ΔP die Druckdifferenz durch das Membranfilter, σ – die Oberflächenspannung des Benetzungsfluids, θ – der Randwinkel zwischen dem Benetzungsfluid und dem Umfang der Kapillare und d – der Durchmesser der größten Pore des Filters ist.
Obgleich die Young-Laplace-Gleichung einen nütrlichen Prädiktor der größten Pore oder Defektes bereitstellen kann, stimmen die quantitativen Vorhersagen dieser vereinfachten Gleichung nicht mit den wirklichen Blasenpunktmessungen für die meisten mikroporösen Filter eines gegebenen Nennwertes der Porengröße überein. Dies weist wahrscheinlich entweder auf einen Fehler in den Annahmen der Gleichung oder einen Fehler in dem Nennwert der Porengröße oder beides hin. Oft wird ein Nennwert durch die Anwendung des Nachweistests bestimmt, um den Abscheidewirkungsgrad von Teilchen bekannter Abmessungen zu ermitteln, und nicht durch wirkliche physikalische Messung der Porengröße.
Die Poren der meisten mikroporösen Membranen sind bei Betrachtung unter dem Mikroskop zylindrischen Kapillaren nicht ähnlich und wenn man zum Beispiel eine Membran als ein Feld von polymeren Säulen und nicht als ein Feld von zylindrischen Löchern modellieren sollte, würde die Beziehung des resultierenden Kräftegleichgewichtes zwischen der Porengröße und dem BP nicht nur als eine Funktion des äquivalenten Porendurchmessers, sondern auch der Porosität gekennzeichnet werden. Die Porosität K ist definiert als der Volumenanteil der Membran, der durch den Raum der Poren eingenommen wird. Für ein Säulenmodell kann die Porosität als K definiert werden, wo
wo d der Abstand zwischen zwei diagonal gegenüberliegenden Säulen in einem quadratischen Feld (effektive Porengröße) und s – der Säulendurchmesser ist.
Das Säulenmodell bringt den Blasenpunktdruck mit der Säulengröße und der Porosität in die Form einer Gleichung.
wo σ die Oberflächenspannung des Benetzungsfluids, θ – der Randwinkel, s der Säulendurchmesser und ψ – der kürzeste Abstand zwischen zwei Säulen in einem quadratischen Feld ist. Die effektive Porengröße d und ψ können auf der Basis des Satzes des Pythagoras in Beziehung gebracht werden.
Unter Verwendung solch eines Modells nähern sich die vorhergesagten Blasenpunktdrücke dichter den Drücken, die in der Regel in den meisten mikroporösen Filtern gemessen werden. Zum Beispiel unter Verwendung von reinem Wasser mit Raumtemperatur als das Benetzungsfluid und unter Annahme der Luftverschiebung einer völlig hydrophilen Membran würden ein wirklicher Porendurchmesser von 0,28 Mikrometer und eine Porosität von 85% einen berechneten BP von ungefähr 150 psid unter Verwendung der Young-Laplace-Gleichung und einen viel allgemeineren empirisch gemessenen von 60 psid ergeben, wenn man ein Feld von abstandsgleichen zylindrischen Filtermediumsäulen gleichen Durchmessers mit einer Porosität von 85% annehmen würde. Unter Verwendung eines Ergebnisses des BP von 60 psid würde die Young-Laplace-Gleichung einen größten Porendurchmesser von 0,7 Mikrometer vorhersagen, wohingegen ein Säulenmodell einen größten Porendurchmesser von 0,28 Mikrometer vorhersagen würde.
Mikroporöse Membranen bestehen wahrscheinlich aus Gebieten, die wie Kapillaren wirken, und aus Gebieten, die wie Säulen wirken, und folglich kann der BP wahrscheinlich nicht zwischen einem Bereich kleiner Poren in einem isolierten Gebiet hoher Porosität und einem einzelnen großen Defekt unterscheiden, der viele Male größer als der Nennwert des Filters ist. Unter Verwendung beider Modelle jedoch kann angenommen werden, dass keine Poren oder Defekte größer als die von der Young-Laplace-Gleichung vorhergesagten vorhanden sind und folglich kann die Implementierung dieses Modells als Vermeidung der Möglichkeit von falschen negativen Ergebnissen charakterisiert werden.
Es können jedoch andere Einschränkungen des BPT als ein Integritätstest vorhanden sein. Von einem praktischen Standpunkt aus und in Fortführung des Beispiels eines mikroporösen Membranfilters mit einem BP von 60 psid kann die Strömung des nichtbenetzenden Fluids, in der Regel Luft, durch eine einzelne durchgeblasene Pore von 0,7 Mikrometer Durchmesser nicht sichtbar oder nicht ohne weiteres als ein freifließender Gasstrom selbst unter Laborbedingungen nachweisbar sein.
Wenn die Eintritts- und Austrittseffekte unberücksichtigt gelassen werden, dann kann die komprimierbare molare Strömungsgeschwindigkeit N eines idealen Gases durch eine zylindrische Kapillare durch die Hagen-Poiseuille-Gleichung modelliert werden: N = Πd4g(P2 2 – P1 2)/256μLRT; (Gl. 4)wo P₂ der absolute Eintrittsdruck und P₁ – der absolute Austrittsdruck durch die Membran, d der Porendurchmesser, g die Gravitationskonstante, μ die Gasviskosität, L die Länge der Pore, R die Gaskonstante und T die Temperatur in Grad Kelvin ist. Für d = 0,7 Mikrometer, P₂ von 4 Atmosphären absolut, P₁ von 1 Atmosphäre absolut, μ von 0,018 Zentipoise (in der Regel von Luft bei 298 K) und L von 250 Mikrometer (eine typische Dicke einer mikroporösen Membran) würde die molare Strömung durch eine einzelne größte Pore annähernd 4 × 10^–1 gmol/s betragen (entsprechend einem Volumenstrom bei 1 Atmosphäre absolut von ungefähr 6 × 10^–5 cm³/min) – eine Menge, die wahrscheinlich zu klein ist, um routinemäßig in einer praktischen Filtrationsanwendung gemessen zu werden. Auf der Basis direkter Messungen des relativ großen Volumens der Gasströmung in dem sichtbaren BP ist es wahrscheinlich, dass eine gegebene BP-Messung wirklich ein relativ großes vollständiges Gebiet geringer Porosität und nicht einen unvollständigen Membrandefekt nachweist.
Obgleich ein Integritätstest auf der Basis des BP nicht zu der notwendigen Empfindlichkeit fähig sein kann, einen einzelnen Submikron großen Defekt in einem porösen Membranfilter nachzuweisen, ist er offensichtlich bei der Bestimmung von Wert, ob größere oder zahlreiche Defekte, d. h. nachweisbare Defekte, vorhanden sind. Um sich der Größe eines praktisch messbaren Defektes zu nähern, kann es hilfreich sein, den Anteil einzubeziehen, der durch Diffusion des nichtbenetzenden Fluids durch die Membran bereitgestellt wird.
Der Diffusionstest und seine Variante, der Druckhaltetest, können beide Daten bereitstellen, was die Menge des nichtbenetzenden Fluids betrifft, die durch das membranlose Verdrängen des Benetzungsfluids aus den Poren oder Defekten der Membran transportiert wird. Wenn der Diffusionstest mit einer Nullströmung durch die Membran endet, dann könnte jede unterhalb des BP-Nenndruckes nachgewiesene Strömung einem Defekt zugeschrieben werden. In der Praxis lösen sich jedoch Gase wie zum Beispiel Luft in dem Benetzungsfluid auf, diffundieren durch die Poren unter dem Druckgradienten und desorbieren auf der Niederdruckseite. Die Beziehung zwischen der molaren Geschwindigkeit des Gastransportes und der angewandten Druckdifferenz wurde von Reti vorgeschlagen. N = D(ΔC)ε/L; (Gl. 5)wo N die molare Permeationsgeschwindigkeit, D der Diffusionskoeffizient des Gases in der Membran, ε ein Porositäts-/Krümmungsfaktor, ΔC der molare Konzentrationsgradient des Gases durch die Membran und L die Dicke der Flüssigkeit in der Membran (gleich der Membrandicke, wenn die Membran vollständig mit Flüssigkeit benetzt wird) ist.
Die Substitution des Henry'schen Gesetzes (P₈ = HX₈, wo P₈ der Gasdruck, H die Konstante des Henry'schen Gesetzes und X₈ der Molenbruch des Gases in der Flüssigkeit ist) ergibt für die Beziehung der Konzentration und des angewandten Gasdruckes und unter der Annahme, dass der Molenbruch des Gases in der Flüssigkeit klein ist (wie von Emory vorgeschlagen): N = D(ΔP)ερ1/LH(MW1); (Gl. 6)wo (ΔP) – die Druckdifferenz durch die Membran, ρ₁ die Flüssigkeitsdichte und (MW₁) das Grammolekül der Flüssigkeit ist.
Für die meisten mikroporösen Filter ist bei Druckdifferenzen von ungefähr 80% des BP-Druckes oder kleiner N in der Regel linear zu ΔP. Bei Druckdifferenzen über ungefähr 80% des BP glaubt man, dass die Diffusionsgeschwindigkeit infolge einer Verkürzung der Diffusionslänge L durch das Benetzungsfluid ansteigen kann. Dies kann das Ergebnis der Depression des Meniskus des Benetzungsfluids (oder auch des teilweisen Verdrängens der Säule des Benetzungsfluids) in den Poren als eine Folge des gestiegenen Druckes sein.
Da jede Nichtlinearität zwischen N und ΔP, speziell unter ungefähr 80% des BP-Druckes, auf einen Verlust der Membranintegrität hinweisen würde, ist unter kontrollierten Bedingungen mit vorbestimmten experimentellen Werten von ρ und L für ein gegebenes Filter ein Diffusionstest, der N als eine Funktion von ΔP misst, zu einer höheren Empfindlichkeit als der Blasenpunkttest fähig. Jedoch ändert sich der Zustand einer Membran im kommerziellen Einsatz nach der Inbetriebnahme kontinuierlich. Zum Beispiel kann in Anwendungen wie der Trinkwasserfiltration das Membran-Fouling ein normales Ereignis sein. In diesen Situationen ist es vorstellbar, dass sich pρ oder L oder beide so ändern könnten, dass sich der Wert von N verringert. In solch einem Fall kann ein neu entstandener Membrandefekt auf einer von Fouling betroffenen Membran infolge einer Verringerung der Diffusionsgeschwindigkeit durch die Membran wegen des Fouling unerkannt bleiben, d. h. der Gastransport, der normalerweise der Diffusion zugerechnet wird, würde in Wirklichkeit durch einen Defekt transportiert werden. Wenn man jedoch jeden durch Diffusion erhaltenen Anteil vernachlässigt und annimmt, dass der gesamte Transport des Fluids durch die Membran (unterhalb des BP-Druckes) eine Folge der Strömung durch einen Defekt ist und der gemessene Wert von N kleiner als der von der Strömung durch einen Defekt eines speziellen Durchmessers vorhergesagte ist, kann es dann eine sichere Annahme sein, dass kein Defekt des speziellen Durchmessers oder größer vorhanden ist. Dies kann richtig sein, auch wenn sich das Fouling der Membran bis zu einem Ausmaß aufgebaut hat, dass der durch die Diffusion an N geleistete Anteil Null ist. Dies kann ebenfalls zutreffen, wenn andere Faktoren wie zum Beispiel der Filteraufbau oder zeitabhängige Erscheinungen dienlich sind, einen Teil des Beitrags auszugleichen, von dem angenommen wird, dass er durch die Diffusionskomponente (die sich aus einer Verringerung von σ oder Zunahme von θ ergeben kann) entsteht.
Wenn man annimmt, dass der Massenstrom N durch einen Defekt und nicht durch Gasdiffusion erzeugt wird, kann man die Empfindlichkeit des Tests durch Verringerung der Diffusionskomponente von N oder durch Erhöhung der Geschwindigkeit der Poiseuille-Strömung bezüglich der Diffusionsströmung für eine gegebene Defektgröße in einer gegebenen Membran verbessern. Es kann zum Beispiel möglich sein, Gas/Flüssigkeitskombinationen mit D- und/oder H-Werten kleiner als Luft/Wasser zu verwenden. Eine andere Möglichkeit ist durch Vergleichen der Gleichung für die Laminarströmung mit der Gleichung für die Diffusionsströmung ersichtlich.
N ist eine starke Funktion des Absolutdruckes in der Hagen-Poiseuille-Gleichung (Gl. 4), weil sie eine quadratische Funktion der Absolutdrücke P₂ und P₁ ist. Im anderen Fall ist N keine starke Funktion des Absolutdruckes in der Diffusionsgleichung (Gl. 6), da sie eine lineare Funktion der absoluten Druckdifferenz ΔP oder P₂ – P₁ ist. Folglich kann die Durchführung eines Integritätstests bei hohen Druckdifferenzen (aber bei einer Differenz kleiner als der BP) und unter erhöhtem Absolutdruck auf der Seite hinter dem Filter (und nicht bei atmosphärischem Druck) zu verbesserter Testempfindlichkeit führen. Einzelne Defekte so klein wie 10, 5 oder sogar 1 Mikron im Durchmesser können nachgewiesen werden.
Diese Verbesserung der Testempfindlichkeit kann den Nachweis eines einzelnen Defektes von erheblicher Größe ermöglichen, um den Durchgang eines betreffenden Mikroorganismus zu gestatten. Sie kann ebenfalls genaueres Prüfen größerer Membranen ermöglichen und die Prüfung mehrerer Membranen parallel ermöglichen, während dennoch ein einzelner Defekt einer Mindestgröße nachgewiesen werden kann.
1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung, die verwendet werden kann, um ein Verfahren der Erfindung zu verwirklichen. Die Vorrichtung 100 kann ein System sein, das speziell für die Prüfung der Integrität einer Membran zum Beispiel in einem Labor ausgelegt ist oder sie kann ein arbeitendes Filtrationssystem einer kommunalen Wasserversorgung oder anderen Filtersystems sein, wo das Filter am Einsatzort getestet wird. 1 zeigt eine Vorrichtung, die speziell für die Prüfung von Membranen ausgelegt ist.
Die Vorrichtung umfasst eine Membran 10, die jeder Typ von poröser Membran sein kann. Die Membran, die geprüft wird, kann ausgelegt sein, um entweder Teilchen oder gelöste Spezies aus einem Fluid abzuscheiden und umfasst die für MF und UF ausgelegten Filter. Die Membran kann von jeder Größe oder Form sein und kann zum Beispiel in der Form einer flachen Scheibe oder Platte, einer geriffelten Tafel, einer zylindrischen Patrone, eines Faser-, eines Kapillar- oder eines Wickelfilters sein. Die Membranen sind im Allgemeinen kleiner als 500 Mikron in der Dicke und sind gewöhnlich zwischen ungefähr 100 und 300 Mikron dick. Mehrfachmembranen können gleichzeitig geprüft werden, da die Gesamtmembranfläche wichtiger als die Anzahl der parallel getesteten Membranen ist. Die Membran kann hydrophil oder hydrophob sein und kann mehr als einen Materialtyp umfassen. Die Membran kann zum Beispiel eine Beschichtung aufweisen, um ihre Filtercharakteristika zu verbessern. Einige Beispiele von Polymeren, die in den Membranen verwendet werden können, sind Sulfonpolymere, zum Beispiel Polyethersulfon; fluorierte Polymere, zum Beispiel PVDF und PTFE; Polyolefine, zum Beispiel Polypropylen; und Cellulosen, zum Beispiel Celluloseester.
1 zeigt eine scheibenförmige Membran 10. Die Membran 10 wird in einem druckfesten Gehäuse 20 gehalten, das das gleiche Gehäuse sein kann, das verwendet wird, um die Membran während der normalen Arbeitsfiltration zu halten. Die Membran unterteilt das druckfeste Gehäuse in zwei separate Kammern 30 und 40. Die Kammern 30 und 40 werden voneinander durch die Membran abgetrennt. Die Kammern 30 und 40 des Gehäuses werden zum Beispiel durch Schrauben 21, 22 zusammengehalten, welche ebenfalls dazu dienen, die Membran 10 am Platz zu befestigen.
Die Membran 10 wird mit einem Benetzungsfluid benetzt. Vorzugsweise wird das Benetzungsfluid so ausgewählt, dass es die Membran oder das Endprodukt des Prozesses nicht ungünstig beeinflusst. Wenn die Membran hydrophil ist, dann ist Wasser das bevorzugte Benetzungsfluid; wenn die Membran hydrophob ist, dann kann ein Alkohol, vorzugsweise Methanol oder Isopropanol, als das Benetzungsfluid verwendet werden. Die Membran wird mit dem Fluid gründlich benetzt, vorzugsweise so, dass die Poren der Membran mit dem Fluid gefüllt werden, während die Luft in den Poren verdrängt wurde. Die Benetzung kann erreicht werden, indem der Membran ermöglicht wird, für eine ausreichende Zeit in dem Benetzungsfluid zu schwimmen, um die Luft aus den Poren zu verdrängen.
In Betrieb, um den Prüfablauf zu beginnen, können die Kammern 30, 40 über dem atmosphärischen Druck unter Druck gesetzt werden. Die Kammer 40, die Kammer dahinter, kann mit jedem Fluid unter Druck gesetzt werden. Die Kammer wird vorzugsweise mit einem Fluid unter Druck gesetzt, das mindestens teilweise in dem Benetzungsfluid nicht mischbar ist. Ein teilweise nicht mischbares Fluid ist ein Fluid, das in dem Benetzungsfluid bei einer Konzentration unter ungefähr 1 g/100 g löslich ist, zum Beispiel Kohlendioxid in Wasser. Der Druck kann durch eine Pumpe oder andere Quelle des komprimierten Fluids bereitgestellt werden, die mit dem Kanal 14 in Verbindung ist. Ein effektiver Druck ist definiert als ein Druck auf der Seite hinter der Membran, bei dem die Poiseuille-Strömung mindestens ungefähr 50% größer als die Poiseuille-Strömung bei einer äquivalenten Druckdifferenz mit der Seite hinter der Membran bei atmosphärischem Druck ist. Ein Druckmessgerät 91 ist mit der Kammer 40 in Verbindung und kann längs der Testleitung angeordnet werden, wo es zum Anzeigen des Druckes in der Kammer 40 imstande ist. Vorzugsweise ist das Druckmessgerät 91 ein barometrisches Gerät, das Druck bis zu einem Druck über 10 Atmosphären genau messen kann. Besonders bevorzugt ist das Gerät 91 ein Druckmessumformer, der Daten an einen Computer bereitstellen kann, die anschließend verwendet werden können, um den Betrieb des vorhandenen Prüfablaufs zu erleichtern.
Die Kammer 30 wird mit einem Fluid unter Druck gesetzt, das mindestens teilweise mit dem Benetzungsfluid nicht mischbar ist. Vorzugsweise ist das unter Druck setzende Fluid im Wesentlichen in dem Benetzungsfluid nicht mischbar. Ein im Wesentlichen nicht mischbares Fluid weist eine Löslichkeit in dem Benetzungsfluid auf, die kleiner als die von Kohlendioxid in Wasser ist, zum Beispiel die Löslichkeit von Luft oder Stickstoff in Wasser. Das Fluid sollte die Membran nicht beschädigen und ist vorzugsweise für das Produkt, das gefiltert wird, nicht schädlich. Besonders bevorzugt wird das Fluid in Kombination mit dem Benetzungsfluid ausgewählt, so dass es einen niedrigen Diffusionskoeffizienten D und eine kleine Konstante H des Henry'schen Gesetzes aufweist. Wenn Wasser als das Benetzungsfluid verwendet wird, wird Luft oder Stickstoff als das unter Druck setzende Fluid bevorzugt.
Das unter Druck setzende Fluid kann durch eine Pumpe, durch einen Behälter des unter Druck gesetzten Fluids oder durch eine andere Quelle bereitgestellt werden, die fähig ist, den erforderlichen Druck zu erreichen, um den Prüfablauf zu betreiben. In 1 wird das unter Druck gesetzte Fluid durch den Kanal 12 zugeführt. In diesem Beispiel werden die Strömung und der Druck der Luft durch den Regler 82 gesteuert. Der Drucksensor 81 überwacht den Druck auf der Seite vor der Membran. Der Drucksensor 81 kann ähnlich wie der Drucksensor 91 sein und ist vorzugsweise ein Druckmessumformer, der mit einem Computer in Verbindung ist, um den Betrieb des vorliegenden Verfahrens zu steuern oder die Druckdaten zu registrieren.
Der Druck auf beiden Seiten der Membran in den Kammern 30, 40 kann gleichzeitig auf Druck gebracht werden. Zum Beispiel wird ein Niedrigdruckfluid in die Kammer 40 durch den Regler 92 zugeführt und dabei das Hochdruckfluid in die unter Druck gesetzte Kammer 30 zugeführt. Während beide Seiten des Systems unter Druck gesetzt werden, wird es bevorzugt, dass jede Druckdifferenz zwischen den zwei Seiten unterhalb des Blasenpunktdruckes gehalten wird. Besonders bevorzugt wird die Druckdifferenz unter ungefähr 80% des Blasenpunktdruckes gehalten. Sobald die Kammer 40, die Kammer dahinter, den gewünschten Prüfdruck erreicht hat, wird die Strömung zu der Kammer abgesperrt. Der Druck kann überwacht werden, um sicherzustellen, dass keine undichten Stellen auf der Seite hinter dem System vorhanden sind. Das Hochdruckfluid, das in die Kammer 30 zugeführt wird, strömt weiter in die Kammer 30, bis ein gewünschter Druck davor erreicht ist. Die Regler 82 und 92 können dazu dienen, den Druck auf jeder Seite der Membran während des Verfahrens konstant zu halten.
Der gewünschte Prüfdruck davor kann durch mehrere Verfahren bestimmt werden. Wenn sich zum Beispiel ein Operator für Defekte eines bestimmten Durchmessers X interessiert, dann sollten die Absolutdrücke in den Kammern 30, 40 vorzugsweise so eingestellt werden, dass die voraussichtliche Diffusionsgeschwindigkeit durch die Membran kleiner als die ist, welche von der Strömung durch einen einzelnen Defekt der Größe X vorhergesagt würde. Wenn zum Beispiel die Diffusionsströmung durch eine spezielle Membran mit 10 cm³/min bei einer Druckdifferenz von 50 psi berechnet oder bestimmt wurde, dann können die Absolutdrücke in den Kammern 30, 40 bis auf einen Druck erhöht werden, durch welchen bei der gleichen Differenz, 50 psi, der Unterschied der Quadrate der zwei Absolutdrücke groß genug ist, um zu einer Strömung durch einen einzelnen Defekt der Größe X zu führen, die größer als 10 cm³ pro Minute ist. Die Absolutdrücke, die erhalten werden können, können durch andere Faktoren wie zum Beispiel die Druckhalteeigenschaften des Filtergehäuses und die Drücke gesteuert werden, die durch die Pumpen oder andere Druckquellen erreichbar sind, die das Fluid zu beiden Seiten der Membran zuführen. Es ist besonders bevorzugt, den Test bei einer Druckdifferenz von mindestens ungefähr 50% des Blasenpunktdruckes zu betreiben, da eine größere Druckdifferenz zwischen den zwei Seiten der Membran die Strömungsmenge vergrößern wird, die durch die Strömung durch einen Defekt (die Hagen-Poiseuille-Gleichung) bereitgestellt wird, verglichen mit der Menge, die durch Diffusion durch die Membran bereitgestellt wird.
Sobald die Zieldrücke auf beiden Seiten der Membran erreicht werden, kann die Strömung durch die Membran gemessen werden, zum Beispiel durch Messung der Änderungen des Volumens, des Massenstromes oder des Druckes. Zum Beispiel kann die Strömung durch ein Durchflussmessgerät 80 oder 90 überwacht werden, das so positioniert wird, dass es entweder die Strömung des Fluids in die Kammer 30 oder die Strömung des Fluids aus der Kammer 40 messen kann. Jedes Gerät, das zur Messung der Strömung des Fluids imstande ist, kann verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Massendurchflussmesser verwendet, weil er zur genauen Messung des Massenstromes ungeachtet des Druckes des Fluids fähig ist. Es ist besonders bevorzugt, dass das Fluid, das gemessen wird, zuerst getrocknet wird, so dass die Ergebnisse durch die Anwesenheit von Wasser in dem Fluid nicht beeinflusst werden. Ein Massenstromdetektor kann vor der Membran, hinter der Membran oder in beiden Positionen positioniert werden.
Sobald eine genaue Strömung von der Kammer 30 in die Kammer 40 gemessen wurde, können die Ergebnisse mit einem Standard verglichen werden, der durch den Membranhersteller oder -lieferanten bereitgestellt wird oder alternativ empirisch an der gleichen oder einer ähnlichen Membran bestimmt werden kann. Der Standard kann auf einer typischen Diffusionsgeschwindigkeit, der Strömungsgeschwindigkeit, die einem Defekt einer speziellen Größe zugeschrieben werden kann oder jeder anderen Anzahl von verschiedenen Standards basieren. Wenn die gemessene Strömungsgeschwindigkeit den Standard übersteigt, dann kann die Membran, die geprüft wird, als den Test nicht bestanden betrachtet werden, und der Operator kann angemessen fortfahren. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit unter dem Standardniveau für diese Membran ist, kann die Membran wieder an der Leitung angebracht und in den produktiven Einsatz genommen werden, weil keine Defekte größer als die gemessene Größe in der Membran enthalten sind. Dies kann ungeachtet eines auf der Membran vorhandenen Fouling oder einer anderen Veränderung an der Membran oder dem Filtersystem zutreffen.
Wenn der Test beendet ist, kann der Druck durch die Öffnungen 83, 93 durch Öffnen der Ventile 84, 94 entsprechend entlastet werden.
BEISPIEL 1
Um die Effektivität des vorliegenden Testverfahrens zu bewerten, wurde ein Diffusionstest an einer Membran mit bekannten Eigenschaften bei erhöhten Absolutdrücken durchgeführt. Die Ergebnisse wurden anschließend mit der Strömung verglichen, die aus der Hagen-Poiseuille-Gleichung für einen Defekt einer Größe berechnet wurde, die ausreichend ist, um den Durchgang einer einzelnen Cryptosporidium-Oozyste durch die gleiche Membran zu erlauben.
Eine mikroporöse Filterpatrone (Millipore, Nennwert 0,22 Mikrometer, Katalog-Nr. FCPV01032, erhältlich von Millipore Corporation, Bedford, MA) wurde auf die Diffusionsgeschwindigkeit bei verschiedenen Druckdifferenzen und Absolutdrücken geprüft. Bei einer Druckdifferenz von 15 psi wurde die volumetrische Diffusionsgeschwindigkeit (bei atmosphärischem Druck und Raumtemperatur) als ein Mittelwert von 3,9 cm³/min bei einem Druck von 30 psia dahinter; 3,8 cm³/min bei einem Druck von 45 psia dahinter; und 3,2 cm³/min bei einem Druck von 60 psia dahinter gemessen. Bei einer Druckdifferenz von 30 psi wurde die volumetrische Diffusionsgeschwindigkeit als ein Mittelwert von 6,6 cm³/min bei einem Druck von 15 psia dahinter; 6,6 cm³/min bei einem Druck von 30 psia dahinter; und 6,3 cm³/min bei einem Druck von 45 psia dahinter gemessen. Die Diffusionsgeschwindigkeit durch das Filter war annähernd proportional der Druckdifferenz und annähernd unabhängig vom Absolutdruck.
Unter Verwendung der Hagen-Poiseuille-Gleichung wurde die geschätzte Luftströmung mit 2,2 cm³/min für ein einzelnes Loch mit 10 Mikrometer Durchmesser unter den folgenden Bedingungen berechnet: Druckdifferenz von 2 Atmosphären, absoluter Druck dahinter von 1 Atmosphäre und Membrandicke von 150 Mikrometer. Eine deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeit von 7,7 cm³/min wurde für das gleiche Loch mit 10 Mikrometer Durchmesser unter den folgenden Bedingungen berechnet: Druckdifferenz von 2 Atmosphären, absoluter Druck dahinter von 6 Atmosphären und Membrandicke von 150 Mikrometer.
Diese Ergebnisse veranschaulichen, dass durch Erhöhung des Druckes auf der Seite hinter der Membran auf größer als der atmosphärische Druck die Strömung durch einen Defekt einer speziellen Größe ohne einen begleitenden Anstieg des Diffusionsanteils an der Strömung durch die Membran erhöht werden kann. Dies zeigt zum Beispiel, dass ein Filter, das eine Gasströmungsgeschwindigkeit von 6,6 cm³/min während eines Integritätstests der Diffusionsgeschwindigkeit bei einem Druck von 6 Atmosphären dahinter und einer Druckdifferenz von 2 Atmosphären aufweist, keinen einzelnen Defekt der Größe von 10 Mikrometer oder größer enthalten sollte, auch unter der Annahme, dass die wirkliche Diffusionsströmung durch die Membran Null war und nicht alle Poren vollständig benetzt wurden.

Claims

Ein Verfahren zur Auswertung einer porösen Membran, das folgende Schritte beinhaltet: Zuführen eines mindestens teilweise nicht-mischbaren Fluids an eine erste Seite einer benetzten Membran bei einem Druck, der größer als ein Druck auf einer zweiten Seite der Membran ist, wobei der Druck auf der zweiten Seite ein Wirkdruck ist, der größer als atmosphärischer Druck ist, wobei der Wirkdruck als ein Druck auf der abwärts gerichteten Seite der Membran, bei welcher die Poiseuille-Strömung mindestens ungefähr 50% größer als die Poiseuille-Strömung bei einer äquivalenten Druckdifferenz mit der abwärts gerichteten Seite der Membran bei atmosphärischem Druck ist, definiert ist; Messen einer Übertragungsgeschwindigkeit des Fluids von der ersten Seite der Membran zu der zweiten Seite der Membran; und Vergleichen der gemessenen Übertragungsgeschwindigkeit mit einer zweiten vorbestimmten Übertragungsgeschwindigkeit.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Übertragungsgeschwindigkeit mittels der Hagen-Poiseuille-Gleichung berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Übertragungsgeschwindigkeit eine vorhergesagte Diffusionsgeschwindigkeit des Fluids durch die Membran ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Übertragungsgeschwindigkeit die Geschwindigkeit ist, die durch eine Übertragungsgeschwindigkeit des Fluids durch einen Fehler einer spezifischen Größe vorhergesagt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der spezifische Größenfehler eine Größe aufweist, die ausreichend ist, um den Durchgang eines Mikroorganismus zu ermöglichen.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Mikroorganismus eine Cryptosporidium-Oozyste ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Mikroorganismus eine Giardia-Zyste ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der spezifische Größenfehler einen Durchmesser von weniger als ungefähr 10 Mikronen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der spezifische Größenfehler einen Durchmesser von weniger als ungefähr 5 Mikronen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der spezifische Größenfehler einen Durchmesser von weniger als ungefähr 1 Mikron aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Fluid mit einem Fluid, das zum Benetzen der Membran verwendet wird, im Wesentlichen nicht-mischbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Fluid Luft ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Druckunterschied zwischen der ersten Seite der Membran und der zweiten Seite der Membran weniger als ungefähr 80% eines Blasenpunkt-Drucks der Membran ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Druckdifferenz zwischen der ersten Seite der Membran und der zweiten Seite der Membran mehr als ungefähr 15 psi (103 kPa) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Druckdifferenz mehr als ungefähr 30 psi (207 kPa) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Druckdifferenz mehr als ungefähr 60 psi (414 kPa) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Absotutdruck auf der zweiten Seite der Membran größer als ungefähr 2 Atmosphären ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Absolutdruck auf der zweiten Seite der Membran größer als ungefähr 4 Atmosphären ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Absolutdruck auf der zweiten Seite der Membran größer als ungefähr 10 Atmosphären ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Bereitstellens von Wasser für die zweite Seite der Membran beinhaltet.
Eine Membranprüfvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: ein Gehäuse (20); eine benetzte, mikroporöse Membran, die in das Gehäuse montiert ist und das Gehäuse in eine erste Kammer (30) und eine zweite Kammer (40) unterteilt; ein mindestens teilweise nicht-mischbares Fluid, das in der ersten Kammer bei einem Druck, der größer als ein Wirkdruck in der zweiten Kammer ist, der größer als atmosphärischer Druck ist, enthalten ist, wobei der Wirkdruck als ein Druck auf der abwärts gerichteten Seite der Membran definiert ist, bei welchem die Poiseuille-Strömung ungefähr 50% größer als die Poiseuille-Strömung bei einer äquivalenten Druckdifferenz mit der abwärts gerichteten Seite der Membran bei atmosphärischem Druck ist; einen Durchflussmesser, der in fließender Kommunikation mit dem Fluid ist; und ein Mittel zum Vergleichen der Übertragungsgeschwindigkeit des Fluids mit einer zweiten vorbestimmten Übertragungsgeschwindigkeit.
Membranprüfvorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei eine Druckdifferenz zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer weniger als ein Blasenpunkt-Druck der Membran ist.