DE60008705T2

DE60008705T2 - Sensible gele und verfahren zur ihrer verwendung

Info

Publication number: DE60008705T2
Application number: DE60008705T
Authority: DE
Inventors: C. Elmer LUPTON; H. Thomas MENDUM; R. Hicks Edwin; S. Leslie RUBIN; B. Justyna TEVEROVSKY; Harris Gold
Original assignee: Foster Miller Inc
Current assignee: Vencore Services and Solutions Inc
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: DE60008705D1; EP1159049A4; CA2367571A1; AU3895100A; WO2000054866A1; JP2002538949A; US8158002B1; EP1159049B1; ATE260697T1; EP1159049A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Gel beschichtetes oder -imprägniertes Substrat sowie ein solches umfassende Filtersysteme, wobei sich die Durchlässigkeit bzw. Permeabilität in Antwort auf einen Trigger verändert. Insbesondere umfassen die Substrate und Filtersysteme der vorliegenden Erfindung ein Gel, welches ansprechend bzw. reagierend ist auf einen Trigger wie Temperatur, pH, Ionen oder Innenstärke, Lösungsmittel, Licht, elektrische Felder und magnetische Felder. Beim Erniedrigen der Temperatur des Systems auf unter die Umwandlungstemperatur des Gels unter Verwendung von zum Beispiel Temperatur getriggerten Gelen spricht das Gel an und verringert die Durchlässigkeit des Filtersystems, und beim Erhöhen der Temperatur des Systems auf über die Umwandlungstemperatur spricht das Gel an und erhöht die Durchlässigkeit des Filtersystems. Im Zustand der erniedrigten Durchlässigkeit wird das Filtern bewerkstelligt. Im Zustand der erhöhten Durchlässigkeit kann eine Rückwaschung oder ein Vorwärtsschwall des Fluids verwendet werden, um das Filtersystem zu reinigen und das Verstopfen des Filtersystems zu verhindern. Das Filtersystem schließt ein Substratmaterial ein, auf dem das ansprechende Gel beschichtet oder imprägniert ist.
Hintergrund der Erfindung
Die Filtration ist ein Prozess, der verwendet wird, um ein oder mehrere Materialien aus einem Fluid zu entfernen. Filter, die diesen Prozess bewerkstelligen, sind in der Industrie von großer Wichtigkeit. Viele Filtrierprozesse werden verwendet, um Verunreinigungen aus Fluiden, die vom Trinkwasser bis zu Benzin und anderen Kraftstoffen reichen, zu entfernen. Auch andere Filtrierprozesse werden verwendet, um gewünschte Materialien abzu trennen. Für viele Anwendungen ist es erwünscht, dass Filter in der Lage sind, zur Wiederverwendung regenerierbar zu sein.
Filter werden z. B. in Umkehrosmose(RO)-Systemen verwendet, die auf Schiffen der Navy verwendet werden, um Meerwasser zu entsalzen, um trinkbare und Hochreine Wassererfordernisse an Bord eines Schiffes zu erfüllen. Die Umkehrosmose (RO) ist ein druckangetriebener Membranprozess, der weit verbreitet verwendet wird, um reines Wasser aus Salzlösungen wie Meerwasser wiederzugewinnen. Bei der RO-Behandlung wird ein hoher hydrastischer Druck auf die Salzlösung ausgeübt, dadurch das Wasser durch die Permeable Membran zwingend und eine konzentrierte Salzlauge zurücklassen. Die Geschwindigkeit, bei der das Produkt Wasser erzeugt wird, ist proportional zur Druckantriebskraft, das heißt zum Druck des zugeleiteten Wassers oberhalb seines osmotischen Drucks. Der osmotische Druck von Meerwasser normalen Salzgehalts liegt um 400 psi, und Betriebsdrücke reichen im allgemeinen von 800 psi bis 1000 psi. Resultierende Flüsse liegen in der Größenordnung von 10 gal/ft²/Tag.
RO-Systeme haben im allgemeinen die Destillation als die kosteneffektivste Option zur Entsalzung von Meerwasser an Bord von Schiffen ersetzt. Ein wichtiger Grund dafür besteht darin, dass die Kosten von RO mit der Entwicklung von haltbaren Membranen mit hohen Durchflüssen sowie relativ niedrigpreisigen modularen Membransystemen beträchtlich verringert wurden. Gleichzeitig haben ausufernde Energiepreise die Kosten für die thermische Destillation erhöht, die 5- bis 8-fach mehr Kraftstoff als RO verbraucht (siehe Josef F. Pezino, "Operation of a 2000 Gallon per Day Reverse Osmosis Desalination System Aboard Monop. David W. Tylor Navilship R&B Centre, Pedesta, M.D. A.D-A079 834, December 1979). Um jedoch den Kostenvorteil zu erhalten, insbesondere für kleinere Systeme mit ihren hohen Kosten für das Pumpen, sowie wegen dem Arbeitsaufwand (siehe T.A. Kuepper, "Improved Fuelled Performance For Reverse Osmosis Systems." Naval Civil Engineering Laboratory, Port Hyneme, CA. TN Nr. N-1644, September 1982), müssen die RO-Systeme bei oder in der Nähe ihrer entworfenen Leistungsgröße betrieben werden.
Die durch die Navy verwendeten Membrane stellen sicher, dass 99,2% der aufgelösten Salze vom Meerwasser entfernt werden, und Ausschüsse von 99,5% oder besser werden typischerweise in der Praxis erzielt. Unter der Annahme eines 99,5-%igen Ausschusses und einer gesamten aufgelösten Salzkonzentration von 35000 mg/LtDS (10560 mg/L Na) (siehe T.A. Kuepper "Improved Fuelled Performance For Reverse Osmoses Systems.", Naval Civil Engineering Laboratory, Port Hyneme, CA. TN Nr. N-1644, September 1982), würde das Permeat (das Wasserprodukt) ungefähr 175 mg/L an aufgelösten Salzen (50 ppm Na) enthalten, was im akzeptablen Bereich für Trinkwasser liegt. Die Navy verwendet jedoch das behandelte Meerwasser auch für Wassererfordernisse hoher Reinheit, wie etwa für Boilerzuleitungen, Kühlwasser für elektronische Ausrüstung, sowie dem Abwaschen von Gasturbinen (siehe Wayne L. Adamson; Bryan E. Weber; J. Nordham, "Navy Shipboard Tre-Pass Reverse Osmosis System For Production Of High Purity Water From Seawater. " Ultra Pure Water 13 (2) 21–30, März 1996). Um die für diese Anwendungen benötigte Extrareinheit zu erzielen sind mehrstufige RO-Systeme verwendet worden. Ein solches System ist in 1 gezeigt.
Angesichts der hohen Betriebsdrücke und hohen Pumpkosten ist jeglicher Abfall im Fluss mit einer beträchtlichen Erhöhung in den Herstellungskosten verbunden. Der Fluss nimmt unter normalen Betriebsbedingungen im Zuge der Alterung der Membrane zunehmend ab, was es erforderlich macht, dass sie periodisch ersetzt werden, im allgemeinen alle 3 bis 5 Jahre. Schnellere Abnahme des Flusses kann jedoch aufgrund von Fäulnis und Abblätterung der Membranoberfläche auftreten (siehe Barrin Tansel; Jose Villate, "Assessment Of Oilpretreatement Technologies To Improve Performance Of Reverse Osmosis Systems." Flöter International University, Miami. AD A252 360, Juni 1992). Fäulnis tritt als Ergebnis der Akkumulation von teilchenförmigem Stoff auf der Membran auf.
Diese Teilchen bilden einen Film niedriger Porosität auf der Membran und können ebenfalls die Poren der Membran verstopfen und/oder die Durchflusskanäle in Hohlfaser- sowie Spiralwickel-Membranmodulen verengen. Diese Probleme werden durch Verdichtung bei hohen Betriebsdrücken verstärkt, die für die Meerwasserbehandlung erforderlich sind.
Um das Faulen und Abblättern zu verhindern oder abzuschwächen wird das Meerwasser mit Vorfiltern vorbehandelt, um Fäulnis- und Abblättermaterialien vor dem Prozessieren in der RO-Einheit zu entfernen. Filtration ist die Trennung von Teilchen aus dem Fluid, in dem diese suspendiert sind, in dem das Fluid durch ein Septum oder Filtermedium durchgelassen wird (siehe Ronald F. Prostein. Physico Chemical Hydrodynamics: An Introduction Zweite Ausgabe, Prentice Hall, New York, 1996; "Solid-Liquid Separation Wire Filtration." Chemical Engineering, 104(2), 66, 1997). Das Filter kann ein Vibe, eine Kartusche, eine Gewebe- oder Tuchlage oder ein Bett eines körnigen oder faserartigen Materials sein, und der Prozess kann Sieben/Filtern (Straining), Kuchenfiltration, Membranfiltration sowie Tiefbett- oder Tiefenfiltration kategorisiert werden. Bei der Cohenfiltration werden die abgetrennten Feststoffe auf der Oberfläche des Filters gesammelt, und bei der Tiefenfiltration werden die Feststoffe innerhalb der Poren des Mediums gesammelt.
Die Filtrierung kann durch vier Mechanismen auftreten: Sieben/Filtern, Aufprallen, Auffangen und Diffusion (2). Beim mechanischen Sieben/Filtern 2(a) werden Teilchen, die größer als die Poren des Mediums sind, auf dem Filter zurückgehalten. Dieser Prozess wird typischerweise zum Entfernen von relativ großem Material (im allgemeinen > 150 μm) verwendet. Um kleine Teilchen zu entfernen werden andere Mechanismen verwendet, wobei die Porengrößen der Filter, die zum Entfernen der kleinen Teilchen entworfen wurden, im allgemeinen größer sind als die zu entfernenden Teilchen, um Druckverluste zu verringern. Beim Aufprallen 2(b) setzen große, dichte Teilchen eher ihre geradlinige Trajek torie fort als den Fluidströmungslinien zu folgen, und sie kollidieren mit dem Filtermedium und heften sich daran an. Beim Auffangen 2(c) folgen Teilchen, die ausreichend klein sind, den Fluidströmungslinien, kommen jedoch nahe genug an die Elemente des Filtermediums heran und werden durch den Filter gesammelt. Bei der Diffusion 2(d) folgen sehr kleine Teilchen (im allgemeinen < 0,3 μm) einer zufälligen Trajektorie (Braunsche Bewegung), die die Strömungslinien des Stroms überlagern, und diese Teilchen kollidieren mit dem Filtermedium.
Flüssigkeiten strömen durch den Filter durch Anwenden eines Druckunterschieds an das Medium. Porösere Medien sind im allgemeinen durchlässiger als weniger poröse Medien und erfordern somit einen niedrigeren Druck, um eine gegebene Filtriergeschwindigkeit zu erzielen. Die Ausschlussgröße jedoch, d. h. das kleinste Teilchen, welches gerade noch durch das Filtermedium zurückgehalten wird, ist im allgemeinen für durchlässigere Filtermedien höher. Beträchtliche Anstrengungen zur Filtergestaltung sind auf die Entwicklung von Filtermedien mit niedrigen Ausschlussgrößen gerichtet worden, die noch ausreichend durchlässig sind, um ohne übermäßigen Druckabfall relativ hohe Flüsse zu erzielen.
Die Kuchenfiltration ist ein Typ der Filtergestaltung, wobei die gefilterte Teilchen sich an der Oberfläche des Filtermediums sammeln. Das Filtermedium kann eine einzelne Gewebelage oder eine Membran sein. In dem die Filtration fortschreitet bildet sich ein Kuchen oder ein Bett von Teilchen auf dem Filtermedium. Dieses Bett oder dieser Kuchen bzw. die Teilchen werden zum wirksamen Filtermedium, und der Druckabfall wird durch die Eigenschaften der zu filtrierenden Teilchen bestimmt. Beim Filtrieren von kleinen Teilchen wird der Kuchen eine niedrige Porosität aufweisen und Druckabfälle werden sich rasch im Zuge der Verdickung des Kuchens aufbauen. Der Druckabfall am Kuchenfilter kann unter Verwendung einer modifizierten Form der Hagen-Poiseuille- Gleichung beschrieben werden (W.L. McCabe; J.C. Smith, Unit Operations Of Chemical Engineering. McGrowfill. New York, 1976): ΔP = uμ(mR/A + r) (Gleichung 1)

wobei u die Geschwindigkeit des Filtrats durch den Filter ist,
m die Masse des Filterkuchens ist,
A die Querschnittsfläche des Filterkuchens ist,
R der spezifische Widerstand des Filterkuchens,
r der Widerstand des Filtermediums ist und
μ die Viskosität des Filtrats ist.

Im speziellen Fall der Filtrierung bei konstanter Geschwindigkeit nimmt die Masse des Filterkuchens linear mit der Zeit t zu, gemäß m = uAct (Gleichung 2)wobei c die Massenkonzentration der Feststoffe in der zu filtrierenden Aufschlemmung ist.
Gleichung 1 kann dann beschrieben werden als ΔP = u2μctr + uμr (Gleichung 3).
Diese Gleichung zeigt an, dass der Druckabfall mit der Aufschlemmungskonzentration sowie mit der Flussrate ansteigt. Gleichung 3 zeigt auch, dass – vorausgesetzt der spezifische widerstand des Kuchens ist konstant – der Druckabfall linear mit der Zeit ansteigt. In der Tat ist der Kuchenwiderstand eine Funktion der Porosität und der spezifischen Oberfläche des Kuchens und ist lediglich dann konstant, wenn der Kuchen nicht pressbar ist. Bei vielen industriellen Schlammabfällen verdichtet sich der Filterkuchen im Zuge der Erhöhung des Druckabfalls, was zur Erhöhung des Kuchenwiderstands mit der Zeit verursacht, und der Druckabfall steigt schneller an als durch die Gleichung ausgedrückt. Diese Situation wird in 3 veranschaulicht, die e benfalls zeigt, wie der Kuchen und der Widerstand des Mediums aus den experimentellen Daten abgeschätzt werden können.
Bei der Thesenfiltration werden die Teilchen im Tiefenbereich des Filtermediums, das relativ dick ist, eingefangen. Im Prinzip besitzen Tiefenfilter Poren, die in der Größe zunehmend von der Stromaufwärtsseite zur Stromabwärtsseite des Filters abnehmen. Folglich werden größere Teilchen in der Nähe der Stromaufwärtsseite filtriert, während kleinere Teilchen in die Tiefen des Filters eindringen, bevor sie eingefangen werden. Dieser Weg kann die Ladekapazität des Filters beträchtlich erhöhen, ohne den Druckabfall übermäßig zu erhöhen.
Die Vorbehandlung, die gegenwärtig auf Schiffen der Navy zum Eindämmen von partikulären Stoffen verwendet wird, besteht aus einem groben Filter/Durchseiher, gefolgt von 20 μm- und 3 mm-Kartuschenfiltern (siehe Wayne L. Adamson; Bryan E. Weber; David J. Nordham, "Navy Shipboard Tre-Paussed Reverse Osmosis System For Production Of High Purity Water From Seawater." Ultra Pure Water 13(2), 21–30, März 1996). Ein Zyklontrenner kann als Option verwendet werden, um für die Entfernung von größerem, schwerem partikulären Stoff aus dem hereinkommenden Meerwasser zu sorgen.
Die im Vorfiltrierzug für RO-Systeme auf Schiffen verwendeten Kartuschenfilter werden breit in Abschlussoperationen zum Klären relativ verdünnter Suspension oder zum Entfernen von sehr feinen Teilchen aus Wasserströmen hoher Reinheit breit angewendet. Diese Filter bestehen typischerweise aus einem zentralen porösen Kern, der das Filtermedium trägt, und ist in einem wie in 4 gezeigten, zylindrischen Gehäuse enthalten. Eine typische Kartusche ist 2,5 Inch im Durchmesser, 10 Inch in der Höhe, und ist für eine Fließrate von 1 bis 20 gpm bei einem Druckabfall von um lpsi in reinen Zustand abgestimmt. Kartuschen und Gehäuse doppelter Länge, die viele Kartuschen halten, sind verfügbar, um größeren Flüssen zu genügen. Im allgemeinen wird angenommen, dass die Kartuschen voll beladen sind, wenn der Druckabfall etwa 10 psi erreicht, wobei sie zu diesem Zeitpunkt verworfen und durch frische Kartuschen ersetzt werden.
Kartuschen sind in einem breiten Bereich von Filtermedien verfügbar, von plissierten Lagen, die um den Kern herum gewickelt sind, bis zu Faservliesmatrizes, die an den Kern des Filters gebunden sind, reichend. Der Prozess des Bindens der Fasermatrix an den Kern des Filters schließt das Kochen einer "Maische" von Fasern ein, um eine Pulpe zu erzeugen, die dann unter Vakuum auf den Kern gezogen wird, um eine Beschichtung des Filtermediums der gewünschten Dicke zu bilden. Um Tiefenfiltereigenschaften bereitzustellen kann die Porosität oder die Dichte des Mediums von der Außenoberfläche bis zum Kern abgeschwächt werden, in dem im Zuge des Verdickens der Beschichtung das Vakuum passender Weise variiert wird.
Obgleich herkömmliche Kartuschenfilter bequem zu verwenden und für Abschlussmäßige Operationen gut geeignet sind, nehmen Druckabfälle rasch zu, und Kartuschen sind häufig zu ersetzen, wenn konzentriertere Aufschlämmungen gehandhabt werden, zum Beispiel beim Betrieb in Bereichen des Ozeans, wo große Mengen an kolloidalen Feststoffen und Plankton/kleines Tiermaterial gelegentlich vorkommen. In solchen Regionen verstopfen die Filter/Durchseiher und filterharsch, wodurch das Filtersystem nahezu unbrauchbar wird. Da diese Teilchen einen nahezu neutralen Auftrieb besitzen, sind Zyklonfilter in solchen Ozeanregionen ebenfalls unwirksam. Die verstopften Filter müssen regelmäßig ersetzt werden. Dies auferlegt dem Betriebspersonal eine erhöhte Arbeitslast und führt zu einem Verlust an Produktion des behandelten Wassers. Zusätzlich muss ein Inventar von Ersatzfiltern aufrechterhalten werden, und die verbrauchten Filter müssen auf dem Schiff gelagert werden, bis das Schiff zum Hafen zurückkehrt.
Unterschiedliche Arten von selbstreinigenden Filtern, die Abschaber, bürsten oder flüssige Rückwaschungen zum Regenerieren des Filtermediums verwenden, sind verfügbar (siehe "Solid Liquid Separation Rear Filtration." Chemical Engineering, 104(2), 46, 1997). Diese selbstreinigenden Filter sind nützlich, wenn der Feststoffgehalt hoch ist und wenn gefährliche Ströme verarbeitet werden. Lohnfilter und Filter/Durchseiher sind im allgemeinen der Reinigung besser zugänglich, als es Tiefenfilter sind.
Ein Filtertyp, der ohne weiteres rückgewaschen wird, ist das Preschichtfilter, welches ein Filter darstellt, das eine Beschichtung von porösem Filterhilfsmaterial wie Kieselgur aufweist. Die Prebeschichtungsschicht filtert die Teilchen aus dem Prozessstrom. Um das Filter zu reinigen können die gefilterten Teilchen zusammen mit etwas von der Prebeschichtung periodisch von der Filteroberfläche abgeschabt werden, oder die gesamte Prebeschichtung und der Filterkuchen können durch Rückwaschung entfernt werden. Obgleich Prebeschichtungsfilter sich als hocheffektive Vorfilter für RO-Systeme erwiesen haben (siehe Josef S. Pizino "Evaduation Of Single-Pass Seawater Reverse Osmosis Modules And Pre-treatment Technics-Phase II." David W. Tylor Navallship R&D Centre, Pedesta, MD. AD-A035 773, Februar 1977; Johns-Mansville Sales Corporation. "Development Of a Precode Filtration Technology Four Reverse Osmosis Unites." Abschlussbericht AD-A109 053, 20. November 1981), sind sie im allgemeinen für den militärischen Gebrauch nicht geeignet, da sie einen Bedarf an übermäßiger Arbeit aufweisen, eine kontinuierliche Lieferung von Filterhilfsstoff erfordern und reichlich Mengen an Abfallmaterial erzeugen, welches beseitigt werden muss.
Nicht vorbeschichtete Durchseihersysteme mit Größenausschluss grenzen bis hinunter zu 10 bis 15 μm sind verfügbar (siehe Anon."Strainest Find a Nish as Filters." Chemical Engineering, 102(6), 91–95, 1995), die durch Abkratzen sowie durch Rückwaschen gereinigt werden können. Sie können für den automatischen Betrieb gestaltet werden und können somit Arbeitsbedarf reduzieren. Polyvinylchlorid(PVC)-Einheiten, die im Meerwasser nicht korrodieren, befinden sich auf dem Markt. Bei einer Ausgestal tung ist ein kreisförmiges Filtersieb mit einer kreisförmigen Abkratzklinge ausgerüstet, die gesammelte Feststoffe vom Sieb abkratzt und diese nach unten drückt, wo sie regelmäßig durch einen Fluidstoß am Grund des Gehäuses entfernt werden. Die Funktionen der Reinigung und Fluidstöße laufen automatisch. Eine auf 60 gpm eingestellte Einheit ist 8 Inch im Durchmesser, 12 Inch in der Länge, verwendet ein 80 Mesh(177 μm-)Sieb aus rostfreiem Stahl, und wird bei einem Druckabfall von 2 bis 5 psi betrieben (siehe Suzanne Shelley. "Self-Cleaning Filter Keeps Pressure Trup Under Control." Chemical engineering, 103(7), 149, 1996). Andere Ausgestaltungen verwenden, wenden, die sich drehen oder einen Spin aufweisen, um die Rate, bei der der Druckabfall ansteigt, reduziert wird, und zum Bereitstellen einer selbstreinigenden Funktion. In einem derartigen System hält eine Kombination von Ablenk- und Dreh-Scheiben (1000 UPM) die Filteroberfläche von partikulären Stoffen frei (siehe Chementator. "Spinning Membrane Resist Fouling During Filtration." Chemical Engineering, 101(7), 19–20, 1994). Andere Ausgestaltungen bestehen aus drei porösen Wandzylindern, die Seite an Seite in einem einzelnen Gehäuse lokalisiert sind (siehe Chementator. "A Filter That Cleans Itself. " Chemical Engineering, 103 (9) , 21, 1996). Die schnelle Drehung (2400 UPM) schafft eine Scheuerwirkung zwischen den Zylindern, deren Verstopfen verhindert werden soll. Ein alternativer Weg besteht darin, eine Vibrationswirkung zum Abstoßen von partikulärem Material vom Filtermedium zu nutzen (siehe "Filtration Equals innovation." Chemical Engineering 101(10), 119, 1994). Wie das Drehen erhöht die Schwingung die Scherung bei der Filteroberfläche, wodurch die Ansammlung eines dichten Filterkuchens niedriger Durchlässigkeit verhindert wird.
Während die obigen Ausgestaltungen dazu in der Lage sind, Filterbildungen zu entfernen, werden sie für viele Anwendungen als nicht geeignet angesehen. Ferner unterliegen die sich bewegenden Teile der Abnutzung, und Probleme können auftreten, sollten die Drehsysteme aus dem Gleichgewicht geraten. Darüber hinaus erfordern sie Antriebsmotoren, die Raum einnehmen und kaputt gehen können, und sie nutzen Dichtungen auf rotierenden Wellen, die der regelmäßigen Wartung bedürfen. Schwingungssysteme sind unannehmbar laut und können in verstärktem Maße zum Versagen des Geräts führen.
Was benötigt wird ist ein Filter, der wiederholt durch einfache rückwasch- oder Vorwärtsstoßreinigung regeneriert werden kann. Im Fall von zum Entsalzen von Meerwasser an Bord eines Schiffs verwendeten Filtern ist es erwünscht, einen Filter zu haben, der in der Lage ist, die Bedürfnisse voran trinkbarem und hochreinem Wasser an Bord des Schiffs zu genügen, und das in der Lage ist, eine Vielzahl von Meerwassertemperaturen und Salzgehalten zu filtern.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ausführungsform eines mehrstufigen RO-Systems.
2 zeigt vier Filtriermechanismen: Sieben, Aufprallen, Auffangen und Diffusion.
3 zeigt den Druckabfall eines Kuchenfilters als Funktion der Zeit.
4 zeigt einen Typ eines Kartuschenfilters.
5 zeigt eine Ausführungsform des Substratmaterials in der Form einer Fasermatrix, die mit einem ansprechenden Gel beschichtet ist.
6 zeigt ein thermisch ansprechendes Gel, die auf Temperaturveränderungen oberhalb und unterhalb der "Umwandlungs"-Temperatur des ansprechenden Gels anspricht bzw. reagiert.
7 zeigt Veränderungen hinsichtlich des Druckabfalls mit der Zeit, für ein Tiefenfilter für Flüsse von 3 und 10 gal/min/ft² und eine Feststoffbeladung von 1000 mg/l.
8 zeigt eine Flussschleife, die zu Filtriertests beim Testen der Filter variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
9 zeigt einen Schnapp/Ring-Zusammenbau, der zum Halten einer Gel-beschichteten Gewebematrix an Ort und Stelle in Überein stimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
10 zeigt eine Ausführungsform des Schnapp/Ring-Zusammenbaus, der eine Gel-beschichtete Gewebematrix unter leichter Spannung hält.
11 zeigt eine Grafik experimenteller Ergebnisse des sich verändernden Flusses und Druckabfalls einer Kontrolle.
12 zeigt eine Grafik experimenteller Ergebnisse des sich veränderten Flusses und Druckabfalls einer einlagigen Gelbeschichteten Gewebematrix "A".
13 zeigt eine Grafik experimenteller Ergebnisse des sich verändernden Flusses und Druckabfalls einer einlagigen Gelbeschichteten Gewebematrix "B".
14 zeigt eine Grafik experimenteller Ergebnisse des sich verändernden Flusses und Druckabfalls einer zweilagigen Gelbeschichteten Gewebematrix.
15 zeigt eine Kalibrierkurve, die zum Festlegen von Fließgeschwindigkeiten durch den Filter variabler Durchlässigkeit im Beispiel 11 verwendet wurde.
16 zeigt den Druck als eine Funktion der Zeit bei einer Kontrolle und einer einlagig Gel-beschichteten Fasermatrix.
17 zeigt die Teilchengrößenverteilung der im Beispiel 11, vierter Lauf, eingefangenen Teilchen.
18 zeigt die Teilchengrößenverteilung der im Beispiel 11, Lauf 5 eingefangenen Teilchen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gel-beschichtetes oder -imprägniertes Substrat gemäß Anspruch 1, ein Filtersystem gemäß Anspruch 16 sowie ein Verfahren zum Reinigen eines Fluids gemäß Anspruch 22 zur Verfügung. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Es wurde nun gefunden, dass Gel-beschichtete oder -imprägnierte Substrate und Filtersysteme durch Verwendung von ansprechenden bzw. reagierenden Gelen mit variabler Durchlässigkeit bzw. Permeabilität verliehen werden können. Die Gel-beschichteten oder imprägnierten Substrate und die Filtersysteme variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung sind in einer Vielzahl von Filterprozessen geeignet, einschließlich Filterprozessen, die sowohl in wässrigen als auch nicht-wässrigen Umgebungen durchgeführt werden. Eine besonders bevorzugte Verwendung der Gelbeschichteten oder -imprägnierten Substrate und der Filtersysteme variabler Durchlässigkeit besteht in der Entfernung von Teilchenartigem Stoff aus Wasser, die durch RO-Systeme zu behandeln sind, speziell auf Schiffen, wo die Wartung und die Erfordernisse hinsichtlich Inventar von herkömmlichen Filtern eine starke Härte auferlegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gelbeschichtete oder -imprägnierte Substrat ein ansprechendes Gel mit Zwischenporen oder Hohlräumen, durch die ein Fluid durch das Gel-beschichtete oder -imprägnierte Substrat passieren kann, um die Filtration des Fluids zu bewerkstelligen. Das Fluid kann wässrig, nicht-wässrig, im wesentlichen wässrig oder auf Erdöl basierend sein. Die Zwischenporen des Gel-beschichteten oder -imprägnierten Substrats durchläuft vorzugsweise Veränderungen hinsichtlich Volumen und/oder Struktur in Antwort auf mindestens einen Trigger, und solche Veränderungen vermögen zu Durchlässigkeitsveränderungen durch das Gel-beschichtet oder -imprägnierte Substrat zu führen. Diese Veränderungen hinsichtlich Volumen, Struktur und Durchlässigkeit sind reversibel. Geeignete Trigger können zum Beispiel eine Veränderung in der Umgebung der Zusammensetzung, einschließlich Temperatur, Lösungsmittel, pH, Ionen, Ionenstärke, Licht, elektrisches Feld, Magnetfeld oder Druck, einschließen, und der Trigger ist vorzugsweise eine Temperaturveränderung.
Bevorzugte Gel-beschichtete oder -imprägnierte Substrate schließen in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung solche ein mit einer Umwandlungstemperatur von mehr als etwa 35°C (95°F). Die Umwandlungstemperatur ist vorzugsweise größer als 35°C (95°F) in Meerwasser für in solchen Umgebungen durchgeführten Anwendungen. Diese Umwandlungstemperaturen können modifiziert werden, um eine vorbestimmte Umwandlungstemperatur zu liefern, in dem die hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften der Zusammensetzung modifiziert werden.
Das ansprechende Gel ist vorzugsweise ein Polymergel, welches mindestens ein Polymer umfasst. In einigen Ausführungsformen kann das Polymer quervernetzt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Zusammensetzungsmaterial Hydroxypropylcellulose (HPC) oder Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). Das HPC oder HPMC kann ferner quervernetzt sein. Bevorzugte Quervernetzer zur Verwendung mit HPC und HMPC sind solche, die von einer Polysäure stammen, wie Adipinsäure-basierte oder Bernsteinsäurebasierte Quervernetzer. Adepoylchlorid und Suxenylchlorid sind zwei solcher Quervernetzer, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung nützlich sind.
Ansprechende bzw. reagierende Gele sind bekannt und sind beschrieben zum Beispiel in den U.S.-Patent Nrn. 5,8776,741 ; 5,726,456 ; 5,403,893 ; 4,732,930 ; 5,242,491 ; 3,421,892 ; 3,421,893 ; 3,575,700 ; 3,575,701 ; und im Reissue-Patent Re 35,058 ; den PCT-Veröffentlichungen WO 95/24430 ; WO 97/00275 ; WO 96/02276 ; WO 96/02577A1 ; WO 96/06134 ; "Syntheses And Characterisation Of Termanly Responsive Hydroxy Propyl Methyl Cellulose Gel Beats." Steven M. 0"Counnor, Stevin H. Gehrke, Journal Of Applied Polymer science Vol. 66, 127–1290 (1997); "Microporose, Responsive Hydroxypropylcellulosegels. 1. Synthesis And Microstructure by Bhagwati G. Kabra, Stevin H. Gehrke, Richard J. Spontak Macromolecules 1998, 31, 2166–2173; "Factors Determining Hydrogel Permeability" Stevin H. Gehrke, John P. Fisher, Maria Palasis, Mekan I. Lunt. Anals of the New York Academy of Sciences, S. 179–207; und "Molecular Design of Novel Thermo-Responsive Hydrogelmembrans and their applications" Hiroki Katho und Najoja Ogata. Membran, 17(4) 238–245 (1992), die alle hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Ansprechende Gele schließen Materialien ein, die in Bezug auf Volumen in Antwort auf eine Veränderungen in ihrer Umgebung sich verändern. Die Veränderung in der Umgebung wird als "Trigger" bezeichnet, und der Trigger kann zum Beispiel eine Temperaturveränderung, eine pH-Veränderung, eine Veränderung bezüglich der in einer Lösung vorliegenden Ionen oder bezüglich der Innenstärke einer Lösung, der Lösungszusammensetzung, dem Vorliegen von Licht, sowie dem Vorliegen von elektronischem oder magnetischem Feld. Das ansprechende Gel ist aus einem quervernetzten Polymernetzwerk gebildet. Wenn das Gel getriggert wird, kontraktiert und/oder expandiert das Polymernetzwerk des Gels volumenmäßig. Das Volumen eines solchen Gels kann sich unter gewissen Umständen reversibel verändern durch einen Faktor, der so groß wie mehrere Hundert ist, wenn das Gel mit einer Veränderung in seiner Umgebung ausgesetzt wird. (siehe Tanaka, Phys. Ref. Le t. 40(12), 28–823(1978); Tanaka et al., Phys. Ref. Let. 38(14), 771–774(1977); Phys. Ref. Let. 45(5), 1636(1980); Ilavsky, Macromoleculs 15, 782(1982); Houz et al., Europe Polym. J. 17,361 (1981); Ohime et al., J. Chem. Phys. 8, 6379(1984); Tanaka et al., Science 218, 462(1982); Ilavsky et al. Polym. Bul. 7, 107(1982); Gehrke, "Responsive Gels Dol. Volume Transitions II": Editor K. Dusek Springer-Verlag New York, New York, S. 81–144(1993); Lee et al., Annual Ref. Martere Sci. 22,243–77(1992); und Galev et al., Andsime Microb. Technol. 15, 324–366(1933), die alle hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Die ansprechenden Gele der vorliegenden Erfindung können irgendwelche bekannten ansprechenden Gele sein. Bei der Verwendung auf Schiffen zum Entsalzen von Meerwasser sind die ansprechenden Gele der vorliegenden Erfindung vorzugsweise thermisch ansprechende Gele, wegen der Leichtigkeit bei der Veränderung der Temperaturen des Mediums, in dem diese Gele verwendet werden. Gele, die in einem mäßigen Medium thermisch ansprechend sind, expandieren und halten Flüssigkeit unterhalb der Umwandlungstemperatur des Gels und schrumpfen unter Freisetzung von Fluid, wenn das Gel erwärmt wird. Es gibt auch Gele, die eine thermische Antwort zeigen, wenn sie in organische (nicht-wässrige) Medien eingebracht werden. Diese Gele sind im allgemeinen hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung verschieden von den ansprechenden Gelen, die für wässrigen Medien geeignet sind, und die Art ihrer Antwort auf eine Veränderung der Temperatur ist das Gegenteil derart, auf die wässrige thermische ansprechende Gele antworten. Das heißt wenn das nicht-wässrige thermisch ansprechende Gel einer Umgebung unterhalb seiner Umwandlungstemperatur ausgesetzt wird, schrumpft es, dabei Fluid ausstoßend, und wenn es Temperaturen oberhalb der Umwandlungstemperatur ausgesetzt wird, schwillt es an, dabei Flüssigkeit absorbierend. Wieder auf den wässrigen Fall zurückkommend liefert somit ein Gel, welches in wässriger Lösung thermisch ansprechend ist, eine reduzierte Durchlässigkeit gegenüber teilchenförmigem Material, wenn es unterhalb seiner Umwandlungstemperatur ist, liefert jedoch erhöhte Durchlässigkeit, dabei das Durchspülen des Filters gestattend, wenn es oberhalb der Umwandlungstemperatur in seinem zusammengefallenen Zustand ist.
Bei Filtrieranwendungen würden die speziellen ansprechenden Gele auf der Basis der besonderen Anwendung und der Umgebung, in der das Filtersystem zu verwenden ist, ausgewählt. Zum Beispiel für thermisch ansprechende Gele würden somit die bevorzugten Gele sozusagen mit einer so ausgewählten Umwandlungstemperatur sein, um ein unbeabsichtigtes Triggern des Gels zu verhindern.
Zwei besonders bevorzugte thermisch ansprechende Gele zur Verwendung in Filtersystemen der vorliegenden Erfindung schließen Hydroxypropylcellulose (HPC), welches eine Umwandlungstemperatur von etwa 45°C (113°F) in salzfreiem Wasser aufweist, und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), welches eine Umwandlungstemperatur von etwa 65°C (149°F) in salzfreiem Wasser aufweist, ein. Sowohl HPC als auch HPMC schließen FDA-genehmigte Grundpolymere ein. Kontrolliertes Testen von HPC und HPMC zeigt jedoch an, dass die Umwandlungstemperatur mit zunehmender Salzkonzentration abnimmt. Als einem Ergebnis liegt die Umwandlungstemperatur in Meerwasser bei etwa 36,66°C (98°F) für HPC-Gel und bei etwa 60°C (140°F) für HPMC-Gel. Somit ist das HPMC-Gel mehr bevorzugt als HPC für Meerwasserfilteranwendungen, wo die Meerwassertemperaturen 35°C-(95°F-)Spiegel erreichen können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet das Gel-beschichtete oder -imprägnierte Substrat das Filtersystem, und die Durchlässigkeit bzw. Permeabilität des Filtersystems hängt vollständig von den Veränderungen der Durchlässigkeit bzw. Permeabilität des Gel-beschichteten oder -imprägnierten Substrats ab. Das Gel ist ein ansprechendes Gel.
Das ansprechende Gel wird in einem Substratmaterial imprägniert oder auf ein Substratmaterial beschichtet. Eine Vielzahl von Materialien und Gestaltungen können als Substratmaterial in Filtersystemen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel kann ein kartuschenartiges Tiefenfilter gemacht werden, in dem eines von vier verschiedenen Trägermaterialien verwendet wird: Garn, Webstoff, netzförmiger Schaum und Faservlies. Das Substrat kann so gestaltet werden, dass es eine vorbestimmte Durchlässigkeit hat, die von der speziellen Filteranwendung abhängt. Ein ausgewähltes ansprechendes Gel wird dann auf das Substratmaterial geschichtet oder hineinimprägniert, um eine variable Durchlässigkeit bereitzustellen. Im Fall der thermisch ansprechenden Gele nimmt die Durchlässigkeit des Filtersystems ab, wenn sich das ansprechende Gel unterhalb seiner Umwandlungstemperatur befindet. Im Zustand der verringerten Durchlässigkeit ist das Filter in der Lage, Teilchen von reduzierter Größe einzufangen, wodurch die Menge von mit dem filtrierten Wasser passierenden Teilchen wesentlich zu reduzieren. Wenn das Gel sich oberhalb seiner Umwandlungstemperatur befindet, nimmt die Durchlässigkeit des Filtersystems zu. Im Zustand der erhöhten Durchlässigkeit hält das Filter die gefangenen Teilchen nicht länger zurück, und diese Teilchen können mit einer Rückwaschung oder einem Vorwärtsschwall von Wasser entfernt werden, um das Filter zu reinigen.
In einer Ausführungsform ist das Filtersystem variabler Durchlässigkeit als ein RO-Vorfilter ausgestaltet, mit einem ansprechenden Gel, das ein Fasermatrixsubstrat beschichtet, um Poren zurückzulassen. In einem solchen System würde die Zunahme und Abnahme der Durchlässigkeit des Filtersystems im wesentlichen ein Ergebnis des Schrumpfens und Expandierens des Gels zur Veränderung der Porengröße der Fasermatrix sein. Die Durchlässigkeit des Gels selbst mag oder mag nicht zur gesamten Durchlässigkeit des Filtersystems beitragen. Wenn ein Gel, welches in Bezug auf das Lösungsmittel und das zu filtrierende Teilchenmaterial inert ist, würde das Gel nicht zur Durchlässigkeit des Filtersystems beitragen. Wenn das Gel zum Beispiel in einem wässrigen Medium getrieben wird, expandiert somit das Gel und die Poren des Filters verringern sich in Bezug auf die Größe, wenn die Temperatur des Gels sich unterhalb seiner Umwandlungstemperatur befindet. Die Durchlässigkeit durch das Gel selbst kann unterhalb der Umwandlungstemperatur erniedrigt werden, wodurch die Durchlässigkeit des Filtersystems weiter erniedrigt wird. Wenn die Temperatur des Gels dann sich oberhalb seiner Umwandlungstemperatur befindet, schrumpft das Gel, und die Poren des Filters nehmen hinsichtlich der Größe zu. Die Durchlässigkeit durch das Gel selbst kann ferner oberhalb der Umwandlungstemperatur erhöht werden, wodurch die Durchlässigkeit des Filtersystems weiter erhöht wird. In einem solchen System wäre das Gel während des Filtrierens in seinem expandierten Zustand, und in seinem geschrumpften Zustand, wenn die Rückwaschung/Vorwärtsspülen und Reinigen des Filters durchgeführt wird. In einigen Ausführungsformen kann das Gel zum Beispiel die Poren der Matrix vollständig verschließen, derart, dass die Durchlässigkeit des Filtersystems vollständig von den Veränderungen der Durchlässigkeit durch das Gel selbst abhängt.
In einer anderen Ausführungsform ist das Substratmaterial ein netzförmiger Schaum und der netzartige Schaum ist durch das ansprechende Gel imprägniert oder beschichtet.
Der Filtrierprozess eines Fluids würde bewerkstelligt, in dem das Fluid durch das oben beschriebene Filtersystem durchgelassen wird. In einer Ausführungsform kann das HPC- oder HPMC-Gelbeschichtete Filtersystem zum Filtern von Meerwasser wie folgt verwendet werden: (1) Die Temperatur des ansprechenden Gels wird unterhalb seiner Umwandlungstemperatur gehalten, so dass sich das Gel in seinem expandierten Zustand befindet (erniedrigte Durchlässigkeit), und das Filtern des Meerwassers wird bewerkstelligt; (2) Wenn das Filter beladen wird, wird die Filterdurchlässigkeit stark durch Bereitstellen eines Triggers erhöht, etwa durch Erhöhen der Temperatur des Gels auf oberhalb seiner Umwandlungstemperatur, wodurch es kollabieren und schrumpfen gelassen wird (Anstieg der Durchlässigkeit), wobei dieses während oder anschließend an die Filtration gemacht werden kann, (3) Dann würde ein Mittel zum Freisetzen und Ausspülen eingefangener Teilchen aus dem Filtermedium bereitgestellt, zum Beispiel eine Rückwasch- oder Vorwärtsspülung von Wasser kann zum Freisetzen und Ausspülen von eingefangenen Teilchen aus dem Filtermedium bereitgestellt werden, und (4) Nach Abschluss der Filterreinigung wird ein Trigger bereitgestellt, und das Gel wird expandieren gelassen (Abnahme der Durchlässigkeit), zum Beispiel durch dessen Abkühlen unterhalb seiner Umwandlungstemperatur, und die Filtrierung wird erneut durchgeführt. Dieser Prozess kann unendlich wiederholt werden.
Der Schritt des Haltens des Gels unterhalb seiner Umwandlungstemperatur kann zum Beispiel einfach durch Bereitstellung des zu filtrierenden Meerwassers bewerkstelligt werden, da die Temperatur des Meerwassers von etwa –2,22°C (28°F) bis etwa 35°C (95°F) reichen kann, und da die Umwandlungstemperatur von sowohl HPC als auch HPMC oberhalb 35°C (95°F) liegt. Der Schritt des Erhöhens der Temperatur des Gels auf oberhalb seiner Umwandlungstem peratur kann leicht bewerkstelligt werden, zum Beispiel durch Bereitstellen eines Stroms warmen Wassers durch das Filter, wobei das warme Wasser etwa 0,1°C (32,18°F) und weiter bevorzugt etwa 5°C (41°F) oder höher ist. Es kann ausreichend sein, nur das Wasser im Filtergehäuse oder in einem kleinen Behälter des filtrierten Wassers, der speziell zur Rückwaschung/Vorwärtsspülung bereitgestellt ist, erwärmt wird. Man kann ebenfalls eines der vielen Quellen von heißem Wasser auf Schiffen verwenden, um die Geltemperatur zu erhöhen. Anders als die Verwendung einer Rückwaschung oder Vorwärtsspülung von erhitztem Wasser zum Erwärmen des Gels kann alternativ das Filtermedium selbst erwärmt werden, zum Beispiel in dem die Trägermatrix aus einem Material niedriger Leitfähigkeit gefertigt wird und es elektrisch erwärmt wird, oder in dem Heizelemente im Filter oder im Filtergehäuse eingeschlossen werden. Der Schritt des anschließenden Erniedrigens der Temperatur des Gels von oberhalb seiner Umwandlungstemperatur auf unterhalb seiner Umwandlungstemperatur kann ebenfalls leicht bewerkstelligt werden, zum Beispiel in dem ein Strom kalten Wassers durch das Filter, wie etwa des zu filtrierenden Wassers, bereitgestellt wird.
Die folgenden, hier verwendeten Definitionen gelten: "Untere kritische Lösungstemperatur" bezieht sich auf die Maximaltemperatur, bei der ein Polymer in einem Lösungsmittel löslich ist. Speziell ist die untere kritische Lösungstemperatur die Temperatur, bei der ein hydrophiles Polymer seine Löslichkeit in Wasser verliert; "Obere kritische Lösungstemperatur" bezieht sich auf die Minimaltemperatur, bei der ein Polymer in einem Lösungsmittel löslich ist. Speziell ist die obere kritische Lösungstemperatur die Temperatur, bei der ein hydrophobes Polymer seine Löslichkeit in seinem organischen Lösungsmittel verliert; "Vernetzer" bezieht sich auf ein Molekül, welches mit zwei oder mehr Polymerketten reagieren kann, oder in zwei oder mehr Polymerketten während der Synthese eingeschlossen werden kann, was die zwei Ketten miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung ist im allgemeinen permanent und aus kovalenten chemischen Bindungen ge bildet; jedoch sind auch andere Methoden der Vernetzung möglich, die auf ionischen, hydrophoben, van-der-Waals- oder anderen intermolekularen Kräften beruhen. Calciumkationen zum Beispiel werden zum Vernetzen von (anionischen) Alginatpolymerketten verwendet; "Polymernetzwerk" bezieht sich auf eine Gruppe individueller Polymerstränge, die ausreichend vernetzt wurden, so dass sie vollständig miteinander verbunden sind, häufig durch Mehrfachvernetzungsstellen. Das Molekulargewicht eines Polymernetzwerks ist für alle praktische Zwecke unbegrenzt; "Gel" bezieht sich auf ein Material, welches aus einem Polymernetzwerk besteht, das in einem Lösungsmittel oder einer Mischung von Lösungsmitteln geschwollen ist. Die Eigenschaften des Gels entstammen der Natur des Polymernetzwerks, dem Lösungsmittel und der Wechselwirkung zwischen diesen beiden. Gele besitzen Eigenschaften zwischen jenen von Flüssigkeiten und Feststoffen, und haben einige physikalische Eigenschaften, die einzigartig sind. Dieser Ausdruck wird gelegentlich auch zur Bezugnahme auf ein Polymernetzwerk verwendet, von dem das gesamte Lösungsmittel entfernt worden ist, mit dem innewohnenden Verständnis, dass bei Verwendung in einer Applikation das Polymernetzwerk mit einem Lösungsmittel oder mit Lösungsmittel interagieren wird; "Ansprechendes Gel" bezieht sich auf ein Gel, welches eine (im allgemeinen diskontinuierliche (Volumenphasenumwandlung durchläuft beim Aussetzen gegenüber einer Veränderung in seiner Umgebung (einem Auslöser oder Trigger), etwa Temperatur, Licht, Lösungsmittelveränderung, Veränderung im pH, einem elektrischen oder magnetischen Feld, Druck und Innenstärke. Ein ansprechendes Gel besitzt Zwischenporen oder Zwischenräume, die in Antwort auf den Trigger sich verändern.
Andere Gegenstände der Erfindung werden weiter unten diskutiert.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Materialzusammensetzungen und Filtersysteme mit variabler Durchlässigkeit bereit. Speziell um fassen die Materialzusammensetzungen und Filtersystem der vorliegenden Erfindung ein ansprechendes Gel. Das ansprechende Gel kann gegebenenfalls ein Substratmaterial beschichten oder darin imprägniert sein.
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens ein ansprechendes Gel, welches Zwischenporen oder Zwischenräume aufweist. Ein wässriges oder nicht-wässriges Fluid kann durch diese Zusammensetzungen durchlaufen, um die Filtration des Fluids zu bewerkstelligen. Damit die Filtration bewerkstelligt wird, ist der Strom des Fluids durch das ansprechende Gel größer als der Strom, der durch das ansprechende Gel bereitgestellt würde. Das Volumen der Zwischenporen oder Zwischenräume kann in Antwort auf mindestens einen Trigger verändert werden, damit das durch das ansprechende Gel zurückgehaltene, filtrierte Material daraus entfernen oder im wesentlichen entfernen gelassen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das filtrierte Material entfernt, um eine Wiederverwendung und/oder die Kontamination der Zusammensetzung zu gestatten. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist das Filtermaterial selbst ein erwünschtes Produkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehen die Filtersysteme variabler Durchlässigkeit kontrollierbar hin und her zwischen einer verminderten Durchlässigkeit und einer erhöhten Durchlässigkeit. Im Zustand der verringerten Durchlässigkeit befindet sich das Filtersystem variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung in seinem Filtermodus und wird zum Filtern von Teilchen aus einem Fluidstrom verwendet. Wenn es sich im Zustand großer Durchlässigkeit befindet, befindet sich das Filtersystem variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung in seinem Reinigungsmodus und wird mit Wasser rückgewaschen oder vorwärtsgespült, um das Filter von Ablagerungen zu befreien, wodurch das Filter regeneriert wird. Die Filtersysteme variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung sind in Filtersystemen auf Schiffen besonders nützlich, zum Beispiel in Filtersystemen von Navyschiffen, zum Entsalzen von Meerwasser, um an Bord des Schiffs den Bedarf an trinkbarem und hochreinem Wasser zu erfüllen.
Ansprechende Gele sind Materialien, die eine Phasenumwandlung und eine drastische Veränderung des Volumens sowie andere Eigenschaften in Antwort auf eine Veränderung in ihrer Umgebung durchlaufen. Diese Materialien sind bekannt und wurden zuerst intensiv durch Prof. Toyoichi Tanaka vom Massachusetts Institut of Technology untersucht (siehe Tanaka, T., Ishiwata, S. und Ishimoto, C., "Critical Behaviour of Density Fluctuations in Gels." Phys. Ref. Let., 38, 4471–774(1977); Tanaka, T., "Collapse of Gels and Critical And Point, "Phys. Ref. Let., 40, 820–823, 1978; und Lee Y und Tanaka T., "Phase Transitions of Gels, " Annu. Ref. Mater. Sci., 22, 243–277, 1992). Eine Schlüsseleigenschaft eines ansprechenden Gels ist sein "Trigger", was die Umgebungsveränderung ist, die es veranlasst, das Volumen und physikalische Eigenschaften zu verändern. Unter den Triggern, die mit unterschiedlichen Arten von ansprechenden Gelen verbunden sind, sind: Veränderungen der Temperatur, des pH einer Lösung, der in einer Lösung vorliegenden Ionen oder der Innenstärke einer Lösung, die Lösungsmittelzusammensetzung, die Gegenwart von Licht, und die Gegenwart eines elektrischen oder magnetischen Felds. Ansprechende Gele können synthetisiert werden oder aus natürlich vorkommenden Polymeren stammen. Jegliche dieser Arten von ansprechenden Gelen und Triggermechanismen können bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Bei Schiffsanwendungen, bei denen Meerwasser filtriert wird, reichen die Temperaturen des Meerwassers im allgemeinen von etwa –2,2°C (28°F) bis etwa 35°C (95°F), je nach Ort. Somit ist die Umwandlungstemperatur des ansprechenden Gels für solche Anwendungen vorzugsweise größer als 35°C (95°F), um ein unbeabsichtigtes Triggern des Gels zu verhindern. Obgleich die Filter variabler Porengröße der vorliegenden Erfindung typischerweise stromaufwärts des RO-Filters in Schiffsanwendungen verwendet werden und unbeabsichtigt aus dem Filter freigesetzte Substanzen wahrscheinlich in der RO-Behandlung entfernt werden würden, ist es bevorzugt, dass Materialien zur Herstellung des Filters variabler Porengröße, einschließlich der ansprechenden Gele, FDAgenehmigt sind, da das in solchen Applikationen filtrierte Wasser schließlich eingenommen werden kann. In der Praxis können die RO-Membrane Risse, Nähte oder andere kleine Defekte haben, die eine geringe Menge irgendeines Materials passieren lassen, das aus dem Filter leckt oder sich davon ablöst.
Zwei besonders bevorzugte ansprechende Gele zur Verwendung in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließen Hydroxypropylcellulose (HPC) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) ein. HPC und HPMC sind natürlich vorkommende Polymere. HPC besitzt eine Umwandlungstemperatur von etwa 113°F in salzfreiem Wasser, sowie eine Umwandlungstemperatur von etwa 98°F in Salzwasser. Die chemische Struktur von HPC ist bekannt.
HPMC besitzt eine Umwandlungstemperatur von etwa 149°F in salzfreiem Wasser und eine Umwandlungstemperatur von etwa 140°F in Salzwasser. Die chemische Struktur von HPMC ist bekannt.
Die Synthese von ansprechenden Gelen ist im Stand der Technik bekannt. Ansprechende Gele können aus irgendeinem Polymer gefertigt werden, welches durch Vernetzen ein ansprechendes Polymernetzwerk bildet. Das Polymer kann einzeln verwendet werden oder mit anderen Polymeren vermengt werden. Wenn das Polymer aus seinem aufbauenden Monomeren zu polymerisieren ist, können andere Monomere, einschließlich vernetzende Monomere gleichzeitig polymerisiert werden, was es gestattet, die Eigenschaften des Polymers Maßzuschneidern. Darüber hinaus kann das Polymer ein interpenetrierendes Polymernetzwerk sein, bei dem mindestens ein Polymer das Polymernetzwerk eines anderen Polymers durchdringt. Im allgemeinen kann das Polymer ein Polysacharid (einschließlich Cellulose, Stärke, Chitin und Hyaluronsäure), Polypeptide und synthetische Polymere wie Polyvinylalkohol, Polyethylenoxid und Poly(isopropylacrylamid) sein.
Die ansprechenden Gele können durch Vernetzen von bestehenden Ketten durch ein geeignetes Agens gebildet werden. Dieser Weg ist zum Vernetzen von Celluloseethern besonders nützlich. In einer anderen Ausführungsform kann die Polymerisation von Monomeren in Gegenwart eines Vernetzungsmittels ausgeführt werden. Dieser Weg ist zum Bilden von vielen aus Vinyl-stammenden Monomeren durch freie Radikalpolymerisation besonders nützlich.
Ein Beispiel eines synthetischen Gels mit niedriger kritischer Lösungstemperatur (LCST) ist N-Isopropylacrylamid. Dieses Gel wird durch freie Radikalpolymerisation wie unten im Beispiel 12 beschrieben hergestellt. Die LCST des Isopropylacrylamidpolymers und des daraus gebildeten Gels beträgt 32–34°C. Wenn die Temperatur des Isopropylacrylamidgels darüber angehoben wird, wird es opak und stößt Wasser aus.
Das ansprechende Gel der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise aus einem vernetzbaren Celluloseetherpolymer hergestellt, welches eine untere kritische Lösungstemperatur aufweist. In bevorzugten Ausführungsformen schließt das ansprechende Cellulosegel Hydroxypropylmethylcellulose oder Hydroxypropylcellulose, oder Mischungen davon, gegebenenfalls vermengt mit Methylcellulose (MC), Hydroxyethylcellulose (HEC), Carboxymethylcellulose (CMC), Ethylhydroxyethylcellulose (EHEC) und Methylhydroxyethylcellulose (MHEC) sowie Mischungen davon ein. Ein am meisten bevorzugter Celluloseether ist HPMC wegen seiner hohen LOST sowohl in frischem als auch in Meerwasser. Mischungen von Celluloseethern führen zu ansprechenden Gelen mit Eigenschaften, die durch alle verwendeten Celluloseether verliehen werden. IPNs eines Celluloseethers mit einem anderen, Nicht-Celluloseetherpolymer können zu einem ansprechenden Gel mit Eigenschaften führen, die für die Celluloseetherkomponente typisch sind.
Für Polymere geeigneten Quervernetzer schließen Acetaldehyd, Formaldehyd, Glutaraldehyd, Diglycydylether, Diisocyanate, Epichlorhydrin, Dimethylolharnstoff, Phosphorylchlorid, Trimetaphosphat, Trimethylolmelamin, Polyacrolein und Cerionen-Redoxsysteme ein.
Beispielhafte Quervernetzer für Celluloseether wie HPC und HPMC schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf das folgende: Divinylsulfon; Dicarboxylsäurederivate wie Disäurechloride, Dicarboxylsäure, Diester und Diamide; Diisocyanate; und Diepoxide. Beispiele von Dicarboxylsäurederivaten schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Adipoylchlorid, Adipinsäure, den Methylendiester der Adipinsäure, und das Diamid der Adipinsäure. Weitere Beispiele von Dicarboxylsäurederivaten schließen Bernsteinsäurechlorid, Bernsteinsäure und Diester- und Diamidderivate der Bernsteinsäure ein. Ein anderes Beispiel einer Disäure ist Ethylenglycol-Dimethacylat. Ein Beispiel eines Diosicyanats ist Hexamethylendiisocyanat. Ein Beispiel eines Diepoxids ist Bisphenol A. Für den Fachmann wird sofort klar, dass es möglich ist, viele andere Dicarboxylsäurederivate, Diisocyanate und Diepoxide, die sich von den oben explizit erwähnten unterscheiden, zu verwenden, ohne sich vom Umfang der Erfindung zu entfernen. Es wird für den Fachmann ebenfalls ohne weiteres verständlich, dass Quervernetzer, die eine heterogene Funktionalität aufweisen, ebenfalls erfolgreich angewandt werden können, zum Beispiel ein Adipinsäurederivat, das eine säurefunktionelle Gruppe an einem Ende und eine Esterstruktureinheit am anderen Ende aufweist. Ähnlich wird man sich nicht vom Umfang der Erfindung entfernen, wenn man einen Quervernetzer mit einer Esterfunktionalität und ein Isocyanat verwendet. Ferner ist es möglich, als Quervernetzer multifunktionale Moleküle mit einer Funktionalität von drei oder mehr zu verwenden, ohne sich vom Umfang der Erfindung zu entfernen, einschließlich polymeren Materialien, solange eine kovalente Bindung zwischen dem Quervernetzer und den Polymerketten, die verknüpft werden, gebildet wird. Ein Beispiel davon ist 1,2,3,4-Butantetracarboxylsäure. Adipinsäure und Bernsteinsäure sind beide in der Liste GRAS-(Allgemein Als Sicher Erkannt) durch die FDA gelistet (Code of Federal Regulations, Titel 21, Volumen 3, Sektion 172, "Food Additives Permitted For Direct Addition To Food For Human Consumption." Section 172.870 (HPC) und Section 172.874 (HPMC). 21CFR172.870, 21CFR172.874 und 21CFR184.1. Druckerei der Regierung (Gouvernement Printing Office), 1. April 1999), und stellen daher bevorzugte Quervernetzer für bestimmte Anwendungen dar.
Beispielhafte Quervernetzer für freie Radikalpolymerisationen schließen N-N-Methylenbisacrylamid, Divinylbenzol und andere Di- oder Multi-funktionelle Vinylverbindungen ein.
Typische Quervernetzer werden im Verhältnis von etwa 1 bis 20% des Trockengewichts des Polymers zugegeben, nachdem es in Lösung ist. Die Veränderung des Quervernetzers und der Menge des Quervernetzers liefert ein Mittel zum Steuern der mechanischen Festigkeit, dem Quellgrad des Gels und der Intensität des Volumenveränderungstriggers.
Freie-Radikal-Initiatoren können ferner während der Synthese der ansprechenden Gele verwendet werden. Der Initiator kann ein Freier-Radikal-Initiator sein, etwa chemische Freie-Radikal-Initiatoren und Ultraviolett- oder Gamma-Strahlungsinitiatoren. Herkömmliche Freie-Radikal-Initiatoren können gemäß der Erfindung verwendet werden, einschließlich, jedoch keineswegs begrenzt auf Ammoniumpersulfat, Benzoinethylether, 1,2'-Azobis(2,4-Dimethylpentanitril) (Vazo52) und Azobisbutyronitril (AIBN). Die Initiierung kann auch unter Verwendung von kationischen oder ionischen Initiatoren bewerkstelligt werden. Viele Variationen dieser Methoden werden dem Fachmann klar sein und werden als innerhalb des Umfangs der Erfindung in Betracht gezogen.
In einer bevorzugten Synthese wird HPC oder HPMC mit Adipoylchlorid oder Bernsteinsäurechlorid (beides kommerziell verfügbar) umgesetzt, wie unten veranschaulicht: 2 Cellulose-OH + ClCO(CH₂)_nCOCl → Cellulose-O-CO(CH₂)_nCOO + HCl wobei n = 4 für Adipoylchlorid und n = 2 für Bernsteinsäurechlorid.
In einer anderen bevorzugten Synthese wird HPC oder HPMC mit Divinylsulfon umgesetzt, wie untenstehend veranschaulicht: 2 Cellulose-OH + CH₂=CH-SO₂-CH=CH₂ ↓ Base, H₂O Cellulose-O-CH₂-CH₂-SO₂-CH₂-CH₂-O-Cellulose
Diese Reaktionen beinhalten eine Diester- oder Ether-Querverknüpfung, die durch die Reaktion des Adipoylchlorids, Bernsteinsäurechlorids oder Divinylsulfons mit den Hydroxylgruppen des Cellulosepolymers gebildet wird.
Die Auswahl des Lösungsmittels für die Gelsynthese ist sehr wichtig. Wasser und organische Lösungsmittel mit aktiven Wasserstoffen wie Alkohole und Amine reagieren mit Adipoyl- und Bernsteinsäure-Chlorid und können somit nicht verwendet werden. Kohlenwasserstoff- und Etherlösungsmittel, die häufig für die Estersynthese verwendet werden, quellen nicht die hoch hydrophilen Cellulosesubstanzen und sind unzufriedenstellend. Es wurde gefunden, dass wasserfreie Ketone niedrigen Molekulargewichts wie Aceton und Methylethylketon HPC und HPMC ausreichend quellen, um die Gele zu synthetisieren, und Stellen bevorzugte Lösungsmittel dar.
Durch molekulare Modifikationen können geringe Veränderungen in der Umwandlungstemperatur der ansprechenden Gele gemacht werden. Als allgemeine Regel werden hydrophobe Modifikationen des Gels die Umwandlungstemperatur des Gels erniedrigen, während hydrophile Modifikationen die Umwandlungstemperatur erhöhen wird. Die hydrophoben Modifikationen können gemacht werden durch Umsetzung mit kleinen Mengen hydrophober Säurechloride, wie Octyl oder Decylchlorid, um eine geringe Menge an langkettigen Esterverknüpfungen zu erzeugen. Hydrophile Modifikationen können gemacht werden durch Umsetzung mit geringen Mengen von Säureanhydriden von GRAS-Disäuren, wie Bernsteinsäureanhydrid. Dies wird einen Succinat-Halbester mit einem hochhydrophilen Carboxylatanion erzeugen.
Eine Vielzahl von Materialien und Gestaltungen können als Trägermaterial verwendet werden, einschließlich zum Beispiel eindimensionale und dreidimensionale Träger. Materialien wie Garn, Stoffgewebe, netzartiger Schaum und Faservliese können bei der Gestaltung dieser Filtersubstrate verwendet werden.
In einigen Anwendungen ist es bevorzugt, (dreidimensionale) Tiefenfilter bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung zu verwenden. In solchen Filtern werden filtrierte Teilchen innerhalb des Filtermediums gehalten, und die Regenerierung durch Rückwaschung/Vorwärtsspülen wird durch Vergrößern der Porengröße der Filter stark vereinfacht. Ein wichtiger Vorteil der Verwendung von dreidimensionalen Tiefenfiltern im Gegensatz zu einem flachen Garn oder einer fadenartigen Matrix besteht darin, dass die dreidimensionalen Materialien ihre mechanische Integrität während der Quell- und Schrumpfzyklen ohne Bedarf für zusätzlichen Träger behalten.
Geeignete Tiefenfilter schließen kartuschenartige Tiefenfilter ein, die gefertigt werden können, in dem eines von vier unterschiedlichen Trägermaterialien verwendet wird: Garn, Stoffgewebe, netzartiger Schaum und Faservlies.
Garn oder Faden gewickelte Kartuschen-Tiefenfilter sind laufend kommerziell verfügbar. Diese Filter werden einfach durch Wickeln eines geeigneten Garns um den Filterkern herum aufgebaut. Die Filterporengröße wird durch die Spannung der Windung und durch den Durchmesser des Fadens bestimmt. Durch Verwendung von Gelbeschichtetem Faden oder Garn können diese Filter so gemacht werden, dass sie durch Rückwaschung/Vorwärtsspülung regenerierbar sind. Zusätzlich zum Einstellen der Spannung und des Durchmessers des Fadens kann die Abstufung in der Durchlässigkeit erzielt werden durch Variieren der Dicke der Gelbeschichtung.
Gewebetiefenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung können gemacht werden durch Umhüllen mehrerer Schichten von Gelbeschichtetem Gewebe um den Kartuschenkern. Die Filterporengröße wird bestimmt durch die Maschenweite des Gewebes und der Dicke der Gelbeschichtung. Durch Verwendung offenerer Webart oder reduzierter Beschichtungsdicke für jede aufeinanderfolgende Schicht wird den Filter mit kleineren Porengrößen ausstatten, die für die Tiefenfiltrierung erforderlich sind. Bei dieser Art der Gestaltung strömt der Strom des Reinigungsfluids vorzugsweise von innen nach außen, um das Gewebe unter Spannung und getrennt zu halten, wenn das Gel sich im zusammengefallenen Zustand befindet.
Tiefenfilter mit netzartigem Schaum sind Schäume, in denen Zellmembrane mit Zellrippen verbunden wurden, um ein offenzelliges Material zurückzulassen. Netzartige Schäume sind kommerziell in einer Reihe von Zell- oder Porengrößen verfügbar und werden weit verbreitet als Filtermedien für Luft- und Flüssigkeitsströme verwendet. Sie werden routinemäßig mit Substanzen wie Aktivkohle oder bakteriostatischen Agenzien imprägniert, um spezielle Filtrieranforderungen zu erfüllen. Gemäß der vorliegenden Erfindung würde der netzartige Schaum mit dem Gel zur Beschichtung der Zellwände imprägniert werden. Die erwünschte endgültige Porengröße kann erhalten werden, in dem eine spezielle Porengröße des unbehandelten Schaums ausgewählt wird und in dem die Dicke der Gelbeschichtung variiert wird. Sobald er imprägniert ist kann der netzartige Schaum einfach den Kartuschenkern umhüllen und daran befestigt werden.
Alternativ kann ein Filtermedium aus Faservlies hergestellt werden durch Erzeugen einer Pulpe aus Fasern, die dann unter Vakuum auf den Filterkern gezogen wird. Die Porosität kann von der äußeren Oberfläche zum Kern hin durch geeignetes Variieren des Vakuums im Zuge der Beschichtungsbildung abgestuft werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein ansprechendes Gel in der Matrix eingebettet. Eine Methode des Einbettens des ansprechenden Gels in der Matrix würde darin bestehen, die Matrix in die Polymerlösung zu tauchen und die Gelierung in den Poren ablaufen zu lassen. Alternativ können Gelteilchen zur Pulpe hinzugefügt werden, bevor sie gegossen wird.
Für jede dieser Substratgestaltungen kann die Porosität des Filtersystems zusätzlich modifiziert werden zum Beispiel durch Modifikationen des ansprechenden Gels während der Synthese. Zum Beispiel durch Modifizieren der Vernetzungsdichte, der Anfangspolymerkonzentration, des Molekulargewichts des Polymers und der Verzweigung während der Synthese, wobei die Durchlässigkeit des Filtersystems je nach Wunsch modifiziert werden kann.
In einigen Anwendungen kann das ansprechende Gel in Bezug auf das Lösungsmittel und das Teilchenmaterial sein, auf was das Filter trifft, und dient lediglich dazu, das Substrat zu beschichten und die Poren des Substrats mehr oder weniger zu schließen. In anderen Anwendungen ist die Durchlässigkeit des das ansprechende Gel aufbauenden Polymernetzwerks der bestimmende Faktor in Bezug auf die Teilchengrößenausschlussgrenze, wohingegen das Substrat lediglich den physikalischen Träger für das Gel liefert. In diesem Modell werden die Eigenschaften des Gels verändert (z. B. Menge der Quervernetzung, Synthesebedingungen etc.), um die Teilchenausschlussgröße des Filters für ir gendeinen besonderen Zweck maßzuschneidern. Die Durchlässigkeit des Substrats wird gewählt, dass sie viel höher ist als die höchste Durchlässigkeit des Gels, so dass das Substrat lediglich eine Strukturrolle spielt.
In einer noch anderen Anwendung kann der Filter variabler Durchlässigkeit so aufgebaut werden, um ein Substrat zu bekommen mit einer Durchlässigkeit unterhalb der maximalen Durchlässigkeit des Gels, jedoch oberhalb der minimalen Durchlässigkeit des Gels. In solchen Anwendungen würde sowohl das Substrat als auch das Gel eine Rolle in den Durchlässigkeitsveränderungen des Filtersystems spielen. Dies könnte beim Begrenzen des Betriebsbereichs des Filters auf einen engeren Bereich, der durch das Gel alleine bereitgestellt wird, vorteilhaft sein; wenn alternativ eine zusätzliche strukturelle Integrität erwünscht ist, könnte es wichtig sein, einen Ausgleich zum Betriebsbereich des Gels zu finden, um eine erhöhte Haltbarkeit zu erhalten.
Ferner ist es selbstverständlich innerhalb des Umfangs der Erfindung, einen Filter variabler Durchlässigkeit in Betracht zu ziehen, der lediglich aus einem Gel ohne einem Substrat aufgebaut ist. Wenn die strukturelle Integrität des Gels hoch ist, wie es leicht bei den in den Beispielen verwendeten natürlichen Cellulosepolymeren ist, gibt es keinen Grund, das ein Substrat eingeschlossen sein muss.
Für Anwendungen, die ein mit einem ansprechenden Gel imprägnierten oder beschichteten Substratmaterial anwenden, ist eine starke Bindung zwischen dem Gel und dem Substratmaterial zum Erzeugen eines haltbaren Filtermediums wichtig. Mehrere Techniken können zum Verstärken der Bindung des Substrats an das Gel verwendet werden, einschließlich: mechanisches Binden, chemische Vorbehandlung der Filterfaser; und Gelvorbehandlung der Faser.
Beim mechanischen Binden kann das Gel selbst eine starke mechanische Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Wenn die Filterfaser eine relativ raue Oberfläche aufweist, insbesondere wenn es, wie häufig bei natürlichen Fasern der Fall, Mikrofibrillen besitzt, kann das Gel mechanisch mit der Faser verwickelt und daran gebunden werden. Dies kann eine Haftung verleihen, die für die Anwendung ausreichend ist.
Eine chemische Vorbehandlung der Filterfaser kann zum Verstärken der Bindefähigkeit und Oberflächenreaktivität der Faser verwendet werden. Da viele Fasern aktive Wasserstoffatome enthalten, kann eine Vorbehandlung ausgeführt werden unter Verwendung derselben Chemikalien, die wie oben beschrieben die Quervernetzungen schaffen. Diese Materialien sind bifunktional oder polyfunktional und bei der chemischen Vorbehandlung wird eine Funktionalität auf die Faser gebunden, während andere Funktionalitäten aktiv belassen werden. Die restlichen Funktionalitäten werden dann in einem zweiten Schritt auf das Gel-Polymerrückgrad gebunden. Dieser Prozess unter Verwendung sowohl einer Estervorbehandlung und einer Urethanvorbehandlung ist unten gezeigt: Chemische Estervorbehandlung
Chemische Urethanvorbehandlung
Eine Gel-Vorbehandlung der Faser kann ebenfalls durchgeführt werden, wobei eine dünne Schicht von eng vernetztem, konzent riertem Gel, das sehr schwach quellt, auf die Faser appliziert wird. Eine zweite Schicht des verdünnten Gels wird dann appliziert und fest an die anfängliche Gelschicht gebunden.
Da das filtrierte Wasser für Trinkzwecke verwendet werden kann, sind die bei der Herstellung des Filters, einschließlich der Herstellung der Gewebematrix verwendeten Materialien vorzugsweise nicht toxisch, da es eine entfernte Möglichkeit gibt, das geringe Mengen der Fasermatrix sich vom Filter ablösen und im Produkt Wasser enden können.
Der Betrieb der Tiefenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein thermisch ansprechendes Gel verwendet wird, kann wie folgt erläutert werden: wenn das Filter im normalen oder kalten Zustand (unterhalb der Umwandlungstemperatur) ist, wird das ansprechende Gel geschwollen sein, so dass die Poren der Medien auf die erforderlichen Dimensionen zum Entfernen der Zielausschlussteilchengröße reduziert sind. Die Fließraten während der Filtration liegen bevorzugt im Bereich von 1,356 bis 6,78 1/s·m²(2 bis 20 gal/min/ft²), je nach Trägermaterial und Ausschlussteilchengröße. Indem die Filtration voranschreitet und Teilchen in der Tiefe der Medien eingefangen werden, nimmt der Druckabfall durch die Einheit zu. Die Situation unterscheidet sich von der Kuchenfiltration (Gleichung 3), bei der die Porosität des Mediums aufgrund der Akkumulation von filtrierten Teilchen abfällt. Dies führt zum Anstieg des Filterwiderstands, während die Filtration voranschreitet. Der resultierende Anstieg des Druckabfalls kann auf der Basis einer modifizierten D'Arcy-Gleichung für Ströme durch poröse Medien, die ausdrücklich den Porositätseffekt einschließt, abgeschätzt werden (siehe Perry's Chemical Engineers' Handbook, Robert H. Perry, Don W. Green und James O. Maloney, Hrg. 7. Ausgabe, McCrowhill New York, 1997): ΔP = 200 μuL/D2 (1-ε)2/ε3 für Re < 100(laminarer Strom) (4)worin:

u die Oberflächen-(Offenkanal-)Geschwindigkeit durch das Filter medium ist,
L die Tiefe des Filtermediums ist,
D ein repräsentativer (Poren)-Durchmesser des Filtermediums ist,
e die Porosität des Filtermediums ist, und
u die Viskosität des Filtrats ist.
Re ist die Reynold'sche Zahl (Re = DpV/μ) und
p ist die Dichte des Filtrats.

Das Ansprechverhalten von Gleichung 4 wird durch ein spezielles Beispiel veranschaulicht: unter der Annahme einer gleichförmigen Anfangsporosität von e = 0,5, eines Porendurchmessers von 0,1 mm(100 μm) und einer Filtergeschwindigkeit von 2,034 1/s·m²(3 gal/min/ft²) (V = 2 mm/s) wird der anfängliche Druckabfall durch ein 1,27 cm-(0,5 Inch-)dickes Filter auf 1 kPa(0,15 psi) berechnet. Beim Erhöhen des Flusses auf 6,78 l/s·m²(10 gal/min/ft²) würde der Druckabfall 3,45·10³ Pa (0,5 psi) sein. Angenommen die Teilchen, die filtriert werden, werden gleichförmig durch das gesamte Filtermedium gesammelt, kann der Abfall der Porosität mit der Zeit aus dem anfänglichen Porenvolumen, dem Feststoffgehalt der zu filtrierenden Flüssigkeit und der Filtriergeschwindigkeit berechnet werden. Unter Verwendung von Gleichung 4 kann dann der Druckabfall geschätzt werden. Die Veränderung im Druckabfall mit der Zeit ist in 7 für Flüsse von 2,034 und 6,78 1/s·m²(3 und 10 gal/min/ft²) und Feststoffbeladungen von 1000 mg/l gezeigt.
Die Gleichung gibt an, dass der Druck zuerst langsam ansteigt, aber aufgrund der Nichtlinearität der Porositätsfunktion, (1 – ε)²/ε³, gibt es einen sehr raschen Anstieg im Druck, wenn die Poren gefüllt werden. Bei höheren Fließraten oder höheren Aufschlämmungskonzentrationen wird der Filter schneller beladen und die Regenerierung wird häufiger erforderlich. Bei der Oberflächen- oder Kuchenfiltration nimmt die Porosität des Kuchens im Zuge seiner Verdickung aufgrund der Verdichtung und möglicher weise der Migration kleiner Teilchen in die Poren ab. Diese Wirkungen führen zu einer raschen Erhöhung des Drucks zum Ende des Filtrationszyklus hin.
Der Filter variabler Porengröße der vorliegenden Erfindung kann schnell durch Rückwaschen/Vorwärtsspülen regeneriert werden, wenn er zugestopft und mit Teilchenablagerungen gefüllt ist, wie durch den Druckabfall angezeigt, der eine gewisse vorbestimmte Grenze erreicht. Wenn der Filter gefüllt ist, oder kurz bevor der Filter gefüllt ist, wird die Porengröße zu einer starken Vergrößerung gebracht durch Triggern des ansprechenden Gels und in dem es zusammenfallen gelassen wird. Beim Erhöhen der Filterporengröße werden eingefangene Teilchen aus dem Filtermedium freigesetzt, und sie werden mit einem Rückwaschen/Vorwärtsstoß des Fluids weggespült. Die Regenerierung durch Rückwaschen/Vorwärtsspülen besitzt beträchtliche Vorteile für den Betrieb an Bord eines Schiffs, da es reichlich Zufuhr an Wasser gibt, und da zusätzliche Reagenzien oder Antriebsmechanismen nicht erforderlich sind. Nachdem der Filter gereinigt wurde werden die Poren dann dazu veranlasst, zu ihrer normalen Größe zurückzukehren, indem das ansprechende Gel zur Expansion getriggert wird, und das Filter wird zu ihrem Filtrier- oder Beladungsmodus zurückgesetzt.
Der Schritt des Erwärmens des ansprechenden Gels auf oberhalb der Umwandlungstemperatur des Gels kann einfach durch Rückwaschen/Vorwärtsspülen mit erhitztem Wasser bewerkstelligt werden. Wasser kann für diesen speziellen Zweck im Filtergehäuse oder in einem kleinen Behälter des filtrierten Wassers, der speziell zum Rückwaschen und Vorwärtsspülen bereitgestellt wird, erhitzt werden. Zusätzlich gibt es mehrere potentielle Quellen von heißem Wasser auf Schiffen, welches für diese Verwendung angezapft werden können. Alternativ kann das Filtermedium selbst erhitzt werden. Eine Methode würde darin bestehen, die Trägermatrix aus einem Material niedriger Leitfähigkeit zu fertigen und dieses unter Verwendung von gegenwärtig zur elektrischen Regenerierung von Aktivkohle verwendeten Techniken (siehe Gold, H. McCroy, J. Harvey, A., Higgs, R. E. "Electrocally Conductive Sorption System and Method", U.S.Patent-Nr. 5,505,823, 9. April 1996) elektrisch zu erhitzen. Der Schritt des Kühlens des Gels zurück auf unterhalb seiner Umwandlungstemperatur kann zum Beispiel durch einfaches Bereitstellen eines Stroms von Meerwasser, welches sich unterhalb der Umwandlungstemperatur des Gels befindet, bewerkstelligt werden. Um die Geltemperatur rascher zu erniedrigen kann eisgekühltes Wasser ebenfalls mit dem ansprechenden Gel in Kontakt gebracht werden.
Die Struktur der Filtersysteme variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung wird im Detail unten in Bezug auf ein Fasermatrixsubstrat beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass andere Substratmaterialien, zum Beispiel netzartige Schäume und Faservliese bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Ein Beispiel einer Fasermatrixgestaltung ist in 5 gezeigt. Die Fasermatrix besitzt eine festgelegte Porengröße, und das ansprechende Gel ist auf die Fasermatrix geschichtet. Wie in 5 gezeigt ist das ansprechende Gel auf die Matrix geschichtet, während Poren in der Matrix gelassen werden. Das ansprechende Gel kann jedoch alternativ eine kontinuierliche Beschichtung bilden. Poren können im Gelbeschichtungsprozess gebildet werden, in dem zum Beispiel die einzelnen Faserstränge vor dem Verweben der Fasermatrix beschichtet werden. Alternativ können die Poren durch Methoden wie zum Beispiel durch Nadeln und Falten des Gelbeschichteten oder -imprägnierten Gewebes unter Spannung gebildet werden.
Eine Ausführungsform des Filtersystems variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung wird gebildet durch Beschichten einer Lage eines Gewebes mit dem wie in 5 gezeigten ansprechenden Gel. Die Maschenweite des Gewebes und die Beschichtungsdicke werden so ausgewählt, dass, wenn das Gel sich im normalen oder geschwollenen Zustand befindet, die Porengröße mit der entworfenen Ausschlussteilchengröße übereinstimmt, und das Filter variabler Durchlässigkeit wird in seinem Filtriermodus verwendet. Das Zusammenfallen des Gels bringt das Filter variabler Durchlässigkeit in den Zustand vergrößert Porengröße, wodurch im Filter eingeschlossene Teilchen freigesetzt werden und dem Filter gestattet wird, effizient gereinigt zu werden durch einfaches Rückwaschen oder Vorwärtsspülen.
Für Anwendungen, in denen die Filter variabler Durchlässigkeit als Vorfilter bei RO-Systemen auf Schiffen der Navy zum Entsalzen von Seewasser verwendet werden, wird die Gewebematrix so gestaltet, dass sie eine festgelegte Porengröße besitzt. Zum Beispiel können sich ein oder mehrere Filter variabler Porengröße im Vorfilterzug stromaufwärts eines RO-Systems befinden. In einer solchen Anwendung wird das Filtersystem variabler Durchlässigkeit so gestaltet, dass die abgezielten Teilchen der Ausschlussgröße herausgefiltert werden.
Die Eigenschaften von natürlichem Meerwasser, auf das die Filter der vorliegenden Erfindung treffen könnten, sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Daten für "bestenfalls" sind repräsentativ für offenes Wasser oder Bedingungen von "blauem Wasser", und die Daten für "schlimmstenfalls" sind repräsentativ für Bedingungen, auf die in bestimmten Küstenregionen getroffen werden könnte. Tabelle 1 Eigenschaften von Meerwasser
Somit ist der Filter variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in der Lage, im Meerwasser über einen Temperaturbereich von –2,22°C (28°F) bis 35°C (95°F) betrieben zu werden. Vorzugsweise ist der Filter in der Lage, einer Temperaturveränderung von 18°C (64,4°F) in kurzer Zeit zu widerstehen, zum Beispiel während einer Dauer von 30 Minuten, was gelegentlich in Wassern von Ozeanen vorkommt. Ferner funktioniert das Filtern vorzugsweise in Meerwasser-Salzgehalten, die von 25.000 bis 42.000 mg/L reichen.
Das Filter variabler Durchlässigkeit wird vorzugsweise für. eine nützliche Betriebsdauer von mindestens 1 Jahr gestaltet, so dass Einheiten durch bei der jährlichen Routinewartung ersetzt werden müssen. Die derzeit verwendeten 20- und 3-μm-Kartuschenvorfilter, die vorzugsweise zwischen den Filtern variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung und dem RO-Filter auf bestimmten Schiffen der Navy lokalisiert sind, besitzen Lebenszeiten von 6 bis 9 Monaten und erreichen einen End-Betriebsdruckunterschied um etwa 55,2 × 103 Pa (8 psi).
Die Filter variabler Durchlässigkeit können in Verbindung mit erforderlichen Pumpen, Anschlüssen, Ventilen oder anderen be kannten Fluidübertragungs- und Fluidsteuerungs-Vorrichtungen verwendet werden, um das Fluid durch den Filter strömen und filtrieren zu lassen. Mittel zum Bewirken einer Veränderung in der äußeren Umgebungsbedingung der Gele können in der Filtrierausrüstung eingeschlossen sein. Zum Beispiel kann das Mittel zum Bewirken der Veränderung der äußeren Umgebungsbedingung eine elektrische Verdrahtung sein, die durch das Zusammensetzungsmaterial oder das Gel hindurch verteilt ist, derart, dass ein elektrischer Strom durch die Verdrahtung laufen kann und die Temperatur des Zusammensetzungsmaterials oder des Gels erhöhen kann.
Die Filter variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung können sowohl in wässrigen als auch in nicht-wässrigen Umgebungen betrieben werden. In wässrigen Umgebungen werden die Filter variabler Durchlässigkeit im allgemeinen wie oben in Bezug auf Meerwasserfiltrierprozesse beschrieben betrieben. In wässrigen Umgebungen zeigt das Polymer eine untere kritische Lösungstemperatur (LOST), welches darüber hinaus vernetzt worden ist, so dass es eine Veränderung in Bezug auf die Durchlässigkeit und die Porosität zeigt. Das Erfordernis für das, das Netzwerk des Gels in einer nicht-wässrigen Umgebung aufbauenden Polymers besteht darin, dass es eine obere kritische Lösungstemperatur (OCST) zeigt. Diese Art von Filter könnte in nicht-wässrigen Umgebungen zur Herstellung von hydrophoben Polymerkügelchen verwendet werden, zum Beispiel wenn es nötig ist, die Polymerkügelchen aus dem Lösungsmittel abzutrennen, in dem sie synthetisiert wurden, zum Beispiel Toderol. Die Temperatur des Toderols könnte oberhalb der OCST gehalten werden, bis der Druckabfall durch den Filter zu hoch wurde, und dann würde der Filter mit kaltem Toderol rückgewaschen oder vorwärtsgespült. Alternativ könnte ein retrophobes Polymer verwendet werden, welches stark in einem einzelnen organischen Lösungsmittel gequollen würde, aber weniger in einem anderen. Ein hydrophobes Gel, welches den ansprechenden Teil des Filters zusammensetzt, könnte zum Beispiel in Toluol gequollen werden und somit so wirken, dass kleine Polymerteilchen herausgefiltert werden. Dann beim Rückwaschen oder Vorwärtsspülen mit Methanol, in dem es nicht quellt, würde die Porosität und Durchlässigkeit des Filters ansteigen, wodurch eingeschlossene Teilchen freigesetzt und der Filter regeneriert würde.
Alle hier erwähnten Dokumente werden durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen. Die Filter variabler Durchlässigkeit der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht, die als Hilfe für das Verständnis der vorliegenden Erfindung beabsichtigt sind, jedoch nicht als eine Begrenzung davon zu verstehen sind.
Beispiele
Allgemein
Die Synthese der Filter variabler Durchlässigkeit und das Testen der Filter wurde wie unten beschrieben durchgeführt, es sei denn, es wird anders angegeben.
Zum Zweck von Tests wurde die abgezählte Ausschlussteilchengröße in den Größenbereich von 50 bis 60 μm festgelegt. Es wird erwartet, dass beträchtlich größere Teilchen, die im Meerwasser vorliegen könnten, ausreichend dicht sind, um in aufstromseitigen Zentrifugen entfernt zu werden. In der Praxis kann die Ausschlussgröße ohne weiteres modifiziert werden, zum Beispiel durch geeignete Auswahl der Maschenweite oder der Durchlässigkeit des Trägermaterials, der Dicke der Gelbeschichtung sowie unterschiedlichen Parametern, die während der Synthese des Gels (z. B. Vernetzungsdichte des ansprechenden Gels, Anfangspolymerkonzentration, Molekulargewicht und Verzweigung des Polymers) ausgewählt werden.
Das Filtersubstrat
Das Substratmaterial muss eine permanente Bindung mit dem ansprechenden Gel bilden und sollte zum Aufbau eines Kartuschenfilters mit Tiefenfiltereigenschaften geeignet sein. Zusätzlich sollte die Durchlässigkeit der Substratmatrix so gestaltet sein, dass die Ausschlussteilchengröße des Filters mit dem beschichteten Gel die Entwurfsspezifikation erfüllt.
Drei Arten von Substraten wurden in den Experimenten in Betracht gezogen: Webstoff, vernetzter Schaum und Faservliesmatrix.
Für den Webstoff wurde eine schwarze Baumwolle, Standard-Gasgewebeart, verwendet. Die Maschenweite wurde durch Fotomikrographie bestimmt und auf etwa 370 ± 20 μm bestimmt. Die schwarze Farbe wurde gewählt, da es den Kontrast zwischen dem Gel und dem Stoff erhöhte, was es leichter machte, die Gelbeschichtung zu beobachten.
Die vernetzten Schäume waren Polyether-Polyurethan-Schäume, die von Rogers Foame, Sommervuille, MA und Chrest Foame, Inc, Moonachie, NJ, erhalten wurden.
Die Faservliesmatrix wurde aus Masse-Baumwolllinter und Ton zur Papierfertigung, was von irgendeinem Fachgeschäft erhalten werden kann, hergestellt. Die Faservliesmatrix wurde wie folgt gebildet:
(1) Mische die Baumwolllinter (1/2 Lage), Ton (1/2 Teelöffel) und Wasser (3 Tassen); (2) Kombiniere den Baumwolllinter, den Ton und das Wasser in einem Mischer; (3) Gieße die Mischung aus dem Mischer in eine Petrischale, die als eine Form dient; (4) Presse die Aufschlämmung in einen 1/4-Inch dicken Kuchen; und (5) Backe bei etwa 70°C (158°F) für etwa 3 Stunden.
Die Ansprechenden Gele
Zwei Gele wurden in diesen Experimenten verwendet, nämlich Hydroxypropylcellulose (HPC) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC).
Die allgemeine, zum Herstellen eines HPC-Polymergels verwendete Methode bestand darin, eine wässrige Basislösung des HPC-Polymers mit Vinylsulfon zu vernetzen. Zuerst wurde eine 0,2 bis 10-%ige wässrige Lösung von HPC (Aldrich, MW = 100.000, 15.000 cP für eine 2-%ige Lösung) hergestellt und über Nacht hydratisieren gelassen. Als nächstes wurde Natriumhydroxid zu der Lösung zugegeben, um den pH-Wert auf über 12 zu bringen. Die Grundlösung wurde in einem Eisbad für etwa 45 Minuten bis 1 Stunde gekühlt, und dann wurde Vinylsulfon (Aldrich) in einem Verhältnis von 0,5 bis 10% des trockenen HPC-Polymergewichts hinzugegeben. Zum Sicherstellen einer homogenen Mischung wurde die Lösung heftig gerührt, bis die Gelierung begann. Die Gelierung wurde über Nacht fortgesetzt. Am nächsten Tag wurde das Gel von dem Behälter entfernt und in frisches destilliertes Wasser getaucht. Ammoniumchlorid und Salzsäure wurden zum untergetauchten Gel zu dessen Neutralisierung zugegeben, und das Gel wurde dann auf über 55°C (131°F) erhitzt, um es zusammenfallen zu lassen. Der Zusammenfallprozess setzt nicht vernetztes Polymer und Restmonomer aus dem Gel zusammen mit dem Wasser frei. Das Gel wurde dann gekühlt, noch einmal in Wasser quellen gelassen, und dann wurde der Erwärmungs- und Zusammenfallprozess einige weitere Male wiederholt.
Eine ähnliche Prozedur wurde zum Herstellen des HPMC-Polymergels verwendet, außer dass das Anfangspolymer HPMC (Sigma) eine Anfangsviskosität von 40 bis 60 cP in einer 2-%igen Lösung aufwies.
Beispiel 1. Gestaltung einer Gel-beschichteten Stoffmatrix
Zwei Ansätze können zum Herstellen einer Gel-beschichteten Stoffmatrix verwendet werden. In einem Ansatz wird das Gel auf den Webstoff appliziert. Der zweite Ansatz besteht darin, den Garn oder die Fasern zuerst zu beschichten und dann das beschichtete Material zum Bilden des Stoffs zu weben oder zu stricken. In diesen Experimenten wurde die erste Methode verwendet. In der Praxis können jedoch jeder Ansatz verwendet werden.
Mehrere Methoden zum Beschichten des Webstoffs unter Verwendung von Quervernetzern wurden getestet. In einem Fall wurde der Stoff im HPC-Polymer eingetaucht, während es quervernetzt wurde. In einem anderen wurde der Stoff in einem Quervernetzer eingetaucht, in eine Lösung vom HPC überführt und dann in eine Petriplatte gebracht, wo die Reaktion zum Abschluss gebracht wurde.
Die Wirkung der Polymerisierung des Films bei Temperaturen oberhalb und unterhalb der Umwandlungstemperatur des Polymers wurde ebenfalls untersucht. Diese Tests erfolgten mit HPC. Ein Satz von Filmen wurde bei 75°C (167°F) polymerisiert, und ein anderer Satz bei Raumtemperatur. Jeder Test schloss einen Film ein, der das Baumwollstoffsubstrat enthielt, und eine Kontrolle, wo das nicht der Fall war. Das Gel, welches oberhalb der Umwandlungstemperatur polymerisiert wurde, bildete einen weißen opaken Film, der gut an der Stoffmatrix anheftete, jedoch keinerlei Temperatur ansprechen zeigte. Wie erwartet zeigte das Gel, welches bei Raumtemperatur gehärtet wurde, ein Temperaturansprechen.
Diese Beschichtungstests zeigten, dass HPC- und HPMC-Gele erfolgreich an Baumwollstoffe geheftet werden konnten. Beobachtungen unter dem Mikroskop und Fließtests (siehe unten) zeigten, dass zunehmende Polymerlösungs- und Quervernetzerkonstellationen zu verbesserter Festigkeit des Gels und der Gel/Substrat-Bindung führte. In der Praxis sind Konzentrationen vorzugsweise auf ein Maximum von etwa 10% begrenzt, um Schwierigkeiten beim Mischen der Lösungen zu verhindern, und ebenso aus Kostengründen.
Die bevorzugte Beschichtungusmethode besteht darin, einen Film des Gels auf den Stoff zu gießen und diesen dann polymerisieren zu lassen. Gelfilme wurden unter Verwendung von 10 Gew.-% Polymerlösung gegossen, zu der 10% Vinylsulfon-Quervernetzer hinzugefügt wurde. Der Quervernetzungsprozentsatz ist berechnet als Gewicht des Quervernetzers pro Einheitsgewicht des Polymers. Das quervernetzte Gel wurde auf beiden Seiten des Stoffs geschichtet, welcher dann zwischen zwei Glasplatten gelegt wurde, während das Gel härtete. Die Glasplatten waren mittels Band getrennt, um einen Zwischenraum (Filmdicke) von etwa 300 μm bereitzustellen.
Obgleich der Gelfilm auf dem Stoff kontinuierlich gebildet und undurchlässig erschien, zeigten Tests, dass das Medium gegenüber Wasserströmung durchlässig war. Gegebenenfalls können Poren im Filter zum Beispiel durch Nadeln oder Falten des Filtersystems unter Spannung gebildet werden.
Beispiel 2. Vernetzte Schaummatrix
Ein Bedenken beim Imprägnieren von vernetzten Schäumen mit dem ansprechenden Gel bestand darin, dass Polyurethan, welches für die chemische Vorbehandlung verwendet wurde, in hochbasischen Lösungen, die zum Aktivieren der Cellulose für die Quervernetzung mit Vinylsulfon erforderlich sind, nicht stabil sein könnten. Eine andere Sorge bestand darin, dass das Cellulosegel nicht an den Schaum binden könnte. Proben des vernetzten Schaums, der von Crest Foam, Inc, Moonachie, NJ. erhalten wurde, wurden in Wasser und in konzentrierte Base gebracht, um ihre Vernetzungseigenschaften und Stabilität zu testen. Die Schäume wurden durch das Wasser gut benetzt. Nach zwei Tagen des Eintauchens in Natriumhydroxidlösung (pH > 12) trat keine augenscheinliche Hydrolyse auf. Mehrere Versuche wurden dann unternommen, HPMC im Inneren des Schaums querzuvernetzen. Kleine Abschnitte des Schaums wurden in das HPMC-Gel eingetaucht und dann Härten gelassen. Diese Tests zeigten, dass eine gute Schaum/Gel-Bindung erhalten werden konnte, das aber eine kontrolliertere Technik wie das Ziehen der Lösung in den Schaum unter Vakuum erforder lich war, um eine Beschichtungsdicke zu erhalten, die gleichförmig war oder die mit der Tiefe fortlaufend zunahm.
Beispiel 3. Faservliesmatrix
Zwei Methoden des Umwandelns des Papiers in einen Filter variabler Durchlässigkeit können verwendet werden. In einer Methode wird das präparierte Papier in Gellösung eingetaucht, während quervernetzt wird. In der zweiten Methode werden hydratisierte, zerstoßene Gelkügelchen mit Baumwolllinter kombiniert, wenn das Papier gemacht wird.
Die erste Methode wurde in diesen Experimenten verwendet. Jedoch kann jede Methode beim Bilden der Faservliesmatrix verwendet werden. Die verwendete Prozedur war wie folgt: Stelle eine 10 Gew.-%ige Lösung des basischen wässrigen HPMC her. Diese Lösung, die viskoser war als ähnliche Lösungen von HPC, wurde für eine Stunde eisgekühlt, bevor Vinylsulfon-Quervernetzer bei 10% des Trockengewichts des HPMC hinzugefügt wurde. Die Lösung wurde heftig gerührt, und dann wurde der trockene Papierkuchen darin eingetaucht. Die Quervernetzung wurde übernacht ablaufen gelassen.
Beispiel 4. Gravitätsfließsystem
Zwei Testschleifen wurden aufgebaut, um die Fließtests der Filter variabler Durchlässigkeit durchzuführen: (1) ein kleines Gravitätsfließsystem wurde verwendet, um die Veränderungen bezüglich der Durchlässigkeit zu bestimmen, die aus der Fasenumwandlung resultierte, und (2) ein größeres System wurde verwendet, um die Filtrations- und Rückwasch/Vorwärtsspülungs-Tests durchzuführen.
Die für diese Fließtests verwendete Ausrüstung bestand im wesentlichen aus einer 100 ml-Bürette, die durch einen kurzen Schlauchabschnitt mit einem Kunststofffilterhalter verbunden war, der mit einer Belüftungsöffnung ausgerüstet war. Ein Wärmeband wurde um die Bürette gewickelt, um zu helfen, dass erhöhte Temperaturen erhalten blieben. Der Filterhalter wurde unter Wasser gefüllt, um alle Luftbläschen zu entfernen, und wurde in einem Wasserbad konstanter Temperatur eingetaucht. Im Fall der Meerwassertests wurden anstelle des Wasserbads konstanter Temperatur, das codiert werden könnte, ein 10-Liter-Becher und ein Eintauchheizer (Cole-Parmer) verwendet. In diesem Fall war die Temperaturkontrolle weniger genau (±2°C anstellte von ±1°C). Der Rest der Ausrüstung blieb gleich. Tests wurden mit DI und Meerwasser gemacht, um den Unterschied in der Fließrate durch den Stoff zu bestimmen, sowohl unterhalb als auch oberhalb der Umwandlungstemperatur.
Beispiel 5. Filtrationstestschleife
Die für die Filtrationstests verwendete Fließschleife ist in 8 gezeigt. Das System ist ähnlich zu der für die Routinefiltertests verwendete Ausrüstung (siehe Swiedzbin, J.R.; Uberruy T.; Janas, J.J. "Sizing Up Disposable Cartridge Filters." Chemical Engineering, 103(1), 104–108, Januar 1996). Es besteht aus zwei Wasserlagerungsreservoirs, einer Zentrifugenpumpe, einem Strömungsmesser, dem Filtermodul und einem Backup-Filter. Ein Reservoir wurde für Wasser bei Raumtemperatur verwendet, während das Wasser im zweiten Reservoir oberhalb der Umwandlungstemperatur gehalten wurde unter Verwendung eines Eintauchheizers und eines Temperatursteuergeräts. Die Testteilchen (SiL-Co-Sil-75 gemahlenes Siliziumdioxid von U.S. Silica) wurden in Suspension in einem Rührbehälter gehalten und unter Verwendung einer Dosierpumpe dem zirkulierenden Wasser gerade stromaufwärts des Filtermoduls zugeführt. Nach dem Durchströmen der Filter kehrte das Teilchenfreie zirkulierende Wasser zum Lagerungsreservoir zurück. Zum Überwachen des Beladungsausmaßes des Filters wurde ein 0 bis 69 × 103 Pa(10 psi)-Differenzialdruckmessgerät (Dwyer Capsohelic) quer zum Filter variabler Durchlässigkeit angelegt. Das Filtermodul konnte für die Rückwaschung des Filters umge kehrt werden. Dieses Betriebsmerkmal ist jedoch nicht zwingend, da das Filter variabler Porengröße der vorliegenden Erfindung vollständig regeneriert werden kann durch Vorwärtsspülung. Die Gel-beschichteten Stoff-Filtermedien wurden an Ort und Stelle im Filtergehäuse unter Verwendung des in 9 gezeigten Schnapp/Ring-Zusammenbaus gehalten. Aus dem gehärteten, Gelbeschichteten Stoff ausgeschnittene Scheiben wurden auf dem Trägerring platziert, und ein zweiter, etwas kleinerer Ring "schnappte" dann passend hinein. Der kleinere Ring hielt den beschichteten Stoff unter geringer Spannung im äußeren Ring, wie in 10 gezeigt. Der in den Experimenten verwendete Filter war 1,5 Inch im Durchmesser. Der Ringzusammenbau war so ausgestaltet, dass mehrere Lagen Stoff gehalten wurden. Tests wurden unter einem Fließbereich von 1 bis 22 gpm/ft² (Frontgeschwindigkeit von 0,13 bis 2,9 ft/min) durchgeführt. Die niedrigeren Flüsse entsprechen eher der Betriebspraxis, während die höheren Geschwindigkeiten verwendet wurden, um einen strengen, dynamischen Test der Gel-Substrat-Bindungsfestigkeit und Integrität des Filtermediums zu liefern.
Die Geschwindigkeit der Beladung des Filters wurde durch Einstellung der Aufschlämmungskonzentration, der Aufschlämmungsinjektionsrate und dem Filterfluss gesteuert. Beide Reservoirs enthielten synthetisches Meerwasser. Wasser aus dem kalten Reservoir wurde während des Filtrationszyklus verwendet, und Wasser aus dem erwärmten Reservoir wurde zum Spülen verwendet. Getrennte Backup-Filter wurden verwendet, um die Teilchen zu sammeln, welche den Filter bei der Filtration passierten, sowie diejenigen, die beim Spülen aus dem Filter entfernt wurden. Die Menge und die Größenverteilung der Teilchen, die während allen Modi des Betriebs gesammelt wurden, wurden zum Bestimmen der Filterleistungsfähigkeit verwendet. Der Druckabfall quer über den Filter zu Beginn eines Zyklus und nach dem Spülen wurde verwendet, um die Wirksamkeit des Spülungsprozesses zu bestimmen.
Beispiel 6. Umwandlungstemperaturen
Die Umwandlungstemperaturen wurden unter dem Mikroskop nachgewiesen, in dem das Gel langsam erwärmt wurde und der Punkt notiert wurde, wo die Präzipitation auftrat. Die Umwandlungstemperaturen der HPC-Gele (10%-Polymerlösung, 10% Quervernetzungsgrad) in DI-(deionisiertes) und Meerwasser sowie von HPMC-Gel (ebenfalls 10%-Polymerlösung, 10% Vernetzungsgrad) in mehreren Salzwasserlösungenkonzentrationen sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Es wurde eine gewisse Hysterese beobachtet, als der Prozess umgekehrt wurde und die Gel-Stoff-Proben gekühlt wurden, aber es wird angenommen, dass die Umwandlungstemperaturen innerhalb weniger Grade genau sind. Tabelle 2 Umwandlungstemperatur von HPC und HPMC in Deionisiertem Wasser und Salzwasser
Die Umwandlungstemperatur um 60°C (140°F) für das HPMC-Gel in Meerwasser wird als für den praktischen Gebrauch akzeptabel angesehen. Es ist ausreichend weit oberhalb des Maximums, das für eine Betriebstemperatur von 35°C (95°F) erwartet wird, um ein Zusammenfallen eines Teils des Gels beim Betrieb zu verhindern, ist jedoch noch nicht so hoch, dass es zu hohem Energieverbrauch für das Rückwaschen/Vorwärtsspülen führt.
Beispiel 7. Filterdurchlässigkeit
Das oben im Beispiel 4 beschriebene Gravitätsfließgerät wurde zum Bestimmen der Veränderungen der Durchlässigkeit durch die HPMC-beschichteten Stoffe im Fall von über und unter der Umwandlungstemperatur verwendet. Drei Experimente wurden ausgeführt, eins mit dem Gel-beschichteten Stoff im Filterhalter, und zwei Kontrollen. In einem Kontroll wurde ein unbeschichteter Stoff in den Halter eingebracht, und in der anderen Kontrolle war der Filterhalter leer. Die Kontrollen wurden zur Bestätigung gemacht, das irgendein bei der Fließrate gemessener Unterschied auf dem Ansprechen der Temperaturumwandlung des Gels und nicht auf anderen Temperaturbezogenen Wirkungen beruhte. Zum Beispiel ist bekannt, dass die Viskosität von 1,002 auf 0,404 mPa·s abfällt, wenn die Temperatur von 20 auf 70°C (68 bis 158°F) ansteigt (siehe Handbook of Chemistry and Physics. 76. Ausgabe, CRC Press, Boga Raton LA. Seite 6–10, 1995). Die Veränderung bei der Viskosität könnte zu einer äquivalenten Erhöhung der Fließgeschwindigkeit führen, das der vorrangige Widerstand gegenüber dem Fluss aufgrund von Viskositätsverlusten wäre.
Die Zeit, die für 100 ml Wasser erforderlich war, von der Bürette durch den Filterhalter zu fließen, wurde bei niedriger, mittlerer und hoher Temperatur verglichen. Während der Tests zyklisierte der Gel-beschichtete Stoff mehrere Male bis über die Umwandlungstemperatur. Zwei Datensätze wurden erhalten und ähnliche Ergebnisse wurden jedes Mal erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 für die Deionisiertes Wasser und in Tabelle 4 für ASTM-Standardmeerwasser zusammengestellt. Tabelle 3 Fließgeschwindigkeit von Deionisiertem Wasser durch die Filtereinheit

Tabelle 4 Fließgeschwindigkeit von Synthetischem Meerwasser durch die Filtereinheit
Im Gegenwart des Gel-beschichteten Stoffs stieg die Fließrate von DI-Wasser durch das System um 38% von 0,68 auf 0,94 mL/s bei Erhöhung der Temperatur von 17 auf 70°C. In den Kontrollexperimenten stieg die Fließgeschwindigkeit um 8% oder weniger, was anzeigt, dass der gemessene Flussanstieg in Gegenwart des beschichteten Stoffs tatsächlich aufgrund des Zusammenfalls des Gels oberhalb der Umwandlungstemperatur beruhte. In den Tests mit Meerwasser betrug der Anstieg der Fließgeschwindigkeit etwa 21% in Gegenwart des Gel-beschichteten Stoffs im Vergleich zu weniger als 6% für die Kontrollen. In diesen Tests war der Temperaturanstieg von 20 bis 65°C. Ein Vergleich der Fließgeschwindigkeiten für die zwei Arten von Wasser durch den Gelbeschichteten Stoff zeigte, dass die Fließgeschwindigkeit bei 20°C in Meerwasser etwa das gleiche war wie die Fließgeschwindigkeit bei 35°C mit DI-Wasser. Dies ist zu erwarten im Hinblick auf die niedrigere Umwandlungstemperatur in Gegenwart von Meerwasser.
Beispiel 8. Leistungsfähigkeit des Filters variabler Durchlässigkeit
Leistungstests wurden unter Verwendung der oben im Beispiel 3 beschriebenen und in 8 gezeigten Filtertestschleife durchgeführt. Alle getesteten Filter wurden hergestellt durch Bilden eines Films von Hydroxypropylmethylcellulose(HPMC)-Gel auf einem 370 μm-maschigen Baumwollstoff. Die hergestellten Filter bestanden entweder aus einer einzelnen Schicht (einlagig) oder einer Zweifachschicht (zweilagig) des Stoffs. Ein Kontrollfilter, der aus einer einzelnen Schicht unbeschichteten Stoffs bestand, wurde ebenfalls getestet.
Alle Tests wurden in synthetischem Meerwasser durchgeführt. Für Filtrationsläufe wurde eine konzentrierte Aufschlämmung von Sil-Co-Sil 75 gewähltem Siliziumdioxid (U.S. Silica) in das Meerwasser unmittelbar stromaufwärts des Filters injiziert. Beim Betrieb im Filtriermodus (geschwollenes Gel) wurde die Meerwassertemperatur im Bereich 22 ± 5°C gehalten; das für die Spülung (zusammengefallenes Gel) verwendete Meerwasser war bei 65 ± 5°C.
Beispiel 9. Fluss- und Druckabfall-Tests
Diese Tests wurden mit reinem Meerwasser (ohne zugefügte Teilchen) bei niedrigen und hohen Temperaturen durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Gelbeschichtung wie erwartet anschwoll und zusammenfiel, und ob die resultierende Veränderung der Durchlässigkeit einen messbaren Effekt auf den Drückabfall quer zum Filter besaß. Die Tests wurden mit der Kontrolle (keine Gelbeschichtung), zwei einlagigen Filtern und einem zweilagigen Filter durchgeführt. Flüsse waren im Bereich von 2 bis 25 gpm/ft², dadurch den Bereich von typischen bis sehr hohen Filtrationsgeschwindigkeiten abdeckend. Die Ergebnisse sind in den 11 bis 14 zusammengefasst.
Wie erwartet war der Druckabfall quer zum Kontrollfilter ( 11) im wesentlichen vernachlässigbar. Ferner gab es keine signifikante Veränderung im Druckabfall quer zur Kontrolle beim Betrieb mit warmem oder mit kaltem Wasser. Bei wiederholten Läufen wurden nahezu identische Ergebnisse erhalten.
Das Druckabfallverhalten änderte sich dramatisch beim Wechsel auf Gel-beschichtete Stoffe (12 bis 14). Diese Filter zeigten signifikant unterschiedliche Druckabfälle beim Betrieb im geschwollenen und im zusammengefallenen Modus. Im Fall des geschwollenen Modus war der Druckabfall relativ hoch und stieg mit ansteigendem Fluss an. Im zusammengefallenen Modus blieb der Druckabfall relativ niedrig. Im Vergleich zum Verhalten des Kontrollfilters (11) wird klar, dass die Gel-Beschichtung wie erwartet auf die Temperatur ansprach, und das der Gelbeschichtete Stoff sich wie ein Filter variabler Durchlässigkeit verhielt.
Der Druckabfall quer zum zweilagigen Filter (14) war etwa der gleiche wie derjenige des einlagigen Filters A (12) und etwa die Hälfte desjenigen des einlagigen Filters B ( 13). Der Unterschied im Druckabfall unter den unterschiedlichen Filtern scheint hauptsächlich in den Variationen der Dicke des Gelfilms auf dem Stoff begründet zu sein. Es ist jedoch möglich, dass etwas von der Variation im Druckabfall auf Unterschiede in der inhärenten Durchlässigkeit des Gels begründet sein könnte. Diese Durchlässigkeit kann mit Herstellungstechniken, einschließlich der Menge an Quervernetzung, sowie mit Unzulänglichkeiten des Gelfilms selbst in Verbindung stehen. Zusätzlich könnte die Belastung, die dem Stoff bei dessen Einschnappen in den Ringträger auferlegt wird, die Gel/Stoff-Bindung mechanisch abbauen, insbesondere um den äußeren Durchmessers des Filters herum, wo die meiste Strömung auftritt.
Die Testergebnisse zeigten auch, dass wiederholte Läufe sich für die unterschiedlichen Filter unterschiedlich verhielten. Im Fall e des zweilagigen Filters waren die Druckabfälle im wesentlichen in den wiederholten Läufen identisch. Im Fall des einlagigen Filters A (12) war der Druckabfall im zweiten Lauf höher um etwa 3,4 5 × 103 Pa (0,5 psi) (17%) bei höheren Fließraten. Im Fall des einlagigen Filters B (13) nahm der Druckabfall in jedem der beiden Wiederholungsläufe ab, wobei der Unterschied bei den niedrigen Fließraten am deutlichsten war. Diese Abnahme im Druckabfall könnte der schwachen Gel/Stoff-Bindung und dem Verlust des Gels aus dem Stoff im Lauf der Zeit zugeschrieben werden. Die Daten zeigten jedoch eine bestimmte "Wiedererlangung" im Druckabfall bei höherem Fließraten – siehe zum Beispiel Lauf 3 in der 13. Dieses Verhalten deutet an, dass im Fall des einlagigen Filters B das Gel zu Beginn der kalten Läufe nicht vollständig geschwollen war. Zusätzlich ist es auch möglich, dass die Filter mehrere Schwell/Zusammenfall-Konditionierzyklen durchlaufen müssen, bevor sie sich auf ein stetiges Verhalten einstellen.
Beispiel 10. Testteilchencharakteristika
Die Dichte und Größenverteilung des Sil-Co-Sil 75 gemahlenen Siliziumdioxids wurden durch P/M Lab bei der Staatlichen Penn bestimmt (siehe Champbell L.; Coven, K. "Particle Size Analysis of Silica." Foster-Miller, Inc. Übermittelte Analysereport. P/M Lab, Department of Engineering Science and Mechanics, Pennsylvania State University, University Park, PA, 27. Mai 1999; und Cowan, K., Foster-Miller, Inc. übermittelte Brief und Daten, P/M Lab. Department of Engineering Science and Mechanics, Pennsylvania State University, University Park, PA., 4. Juni 1999). Die dichte wurde unter Verwendung eines Micrometrics Accu Pyc 1330-Helium Pycnometer gemessen und auf 2,66 kg/L bestimmt. Die Teilchengrößenverteilungen wurden auf einem TSI-AeroSizer, einem Coulter LS230 (Laserdiffraktion) und PSS 770A (Lichtblockade) bestimmt. Die Daten mittlerer Größe sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5 Gemessene Teilchengrößen des Sil-Co-Sil 75
Die Coulter-Daten zeigten die Näheste Übereinstimmung mit den aus den Daten des Herstellers erhaltenen Werten (D₅₀ = 22 μm und D₉₀ = 51 μm) und wurde als Testinstrument zur Bestimmung der Größenverteilung von Proben ausgewählt, die während den Filtrationstests erhalten wurden.
Beispiel 11. Filtereffizienz
Die Teilchen wurden in einer Aufschlämmung suspendiert und in den Meerwasserstrom injiziert unter Verwendung einer peristaltischen Pumpe. Zum Aufrechterhalten einer konstanten Injektionsgeschwindigkeit musste die Geschwindigkeit der peristaltischen Pumpe erhöht werden, um den zunehmenden Rückdruck zu kompensieren in dem Masse, wie der Druckabfall quer zum Filter anstieg. Die erforderliche Festlegung der Geschwindigkeit ist in der Kalibrierungskurve von 15 gezeigt.
Die Prozedur zum Laufen der Filtertests bestand darin, das Teilchen beladene Meerwasser bei festgelegter Fliessgeschwindigkeit zu filtrieren, während der Druckabfall quer zum Filter beobachtet wurde. Als der Druckabfall übermäßig wurde, wurde der Lauf gestoppt und das Filter wurde mit einem Strom von warmem Meerwasser gespült, bis der Druck nahezu zu seinem ursprünglichen reinen Wert zurückkehrte. Für diese Tests wurde die Spülung in derselben Richtung wie die Filtration betätigt, so dass die eingefangenen Teilchen durch das Filter gespült werden mussten (Vorwärtsspülen). Dies lieferte einen strengeren Test der Teilchenfreisetzungsfähigkeiten des Filters, als wenn es durch die Rückwaschung erhalten worden wäre.
Diagramme zum Druckabfall gegenüber der Zeit sind in 16 für die Kontrolle und das einlagige Filter gezeigt. Der Druckabfall quer zum einlagigen Filter nahm von 0 auf etwa 4,83 × 10⁴ Pa (7 psi) in der Zeitperiode von 20 Minuten zu beim Filtern von Meerwasser, welches 100 mg/L der Siliziumdioxidteilchen bei einem Fluss von 7,25 l/s·m2 (10,7 gal/min/ft²) enthielt. Die Kontrolle zeigte keine Veränderung im Druckabfall über die gleiche Zeitperiode. Beim Ausspülen des Filters mit 75°C (149°F)-Meerwasser kehrte der Druckabfall rasch nahezu zu seinem ursprünglichen Wert von etwa 3,45 × 103 Pa (0,5 psi) zurück. Die Menge an Wasser, die zum Spülen erforderlich war, konnte nicht exakt bestimmt werden, da das meiste des Spülwassers zum Erwärmen der Schläuche und des Filters diente. Der Druckabfall kehrte innerhalb von etwa 30 Sekunden nach Erreichen der Temperatur des Ausstoßstroms der Umwandlungstemperatur auf seinen anfänglichen Wert zurück.
Die Menge an Teilchen, die im filtrierten Meerwasser zurückblieben, und die Menge an Teilchen, die aus dem aktiven Filter während des Spülungsprozesses entfernt wurden, wurden verwendet, um die Traktion an Teilchen zu berechnen, die eingeschlossen worden waren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengefasst. Tabelle 6 Berechneter Teilchen-Einfang (Fluss = 10,7 gal/min/ft²)
Das während des Filtrationszyklus gesammelte Filtrat blieb beim Stehen lassen trüb, was zeigt, dass die Teilchen, die durch das Filter hindurchgingen, hauptsächlich Feinteilchen waren. Im Gegensatz dazu setzten sich die Teilchen im Spülwasser unmittelbar ab, was zeigt, dass die Teilchen, die durch den aktiven Filter eingeschlossen waren, relativ grob waren. Der Unterschied in der Teilchengröße konnte auch fühlbar wahrgenommen werden. Teilchen, die in den Läufen 4 und 5 gesammelt wurden, wurden zur Teilchengrößenanalyse verschickt. Die Teilchenverteilungsdaten sind in Tabelle 7 zusammengefasst und bestätigen die Beobachtungen, dass die Teilchen, die durch den Filter liefen (die Feinteilchen), beträchtlich feiner waren als jene, die eingeschlossen wurden. Die Daten sind in 17 für Lauf 4 und in 18 für Lauf 5 grafisch gezeigt. Tabelle 7 Teilchengrößenverteilung der Filtrierten und Feinteilchen
Die Teilchengrößenverteilungen (17 und 18) und die Daten faktioneller Entfernung (Tabelle 6) wurden zum Berechnen der Entfernungseffizienz verwendet, die durch den aktiven Filter für die spezifischen Teilchengrößenbereiche erzielt wurden. Diese Daten sind in Tabelle 8 zusammengefasst und zeigen die erwartete niedrige Entfernungseffizienz für Feinfeinteilchen von kleiner als 20 mm und die gute Entfernung für gröbere Teilchen von größer als 60 μm. Der einlagige Filter (Lauf 4) besaß eine Ausschlussteilchengröße in er Nähe zu 20 μm, wohingegen diejenige für das zweilagige Filter näher an 60 μm lag. Der zweilagige Filter besaß ebenso einen niedrigeren Druckabfall, was konsistent ist mit seiner höheren Ausschlussteilchengröße. Tabelle 8 Teilchenentfernungseffizienz des Filters Variabler Durchlässigkeit
Beispiel 12. Herstellung eines Filters variabler Durchlässigkeit aus N-Isopropylacrylamid
N-Isopropylacrylamid (0,1 Mol) und N,N-Methlenbisacrylamid (0,005 Mol) wurden eingewogen und in 100 ml deionisiertem Wasser in einem Erlenmeyerkolben aufgelöst. Der Kolben wurde mit einem Stopfen verschlossen und Stickstoff wurde durch die Lösung für 1 Stunde geblasen, um Sauerstoff zu entfernen. 0,001 Mol Ammoniumpersulfat, ein Initiator, wurde in einem getrennten Gefäß eingewogen. Ein Gaze-Baumwollstoff, in den ein Faden aus rostfreiem Stahl eingenäht wurde, wurde hergestellt und auf einer Glasplatte platziert. Der Zweck des Stahlfadens bestand darin, als ein elektrisches Erhitzungselement zu wirken, um das Gel zusammenfallen zu lassen. Alles an Ausrüstung und Lösungen wurde dann in eine Handschuhtasche eingebracht, die mehrmals mit Stickstoff durchblasen wurde. Sobald der gesamte Sauerstoff aus der Umgebung entfernt wurde, wurde der Initiator in die Monomerlösung eingerührt, und die Prä-Gellösung wurde auf den Stoff gegossen. Eine Gummidichtung wurde verwendet, um die Prä-Gellösung zu halten, als diese sich verfestigte. Der Isopropylacrylamidimprägnierte Stoff war zur Verwendung als Filtermedium variabler Durchlässigkeit geeignet.
Obgleich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung spezieller Ausdrücke beschrieben wurde,, dient diese Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken, und es ist klar, dass Veränderungen und Variationen gemacht werden können, ohne vom Kern oder dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche sich zu entfernen.

Claims

Gel-beschichtetes oder -imprägniertes Substrat, durch welches ein Fluidstrom bei einer Geschwindigkeit von größer als Diffusion passieren gelassen werden kann, wobei das Substrat durch ein ansprechendes Gel beschichtet oder imprägniert ist, welches Poren oder Hohlräume umfaßt, wobei das Volumen der besagten Poren oder Hohlräume sich in Antwort auf eine Veränderung einer Umgebungsbedingung verändert, dadurch gekennzeichnet, daß das ansprechende Gel einen expandierten Zustand, in dem die besagten Poren oder Hohlräume bezüglich der Größe verringert sind, dabei eine verminderte Durchlässigkeit gegenüber einem teilchenartigen Stoff in einem Filtermodus bereitstellend, und einen geschrumpften Zustand, in dem die Poren oder Hohlräume bezüglich der Größe vergrößert sind, dabei eine erhöhte Durchlässigkeit gegenüber dem teilchenartigen Stoff bereitstellend, aufweist.
Substrat von Anspruch 1, bei dem sich die Volumenveränderung der Zwischenporen reversibel in Antwort auf die besagte Veränderung der äußeren Umgebungsbedingung verändert.
Substrat von Anspruch 1, bei dem die äußere Umgebungsbedingung ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Temperatur, Lösungsmittelzusammensetzung, pH, Vorliegen von Ionen, Innenstärke, Gegenwart von Licht, Gegenwart von elektrischem Feld, Gegenwart von magnetischem Feld und Druck besteht.
Substrat von Anspruch 1, wobei das Zusammensetzungsmaterial ein thermisch ansprechendes Gel umfaßt.
Substrat von Anspruch 4, wobei das ansprechende Gel ein Polymergel umfaßt.
Substrat von Anspruch 5, wobei das Polymergel mindestens ein Polymer umfaßt.
Substrat von Anspruch 6, wobei das Polymer quervernetzt ist.
Substrat von Anspruch 5, wobei das Polymergel mindestens eines unter Hydroxypropylcellulose (HPC) oder Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) umfaßt.
Substrat von Anspruch 8, wobei das HPC oder HPMC quervernetzt ist.
Substrat von Anspruch 9, wobei der Quervernetzer aus einer Polysäure stammt.
Substrat von Anspruch 10, wobei der Quervernetzter auf Adipinsäure basiert oder auf Bernsternsäure basiert.
Substrat von Anspruch 11, wobei der Quervernetzter Adipoylchlorid oder Bernsternsäurechlorid ist.
Substrat von Anspruch 4, wobei das ansprechende Gel eine Umwandlungstemperatur von mehr als etwa 35°C (95°F) aufweist.
Substrat von Anspruch 14, wobei das ansprechende Gel eine Umwandlungstemperatur von mehr als etwa 35°C (95°F) in Meerwasser aufweist.
Substrat von Anspruch 1, wobei die Veränderungen im Volumen der Zwischenporen oder Hohlräume die Durchlässigkeit des Gel-beschichteten oder -imprägnierten Substrats verändert.
Filtersystem, welches ein Gel-beschichtetes oder -imprägniertes Substrat gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15 umfaßt.
Filtersystem von Anspruch 16, wobei das Substratmaterial ein Tiefenfilter umfaßt.
Filtersystem von Anspruch 17, wobei das Tiefenfilter unter Verwendung von Garn, Webstoff, vernetztem Schaum oder Faserflies gebildet ist.
Filtersystem gemäß Anspruch 16, ferner mit den erforderlichen Pumpen, Anschlüssen, Ventilen oder anderen Fluidübertragungs- und Fluidsteuerungs-Vorrichtungen, um das Fluid durch das Gel-beschichtete oder -imprägnierte Substrat strömen und filtern zu lassen.
Filtersystem von Anspruch 19, ferner mit einer Einrichtung zum Bewirken der Veränderung der äußeren Umgebungsbedingung.
Filtersystem von Anspruch 19, wobei die Einrichtung zum Bewirken der Veränderung der äußeren Umgebungsbedingung eine elektrische Verdrahtung umfaßt, die im Gel-beschichteten oder -imprägnierten Substrat von Anspruch 1 verteilt ist, wobei elektrischer Strom durch die Verdrahtung passieren gelassen werden kann und die Temperatur des Gel-beschichteten oder -imprägnierten Substrats von Anspruch 1 anheben kann.
Verfahren zum Reinigen eines Fluids, umfassend: (a) Bereitstellen eines Gel-beschichteten oder -imprägnierten Substrats gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15; (b) Verringern der Größe der Poren des ansprechenden Gels; (c) Veranlassen eines Fluids, in einem Vorwärtsstrom durch das ansprechende Gel zu fließen; und (d) Veranlassen von Materialien im Fluid mit einer Größe, die größer ist als die Größe der Poren des ansprechenden Gels, durch das ansprechende Gel zurückgehalten zu werden und daran gehindert zu werden, durch das ansprechende Gel zu fließen.
Verfahren von Anspruch 22, ferner umfassend: (e) Expandieren der Poren des ansprechenden Gels; (f) Liefern eines Fluidstroms durch das ansprechende Gel in einer Rückwärtsströmung zum Freigeben des durch das ansprechende Gel zurückgehaltenen Materials; und (g) wahlweise Wiederholen der Schritte (b) bis (f).
Verfahren von Anspruch 22, wobei das Fluid im wesentlichen wässrig ist.
Verfahren von Anspruch 22, wobei das Fluid im wesentlichen nicht-wässrig ist.
Verfahren von Anspruch 22, wobei das Fluid auf Erdöl basiert.