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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Eingießen von Filterungshohlfasermembranen
in einem Kopfelement sowie Kopfelemente eingegossener Hohlfasermembranen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Um
mit Hohlfasermembranen zu filtern oder zu permeieren, muß eine große Anzahl
von dünnen Hohlfasern
derart an einem Kopfelement befestigt sein, daß ihre Außenflächen völlig dicht mit dem Äußeren des
Kopfelements verbunden sind, ihre Lumina jedoch zu einem Innenraum
in dem Kopfelement hin offen sind. Dann wird der Innenraum des Kopfelements
mit einer Saug- oder Druckquelle verbunden, um über die Wände der Membranen einen Transmembrandruck
zu schaffen.
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In
U.S.-Patent Nr. 5 639 373 werden die Enden einer Anordnung beabstandeter
Fasern in eine flüchtige
Flüssigkeit,
wie beispielsweise Wachs, eingetaucht, bis die flüchtige Flüssigkeit
sich um sie herum verfestigt. Dann gießt man eine Fixierungsflüssigkeit,
wie beispielsweise ein Harz, über
die flüchtige
Flüssigkeit
und läßt sie um
die Membranen erhärten.
Die flüchtige
Flüssigkeit
wird dann beispielsweise durch Erwärmen oder Auflösen entfernt,
wobei die Lumina der Membranen zu dem zuvor durch die flüchtige Flüssigkeit
besetzten Raum hin offen gelassen werden. In U.S.-Patent Nr. 6 042
677 wird ein ähnliches
Verfahren angewandt, aber die Faseranordnung wird in einem Bett
aus Pulver gehalten, das anstelle der verfestigten flüchtigen
Flüssigkeit
verwendet wird.
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In
U.S.-Patent Nr. 5 922 201 wird eine durchgehende Hohlfaser derart
zu einem Gewebe gemacht, daß benachbarte
Abschnitte der Fasern voneinander beabstandet sind und keine offenen
Enden aufweisen. Ein Rand des Gewebes wird in einen Tiegel mit flüssigem Harz
eingeführt,
das während
seiner Aushärtung
zentrifugiert oder in Schwingung versetzt wird, um ein Einströmen in die
Faserzwischenräume
zu ermöglichen.
Nach der Aushärtung
des Harzes wird der Block aus Harz und Fasern zerschnitten, um das
Gewebe in einzelne Abschnitte von Fasern mit offenen Enden zu trennen.
Dann wird der Harzblock durch Dichtungen an dem Rest eines Kopfelements
angeklebt oder angebracht. Die Verwendung einer Zentrifuge und die
Notwendigkeit der späteren
Anbringung des ausgehärteten
Harzblocks an dem Rest des Kopfelements tragen zu den Kosten und
der Komplexität
des Verfahrens bei. Ferner könnten
die Enden der Fasern beschädigt
werden, wenn letztere in ihrem in dem Harz eingeschlossenen Zustand
geschnitten werden.
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In
der Europäischen
Patentanmeldung Nr.
EP 0 931
582 wird ein elastisches Rohr als Kopfelement verwendet.
In das Rohr wird eine Öffnung
geschnitten und um die Öffnung
herum wird ein Überlauf
aufgebaut. Die offenen Enden der Hohlfasermembranen werden mit gegenseitigem
Abstand hintereinander in die Öffnung
eingeführt,
indem man zunächst
die Öffnung
auseinanderzieht und sie sich dann um die Membranen schließen läßt. Über die
Enden der Membranen wird flüssiges
Harz gegossen und von dem Überlauf
festgehalten, bis es aushärtet. Oberflächenspannung
verhindert, daß das
Harz durch die Öffnung
in die Zwischenräume
zwischen benachbarten Fasern fließt, aber in jeder Öffnung ist nur
eine einzige Faserlage eingegossen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
dem Verfahren in U.S.-Patent Nr. 5 639 373 haben die Erfinder verschiedene
Schwierigkeiten beobachtet. Eine Schwierigkeit besteht darin, daß die flüchtige Flüssigkeit
dochtmäßig bis
zu einer bestimmten Dochtwirkungshöhe an den Fasern entlang hochkriecht.
Um eine gute Verbindung mit dem Äußeren der
Fasern zu gewährleisten,
wird die Fixierungsflüssigkeit
bis zu einer Tiefe aufgebracht, die die Dochtwirkungshöhe der flüchtigen
Flüssigkeit
um eine erforderliche Strecke überschreitet.
Bei Fasern mit großem
Durchmesser, beispielsweise einem Außendurchmesser von ungefähr 2,0 mm,
beträgt
die Dochtwirkungshöhe
etwa 2 bis 10 mm. Dies erfordert die Verwendung von einem geringen Übermaß an Fixierungsflüssigkeit
mit damit einhergehender Kostenerhöhung, aber die Menge des Übermaßes an Fixierungsflüssigkeit
ist überschaubar.
Bei Fasern mit geringerem Durchmesser, beispielsweise einem Außendurchmesser
von etwa 1,0 mm oder weniger, kann die Dochtwirkungshöhe der flüchtigen
Flüssigkeit
5 bis 20 mm betragen. Insbesondere bei diesen Dochtwirkungshöhen erlangt
das erforderliche Übermaß an Dicke
der Fixierungsflüssigkeit
Bedeutung und wird unerwünscht.
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Eine
weitere Schwierigkeit bei dem Verfahren gemäß
US 5 639 373 besteht darin, daß die Fasern
vor dem Einführen
in die flüchtige
Flüssigkeit
mit gegenseitigem Abstand arrangiert sind. Dies liegt daran, daß die flüchtige Flüssigkeit
im verfestigten Zustand die Fasern in jeglicher Beziehung, in der
die Fasern sich beim Platzieren in der flüchtigen Flüssigkeit befinden, hält. Zwar
könnte
eine sehr tiefe Fixierungsflüssigkeitslage
eine willkürliche
Anordnung von in der verfestigten flüchtigen Flüssigkeit fixierten Fasern in
angemessener Weise trennen, aber das Beabstanden der Fasern im voraus
ist eine bevorzugte Lösung,
selbst wenn dem Verfahren gemäß
US 5 639 373 damit ein weiterer
Schritt hinzugefügt
wird.
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Eine
wieder andere Schwierigkeit bei dem Verfahren gemäß
US 5 639 373 besteht darin,
daß das
Arbeiten mit der flüchtigen
Flüssigkeit
häufig schwierig
ist. Verfestigte flüchtige
Flüssigkeiten,
die mit einem Lösungsmittel
aufgelöst
werden, sind der Grund dafür,
daß man
sich um den Umgang mit dem Lösungsmittel
und dessen Entsorgung kümmern muß, und begrenzen
die Auswahl für
das Permeattiegelmaterial auf solche Materialien, die nicht mit
dem Lösungsmittel
reagieren. Zu schmelzende verfestigte flüchtige Flüssigkeiten sind üblicherweise
aus einem Wachs hergestellt, so daß ihre Schmelztemperatur gering
ist. Wachse können
jedoch mit vielen ansonsten geeigneten Permeattiegelmaterialien
reagieren und auch überschaubare,
aber unerwünschte
kleinere Reaktionen mit zweckmäßigen Fixierungsharzen erzeugen.
Aus diesen Gründen
sind Permeattiegel für
die Verwendung bei dem Verfahren gemäß
US 5 639 373 üblicherweise aus teurem glasfaserverstärktem Kunststoff
hergestellt.
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Schließlich besteht
beim Eingießen
von Kopfelementen manchmal eine Schwierigkeit durch "Faserpaarbildung". Bei der Faserpaarbildung
kriecht die Fixierungsflüssigkeit
um 1 bis 2 cm dochtmäßig an den
Fasern hoch, bevor sie aushärtet
und zwei (oder möglicherweise
mehrere) Fasern über
ein kurzes Stück
oberhalb des oberen Teils des Kopfelements miteinander verbindet.
Somit kann eine Seite der Basis einer Faser an einer anderen Faser
haften, während
die andere Seite der Basis der Faser nicht in der verfestigten Fixierungsflüssigkeit
enthalten ist. Unter intensiver Belüftung oder physischem Umgang mit
den Membranen (üblicherweise
unbeabsichtigt beim Transport oder der Wartung oder absichtlich
als Teil des physischen Entschlammens) kann die Basis der Faser
zu ihrer nicht eingeschlossenen Seite gebogen werden. Wenn die Faser
sich von dem Harz, das sie mit einer benachbarten Faser verbindet,
frei reißt,
kann sie beschädigt
werden. Insbesondere bei der Verwendung von Verbundmembranen (wie
beispielsweise ein beschichteter Strang wie in der Beschreibung
des U.S.-Patents Nr. 5 472 607 oder eine mit PVDF beschichtete Polysulfonmembran)
kann die äußere Lage
an dem Harz klebenbleiben, während
der Rest der Faser sich ablöst.
Da die äußere Beschichtung üblicherweise
die kleinsten Poren enthält,
entsteht in der Faser ein Defekt. Die Erfinder haben die Faserpaarbildung
bei dem Verfahren des U.S.-Patents Nr. 5 639 373 beobachtet, nehmen
jedoch an, daß sie
wahrscheinlich bei allen oben beschriebenen Verfahren nach dem Stand
der Technik vorkommt. Die Erfinder erwarten, daß die Faserpaarbildung bei
zentrifugierten Kopfelementen ein geringeres Problem darstellt,
obwohl in diesen Fällen
die Kosten und Komplexität
des Zentrifugierens selbst ein Problem sind. Kurz gesagt, die Erfinder
haben zahlreiche Gebiete aufgetan, in denen die Membraneingießtechnologie
einschließlich
des Verfahrens in dem U.S.-Patent Nr. 5 639 373 verbessert werden könnte.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen
gegenüber
dem Stand der Technik zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die
Kombination der in den Ansprüchen
angeführten Merkmale,
Schritte oder von beidem gelöst.
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In
verschiedenen Aspekten sieht die Erfindung ein Verfahren zum Eingießen von
Filterungshohlfasermembranen in einem Kopfelement gemäß den Ansprüchen 1 und
14 vor. Eine Vielzahl von Hohlfasermembranen wird gesammelt, und
ihre offenen Enden können
in ein Gel in einem Behälter
eingeführt
werden. Das Gel hat eine solche Viskosität und Oberflächenspannung,
daß es
nicht nennenswert dochtmäßig an den
Fasern hochkriecht, und eine solche Dichte, daß es unterhalb einer Fixierungsflüssigkeit, üblicherweise
einem nicht ausgehärteten
Harz, bleibt, das über
dem Gel platziert werden soll. Die Fixierungsflüssigkeit umgibt jede Membran
und wird dann zu einem Festkörper,
der abdichtend mit dem Äußeren jeder
Membran verbunden ist, die Lumina der Membranen jedoch nicht blockiert.
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Die
Membranen haben vorzugsweise Außendurchmesser
von etwa 1 mm oder weniger, beispielsweise zwischen 0,5 und 0,7
mm. Bevor die mehreren Hohlfasermembranen willkürlich in einem Bündel eingegossen
werden, können
sie in einer Anordnung vorliegen. Falls vor dem Eingießen eine
willkürliche
Anordnung vorliegt, sind die Packungsdichte und das Membran- und
Gelmaterial vorzugsweise so gewählt,
daß das
Gel dazu neigt, die Membranen zu verteilen und eine gewünschte Anordnung
mit geringem gegenseitigem Abstand zu schaffen. Außerdem befeuchtet
die Fixierungsflüssigkeit
die Membranen und trennt sie weiter voneinander. Da die Enden der Membranen
nur teilweise von dem Gel gehalten sind, kann die Fixierungsflüssigkeit
die Membranen umgeben und auf Abstand halten, selbst wenn einige Membranen
sich zunächst
in dem Gel berühren.
Alternativ können
die Membranen im voraus mit engem gegenseitigem Abstand angeordnet
sein, bevor ihre offenen Enden in das Gel eingeführt werden, insbesondere, wenn
eine vorbestimmte Beabstandung gewünscht ist.
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Vorzugsweise
wird das Eingießverfahren
in dem Kopfelement durchgeführt.
Aus einem Material, das im wesentlichen nicht mit der Fixierungsflüssigkeit
oder dem Gel reagiert, werden Kopfelementtiegel vorbereitet. Dies
umfaßt üblicherweise
einen breiten Materialbereich, wobei ABS aufgrund seiner geringen
Kosten, Haltbarkeit und leichten Formbarkeit oder Herstellbarkeit
in einer gewünschten
Form bevorzugt ist. Kopfelementtiegel werden mit einer Öffnung zu
einem Innenraum hin versehen, der einen Permeatkanal bildet. Das
Gel wird in dem Kopfelement in dem für den Permeatkanal reservierten Raum
platziert. Dann werden die offenen Enden der Membranen in das Gel
eingeführt.
Die Fixierungsflüssigkeit
wird über
dem Gel platziert. Wenn die Fixierungsflüssigkeit sich verfestigt, dichtet
sie gleichzeitig die Außenflächen der
Membranen ab und bildet einen Stopfen in der Öffnung des Kopfelementtiegels,
um den Permeatkanal zu vervollständigen. Nach
der Verfestigung der Fixierungsflüssigkeit wird das Gel entfernt.
Die verfestigte Fixierungsflüssigkeit bleibt
in einer Position an dem Kopfelementtiegel hängen, in der die offenen Enden
der Membranen mit dem Permeatkanal in Fluidverbindung stehen können. Der
zunächst
von dem Gel besetzte Raum wird nach Entfernung des Gels Teil des
Permeatkanals.
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Vorzugsweise
ist die Fixierungsflüssigkeit ein
Harz, das nach seiner Verfestigung weiter aushärtet, und während der Aushärtung des
Harzes kann ein wesentlicher Teil des Gels als Gel aus dem Kopfelement
herausfließen.
Das übrige
Gel kann durch Auflösen
oder durch mechanische Mittel, wie beispielsweise Spülen mit
Wasser, entfernt werden. Ferner kann das Gel thixotrop sein, was
es vorzugsweise auch ist, und kann teilweise dadurch entfernt werden,
daß das
Gel durch Schütteln
in einen flüssigen
Zustand versetzt wird. Ein thixotropes Gel kann auch geschüttelt werden,
um das gleichmäßige Platzieren
des Gels in dem Kopfelement zu unterstützen. Das Gel ist auch in einem
Lösungsmittel
löslich,
das die verfestigte Fixierungsflüssigkeit
nicht auflöst.
Das Lösungsmittel
ist vorzugsweise Wasser, und das Gel kann auch teilweise durch Auflösen des
Gels in dem Lösungsmittel
entfernt werden. Zur Unterstützung der
Platzierung des Gels in dem Kopfelement oder seiner späteren Beseitigung
kann das Gel auch erwärmt
werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Figuren beschrieben.
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1 ist
eine Teilschnittansicht eines fertiggestellten Kopfelements;
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2 ist
eine Teilschnittansicht eines teilweise fertiggestellten Kopfelements;
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3 ist
eine Teilschnittansicht eines anderen teilweise fertiggestellten
Kopfelements;
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4 ist
eine Teilschnittansicht eines weiteren teilweise fertiggestellten
Kopfelements.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Eingießen des Gels
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Die
Figuren zeigen Kopfelemente 17 für einen Hohlfaserfilterungsmembranen 10 enthaltenden Membranmodul.
Die Membranen 10 haben üblicherweise
eine Porengröße im Mikrofiltrier-
oder Ultrafiltrierbereich, vorzugsweise zwischen 0,003 und 10 Mikrometer
und noch bevorzugter zwischen 0,01 und 1,0 Mikrometer. Die Membranen 10 weisen
jeweils ein offenes Ende 12 auf, an dem das Lumen der Membran 10 zu
dem angrenzenden Raum hin offen ist. Die Membranen 10 können beispielsweise
aus Zelluloseacetat, Polypropylen, Polyethylen, Polysulfon oder
einem Komplex aus PVDP und kalzinierten Alpha-Aluminiumoxidpartikeln
bestehen. Um eine große
Fläche
zu erzeugen, haben die Membranen 10 vorzugsweise Außendurchmesser
im Bereich von 0,2 mm bis 2,0 mm.
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1 zeigt
ein fertiggestelltes Kopfelement 17. Die Membranen 10 sind
in dichtem gegenseitigem Abstand in einem Stopfen aus Fixierungsflüssigkeit,
wie beispielsweise einem Harz 14, das einen oder mehrere
Permeatkanäle 16 in
einem Kopfelementtiegel 18 umschließt, gehalten. Der Kopfelementtiegel 18 ist üblicherweise
aus einem geeigneten Kunststoff geformt. Das Harz 14 umgibt
jede Membran 10 über
wenigstens einen Teil ihrer Länge in
dem Harz 14. Dies dichtet die Außenfläche jeder Membran 10 so
ab, daß kein
Wasser in den Permeatkanal 16 eindringen kann, wenn es
nicht die Wände der
Membranen 10 und in ihre Lumina passiert. Die offenen Enden 12 der
Membranen 10 ragen in den Permeatkanal 16 hinein
und bringen die Lumina der Membranen 10 mit dem Permeatkanal 16 in
Fluidverbindung. Ein Permeatrohr 20 ist mit dem Kopfelementtiegel 18 über ein
Innengewinde verbunden und mit einer Mutter 22 festgehalten,
um den Permeatkanal 16 mit einer Unterdruckquelle zu verbinden. Wenn
die Membranen 10 in Wasser eingetaucht sind, zieht der
Unterdruck in dem Permeatkanal 16 und den Lumina der Membranen 10 gefiltertes
Permeat durch die Wände
der Membranen. Alternativ kann das Wasser um das Äußere der
Membranen 10 mit Druck beaufschlagt werden, um Wasser durch
die Wände
der Membranen 10 zu treiben. Als weitere Alternative kann
zugeführtes
Wasser unter Druck in die Lumina der Membranen 10 gedrückt werden,
um gefiltertes Permeat aus den Membranen 10 herauszudrücken, wobei
der Permeatkanal 16 zum Zufuhrkanal wird.
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2 zeigt
die Montage eines Kopfelements 17. Ein Kopfelementtiegel 18 wird
mit der offenen Seite nach oben auf einen Tisch gelegt und bis zu
einer Höhe
von etwa 10 bis 20 mm mit einem Gel 30 gefüllt. Die
Viskosität
des Gels 30 ist ausreichend gering, so daß es in
einer Lage auf dem Boden des Kopfelementtiegels 18 platziert
werden und sich, sobald es sich in dem Kopfelementtiegel 18 befindet,
im wesentlichen selbst einpegeln kann, sie reicht aber aus, daß das Gel
nicht dochtmäßig an den
Membranen 10 hochkriecht oder vorübergehend in stärkerem Maße verdrängt wird,
wenn das Harz 14 später
darüber
angeordnet wird. Eine vorübergehende
Verdrängung
des Gels 30 kann auch dadurch minimiert werden, daß das Harz 14 in
Lagen, üblicherweise
in einer Dicke von jeweils 10 cm, über dem Gel 30 angeordnet
wird. Übliche
Viskositäten
für das
Gel 30 liegen im Bereich von 300 bis 600 Poise. Das Gel 30 ist auch
dichter als das Harz 14, so daß das Harz 14 über dem
Gel 30 schwimmt.
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Ein
bevorzugtes Gel 30 ist Polymethylacrylat, das mit Propylenglykol
oder Glyzerin verdünnt
ist, um die gewünschte
Viskosität
zu erzielen. Viele Gele 30, einschließlich mit Propylenglykol oder Glyzerin
verdünntes
Polymethylacrylat, können
auch mit Wasser verdünnt
werden, um ggf. eine sehr niedrige Viskosität zu erzielen, dies ist jedoch
nicht bevorzugt, weil hydrophile Fasern bewirken können, daß das Wasser
das Gel 30 verläßt und dochtmäßig an den
Membranen 10 hochkriecht. Wasser reagiert auch nachteilig
auf manche Harze, wie beispielsweise Polyurethanharze, was nicht
erwünscht
ist. Es können
auch andere Gele 30, einschließlich nicht thixotroper Gele,
verwendet werden. Bevorzugte Gele 30, die mit geeigneten
Mengen Propylenglykol oder Glyzerin verdünntes Polymethylacrylat, wie
oben erwähnt,
enthalten, sind solche, die bei jeglicher von dem aushärtenden
Harz 14 abgegebenen Wärme stabil
sind, wasserlöslich
sind, thixotrop sind und so hergestellt werden können, daß sie die in dieser Beschreibung
angeführten
viskositätsabhängigen Eigenschaften
haben. Es können
auch thixotrope Materialien wie thixotrope Tonarten verwendet werden.
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Falls
notwendig, kann die Temperatur des Gels 30 erhöht werden,
um die Viskosität
des Gels 30 zu mindern, ohne eine Phasenveränderung
zu verursachen. Dadurch kann das Gel leichter in den Kopfelementtiegel 18 fließen und
verbessert die Selbsteinpegelungseigenschaften des Gels 30.
Das Gel 30 kann gleichermaßen später erwärmt werden, damit es leichter
aus dem Kopfelementtiegel 18 herausfließen kann. Eine Erhöhung der
Temperatur um 5°C
bis 10°C
kann beispielsweise eine 10–20-prozentige
Abnahme der Viskosität
des mit geeigneten Mengen an Propylenglykol oder Glyzerin verdünnten Polymethylacrylat
verursachen. Aufgrund der Wirkung von Wärme auf die Viskosität besteht
die Möglichkeit,
daß die Wärme des
Harzes 14 beim Aushärten
die Viskosität des
Gels 30 nachteilig beeinflussen könnte. Nach der Erfahrung der
Erfinder jedoch hat die Aushärtungswärme bei
Harzen mit gemäßigter Aushärtungszeit ohne
Notwendig keit einer Kühlung
des Harzes, beispielsweise durch Kühlkörper, Zwangsumluft oder Kühlung, kein
Problem verursacht.
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Der
Kopfelementtiegel 18 ist vorzugsweise aus ABS-Kunststoff
hergestellt, der relativ kostengünstig,
leicht formbar oder in geeigneter Form herstellbar ist, mit den
meisten Gelen 30 nicht nennenswert reagiert und sich mit
den meisten Harzen 14 gut verbindet.
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Das
Gel 30 wird, vorzugsweise mit einer Zahnradpumpe oder einer
Verdrängerpumpe,
in den Kopfelementtiegel 18 gepumpt. Mit einer Düse, die nahezu
so breit wie die Öffnung
des Kopfelementtiegels 18 ist, kann das Gel 30 in
einer im wesentlichen ebenen Tiefe angeordnet werden, wobei es nicht
notwendig ist, eine vollständig
glatte Oberfläche
zu hinterlassen. Man kann ein thixotropes Gel 30 auch zur vorübergehenden
Verflüssigung
schütteln
und sich wieder formen lassen, aber dies ist üblicherweise nicht notwendig.
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Eine
Gruppe 24 aus Membranen 10 ist so hergestellt,
daß sie
eine Vielzahl von Lagen aus Membranen 10 aufweist, wobei
sechs Lagen dargestellt sind. Verfahren zur Herstellung einer derartigen Gruppe 24 von
Membranen ist auf dem Gebiet bekannt, zumindest ist es in dem U.S.-Patent
Nr. 5 639 373 beschrieben. Ein weiteres geeignetes Verfahren, das
zur Bildung einer Gruppe ein Haftmittel verwendet, ist weiter unten
beschrieben. Die Membranen 10 sind innerhalb einer Lage
mit engem gegenseitigem Abstand entweder regelmäßig oder willkürlich angeordnet,
und die Lagen sind durch Abstandhalter 26 mit einer gewünschten
Dicke, üblicherweise
zwischen dem 0,5- und 1-fachen des Außendurchmessers der Membranen 10,
voneinander getrennt. Die Gruppe 24 wird von einem um die
Membranen 10 und die Abstandhalter 26 gewickelten
Band 28 zusammengehalten, und die Membranen können auch mit
Haftmittel an den Abstandhaltern befestigt sein. Es können auch
Gruppen 24 in anderen Formen hergestellt werden. Zylindrische
Gruppen können
beispielsweise durch Aufrollen einer oder mehrerer Lagen aus Membranen 10 hergestellt
werden.
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Die
Gruppe 24 wird derart in den Kopfelementtiegel 18 eingeführt, daß die offenen
Enden 12 der Membranen 10 bis zu einer Tiefe von
etwa 5 bis 10 mm in das Gel 30 eingeführt werden. Dann wird das flüssige Harz 14 bis
zu einer gewünschten
Tiefe, üblicherweise
etwa 20 bis 50 mm und vorzugsweise die Abstandhalter 26 abdeckend,
eingegossen. Die Abstandhalter 26 dringen vorzugsweise
nicht in das Gel 30 ein. Zu geeigneten Harzen 14 gehören Polyurethan,
Epoxy, gummiertes Epoxy und Silikonharz. Es können auch ein oder mehrere
Harze 14 kombiniert verwendet und in einer oder mehreren
Schichten aufgebracht werden, um den Festigkeitsvorstellungen gerecht
zu werden und eine weiche Grenzfläche zu den Membranen 10 ohne
Schneidkanten zu bilden. Das Harz 14 muß außerdem nicht-wasserlöslich, in
einer Lösung
von wahrscheinlich in dem zu filternden Wasser vorhandenen Chemikalien
haltbar und reaktionslos in bezug auf das Membranmaterial sein.
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Das
flüssige
Harz 14 kann in geringem Maße dochtmäßig die Membranen 10 hinunterkriechen, aber
das Gel 30 verhindert, daß das Harz 14 die
Lumina der Membranen 10 erreicht. Das flüssige Harz 14 umgibt
die Membranen 10 und härtet
dann aus, wobei es das Äußere der
Membranen 10 abdichtend mit dem Kopfelementtiegel 18 verbindet.
Dann wird das Gel 30 entfernt, um zwischen dem Harz 14 und den
Wänden
des Kopfelementtiegels 18 einen Permeatkanal 16 (wie
in 1 gezeigt) zu belassen. Die Lumina der Membranen 10 werden
in Fluidverbindung mit dem Permeatkanal 16 belassen. Da
das Gel 30 nicht nennenswert mit dem Harz 14 reagiert,
bleibt die Unterseite des Harzes 14 ferner ungefährdet, zumindest,
wenn das Harz 14 Polyurethan und das Gel 30 mit
geeigneten Mengen von Propylenglykol oder Glyzerin verdünntes Polymethylacrylat
ist.
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Das
Gel 30 wird entfernt, indem man einen Teil oder mehr davon
im Gelzustand herausfließen läßt, wahlweise
mit Unterstützung
von Wärme
oder Vibration, es mechanisch ausspült und es, vorzugsweise mit
Wasser, auflöst.
In einem bevorzugten Verfahren wird in dem Permeatkanal eine Öffnung ausgebildet,
wie beispielsweise die Öffnung
zum Einlassen des in 1 gezeigten Permeatrohres 20.
In den Kopfelementtiegel 18 wird ein kleines Luftvakuumentlastungsröhrchen eingeführt, um
zu verhindern, daß sich
in dem Kopfelementtiegel 18 ein Vakuum bildet, das anderenfalls
den Austritt des Gels 30 hemmen oder verhindern könnte. Dann
wird der Kopfelementtiegel 18 zum Ausgießen des
Gels 30 durch die Öffnung
geneigt, wobei das Gel 30 sich noch in einem Gelzustand
befindet. Diese Schritte können
beginnen, nachdem das Harz 14 fest geworden, aber bevor
es vollständig
ausgehärtet
ist, und während des
Aushärtens
des Harzes 14 weitergehen. Über eine Aushärtzeit von
mehreren Stunden können
ungefähr
eine Hälfte
bis drei Viertel des Gels 30 aufgefangen werden. Dieses
zuerst aufgefangene Gel 30 kann am leichtesten recycelt
werden und dementsprechend ist es wünschenswert, die Menge an Gel 30,
die durch einfaches Hinausfließenlassen
aus dem Kopfelement 18 aufgefangen wird, zu maximieren.
Als nächstes
wird der fertiggestellte Modul derart in einem Reservoir platziert,
daß die
Membranen 10 in Wasser eingetaucht sind. An den Permeatkanal 16 wird
ein Vakuum angelegt, damit etwa 20 Minuten lang Wasser permeieren
kann. Dadurch werden Partikel aus Gel 30, insbesondere
kleine Stopfen aus Gel 30 in den Lumina der Membranen 10,
mechanisch herausgespült.
Als nächstes
wird verbleibendes Gel 30 aufgelöst und entfernt, was durch
Auflösen
des Gels 30 mit Permeat während der Test- oder Anlaufvorgänge erfolgen
kann, bevor der Modul angeschlossen wird. Alternativ oder zusätzlich kann
ein druckbeaufschlagtes Wasser, Druckluft oder beides führendes
Rohr durch die Öffnung
und in das Gel 30 eingeführt werden, um die Bewegung
des Gels 30 zu unterstützen
oder es teilweise zu verflüssigen.
Ferner kann ein thixotropes Gel 30 alternativ oder zusätzlich geschüttelt werden,
um seine Viskosität
zu verringern und seine Strömungsrate
zu erhöhen.
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3 zeigt
die Montage eines Kopfelements 17 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das zweite Ausführungsbeispiel
wird gegenüber
dem ersten bevorzugt, insbesondere bei Fasern mit einem Außendurchmesser
von etwa 1 mm oder weniger. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Membranen 10 in
einem Bündel 32 angeordnet
und von einem lösbaren
Bund 34 locker gehalten. Der Bund 34 hat im wesentlichen
dieselbe Form wie das Kopfelement 17, das üblicherweise
rechteckig oder rund ist. Das Bündel 32 wird
durch Wickeln von Fasermaterial auf eine Trommel und anschließendes Schneiden
des Materials zum Erzeugen getrennter Membranen 10, aber
ohne absichtliches Anordnen der Membranen 10 in einem Gitter
oder einer Matrix, erzeugt. Die offenen Enden 12 der Membranen 10 werden,
wie oben beschrieben, in dem Gel 30 in einem Kopfelementtiegel 18 angeordnet.
Dann wird der Bund 34 entfernt und Harz 14 in
den Kopfelementtiegel 18 gegossen. Nach dem Aushärten des
Harzes 14 wird, wie oben beschrieben, das Gel 30 entfernt.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
sind keine Abstandhalter vorgesehen, die die Membranen 10 so
drücken,
daß sie
einen engen gegenseitigen Abstand haben. Das Gel 30 neigt
jedoch dazu, die Membranen 10 bei ihrem Einführen in
das Gel 30 auseinander zu drücken. Dennoch besteht die Möglichkeit,
daß kein
Harz 14 zwischen benachbarte Membranen 10 fließt und diese
nicht vollständig
abdichtet. Durch Auswahl der Harze, Membranmaterialien, des Membrandurchmessers,
der Tiefe des Harzes (üblicherweise
20 bis 50 mm) und der Packungsdichte, die dem Harz 14 das
Befeuchten jeder Membran 10 ermöglichen, wird aber ein erfolgreiches
Eingießen
erzielt. Das Harz 14 befeuchtet die Membran mit einer Kraft,
die ausreicht, um die Membranen 10 zumindest in einem Teil
der Tiefe des Harzes 14 voneinander zu trennen. Da das
Gel 30 nicht fest ist, leistet es zwar Widerstand, verhindert
aber nicht, daß die Membranen 10 sich
bewegen und durch das Harz 14 getrennt werden. Faktoren
oder eine Auswahl, die eine vollständige Befeuchtung fördern, sind
auf dem Gebiet bekannt. Das U.S.-Patent Nr. 4 605 500 z.B. beschreibt
geeignete Faktoren oder eine geeignete Auswahl zum Eingießen eines
ungeordneten Bündels
von Hohlfasermembranen in einem Harz.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
liegt die Packungsdichte (definiert als die Querschnittsfläche der
Membranen 10 dividiert durch die von den Membranen 10 ausgefüllte Querschnittsfläche) vorzugsweise
im Bereich von 15% bis 30%. Der Membranaußendurchmesser beträgt vorzugsweise
etwa 1 mm oder weniger, üblicherweise
0,5 mm bis 0,7 mm. Polyurethanharz hat gute Befeuchtungseigenschaften
mit PVDF-Membranen, obwohl auch Epoxy, gummiertes Epoxy und Sili kongummi
geeignet sind. Mit diesen Parametern hat Harz 14 in Tiefen
von 20 bis 50 mm zu einem zuverlässigen,
fehlerfreien Eingießen
geführt.
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Verringern der Membranfaserpaarbildung
(die Erfindung)
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4 zeigt
die Montage eines Kopfelements 17 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Membranen 10 in einer zweiten Gruppe 124 angeordnet,
wobei eine Vielzahl von Membranen 10 in der Nähe der Enden 12 der
Membranen 10 von einem verfestigten Haftmittel 100 umgeben
ist. Die Enden 12 der Membranen 10 ragen über das
Haftmittel hinaus. Im allgemeinen sind die Membranen 10 im
wesentlichen voneinander getrennt und einzeln von dem verfestigten
Haftmittel 100 umgeben, obwohl es bei einer ausreichenden
Tiefe eines geeigneten Harzes 14 zulässig, aber nicht bevorzugt,
ist, daß die Membranen 10 einander
in dem verfestigten Haftmittel 100 berühren, vorausgesetzt, daß die Gesamtpackungsdichte
nicht zu hoch, vorzugsweise nicht über 25%, ist. Vorzugsweise
sind die Membranen 10 mit engem gegenseitigem Abstand entweder
regelmäßig oder
willkürlich
innerhalb der Schichten, die um eine gewünschte Dicke, üblicherweise
zwischen 1/4 bis 3/4, noch üblicher
zwischen 1/3 bis ½,
des Außendurchmessers
der Membranen 10 grob voneinander getrennt sind. Das Haftmittel 100 ist
nicht wasserlöslich,
in einer Lösung
von wahrscheinlich in einem zu filternden Substrat vorhandenen Chemikalien
haltbar und im wesentlichen reaktionslos in bezug auf das Membranmaterial
oder das Harz 14.
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Die
Verbindung zwischen dem Haftmittel 100 und den Membranen 10 ist
schwächer
als sämtliche Materialien
der Membranen 10 und alle Verbindungen zwischen den Materialien
in den Membranen 10. Falls also eine Membran 10 von
dem Haftmittel 100 weggezogen wird, zerbricht die Verbindung
zwischen dem Haftmittel 100 und der Membran 10,
bevor die Membran 10 beschädigt wird. Das Haftmittel 100 ist außerdem vorzugsweise
ausreichend weich, flexibel und nicht-brüchig, um die Membranen 10 an
der Stelle, an der sie aus dem Kopfelement 17 austreten,
zu polstern. Ein bevorzugtes Haftmittel 100 ist Polyethylen heißschmelzhaftmittel,
das aus einer Mischung aus Ethylen-Vinyl-Acetat-Copolymeren hergestellt ist. Die Mischung
aus Haftmittelkomponenten ist vorzugsweise unter Anwendung von dem
Fachmann auf dem Gebiet bekannten Techniken ausgewählt, um die
oben beschriebenen Eigenschaften zu erreichen. Andere Haftmittel,
die nicht nennenswert dochtmäßig an den
Membranen 10 hochkriechen, bevor eine Aushärtung stattfindet,
die Eigenschaft haben, eine Verbindung mit den oben beschriebenen
Membranen 10 einzugehen, die Membranen zu polstern und
ansonsten im wesentlichen reaktionslos in bezug auf die Membranen 10,
das zu filternde Substrat und das Harz 14 sind, können ebenfalls
verwendet werden. Es können
beispielsweise dickflüssige,
schnell aushärtende
Epoxidharze mit Aluminiumoxid oder anderen Zusätzen verwendet werden, um das
ausgehärtete
Epoxy flexibler zu machen.
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Die
zweite Gruppe 124 wird aus einer Anzahl von Membranenlagen
gebildet. Eine Lage wird durch Anordnen einer gewünschten
Anzahl von Membranen 10 auf einer Oberfläche gebildet,
die mit einem Streifen aus einem Material beschichtet oder bedeckt ist,
das nicht an dem Haftmittel 100 haftet. Die Membranen 10 können bereits
abgelängt
worden sein und offene Enden haben oder sämtlich durchgehend wie in einem
Gewebe oder einer Reihe von Faserschlingen sein. Die Membranen 10 werden
vorzugsweise so abgelegt, daß sie
entweder um Zwischenräume von
willkürlicher
oder bevorzugter regelmäßiger Breite
voneinander beabstandet sind. Ein Streifen Haftmittel 100 von
etwa 2–3
cm Breite wird quer über
den Membranen 10 nahe einer beliebigen Stelle, an der die
Enden der Membranen 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
eingegossen werden, angeordnet, wobei jedoch Platz gelassen wird,
damit die offenen Enden 12 der Membranen sich über das
Haftmittel 100 hinaus erstrecken können. Unterhalb der Stelle, an
der das Haftmittel 100 abgelegt wird, kann ggf. eine Rille
in der Oberfläche
ausgebildet sein, um zu ermöglichen,
daß das
Haftmittel die Membranen 10 umgibt. Wahlweise kann das
Haftmittel mit einem Eisen wieder geschmolzen werden, um dazu beizutragen,
daß das
Haftmittel jede Membran umgibt, aber das Haftmittel wird wieder
verfestigt, bevor es nennenswert dochtmäßig an den Membranen hochkriechen
kann. Nachdem eine gewünschte
Anzahl von Lagen hergestellt worden ist, werden die Lagen an den
Bändern
aus Haftmittel 100 zur Bildung der zweiten Gruppe 124 zusammengefügt. Die
Lagen können einfach
zusammengeklemmt oder mit mehr Haftmittel 100 zusammengeklebt
werden. Falls die Membranen 10 unter Verwendung eines flüchtigen
Materials eingegossen werden, werden sie vorzugsweise aufgeschnitten,
bevor die Lagen zusammen in die zweite Gruppe 124 gebracht
werden, falls sie nicht aufgeschnitten worden sind, bevor sie zu
Lagen geformt wurden. Mit geringfügigen Variationen des obigen Vorgangs
kann eine Gruppe von Membranen 10 für Kopfelemente 17 verschiedener
Formen erzeugt werden. Eine Gruppe von Membranen 10 für ein rundes
Kopfelement 17 kann beispielsweise durch bei Verwendung
eines ausreichend flexiblen Haftmittels durch Rollen einer oder
mehrerer Bahnen von Membranen 10 zu einem Zylinder oder
durch Bemessen jeder Bahn als Scheibe eines Zylinders gebildet werden.
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Die
zweite Gruppe 124 kann unter Verwendung verschiedener Techniken
eingegossen werden. Die zweite Gruppe 124 kann beispielsweise
in einem eine Tiefe Harz 14 enthaltenden Behälter angeordnet werden.
Die zweite Gruppe 124 wird derart in das Harz 14 eingetaucht,
daß die
Enden der Membranen 10 von dem Harz 14 bedeckt
sind und das Haftmittel 100 teilweise, üblicherweise ungefähr zur Hälfte, in dem
Harz 14 untergetaucht ist. Somit erstreckt das Harz 14 sich
vom Umfang des Haftmittels 100 zu den Enden der Membranen
hin, die aus einer ersten Seite des Haftmittels 100 hinausragen.
Das Harz 14 umgibt jede Membran 10 über wenigstens
einen Teil ihrer Länge
in dem Harz 14 zwischen dem Haftmittel 100 und
dem Ende jeder Membran 10. Wenn das Harz 14 sich
verfestigt, stellt es eine abdichtende Verbindung zu dem Äußeren jeder
Membran 10 dar, berührt
die Membranen an der Stelle, an der sie oben aus dem Haftmittel 100 austreten,
aber nicht. Vorzugsweise sind die Enden der Membranen 10 ungeöffnet in
der Fixierungsflüssigkeit
angeordnet worden. Zum Öffnen
der Enden der Membranen 10 wird der Block verfestigter
Fixierungsflüssigkeit
zerschnitten. Die verfestigte Fixierungsflüssigkeit wird in einer Position
an einem Kopfelementtiegel angebracht, in der die offenen Enden
der Membranen mit einem Permeatkanal in dem Kopfelement in Fluidverbindung
stehen können.
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Wie
in 4 gezeigt, wird die zweite Gruppe 124 in
ein flüchtiges
Gel 30, im wesentlichen wie weiter oben beschrieben, eingegossen.
Die zweite Gruppe 124 wird derart in einen Kopfelementtiegel 18 eingeführt, daß die offenen
Enden 12 der Membranen 10 bis zu einer Tiefe von
etwa 5 mm in das Gel 30 eingeführt werden. Das Haftmittel 100 wird
nicht in das Gel 30 eingeführt. Dann wird das flüssige Harz 14 bis zu
einer gewünschten
Tiefe eingegossen, die den Umfang des Haftmittels 100 umgibt,
und erstreckt sich vorzugsweise über
die Hälfte
der Strecke bis zu der Oberseite des Haftmittels 100, fließt jedoch
nicht oben über
das Haftmittel, um die Membranen 10 auf der Oberseite (oder
zweiten Seite) des Haftmittels 100 zu berühren.
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Unter
Verwendung eines der obigen Eingießverfahren umgibt das Haftmittel 100 weiterhin
die Membranen 10 an der Stelle, an der sie zuerst von dem
Kopfelement 17 eingezwängt
werden. Dies sorgt für
eine weichere Grenzfläche
mit den Membranen 10 an dieser Stelle und verhindert, daß das Harz 14 eine
Faserpaarbildung verursacht.
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Beschrieben
wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Insbesondere und ohne Einschränkung kann das Verfahren an
das Eingießen
von mit einem Gehäuse
versehenen Modulen, beispielsweise Modulen, in denen die Membranen 10 in
einem druckbeaufschlagbaren Gefäß enthalten
sind, angepaßt
werden. Bei solchen Modulen ist eine Kappe oder das Ende des Moduls
der Permeattiegel 18, ein Gel 30 wird durch die
Kappe oder das Modulende in den Modul gepumpt oder daraus entfernt
und in der Seite des Moduls ist über
dem Füllstand
des Gels 30 eine Zugangsöffnung zum Pumpen von Harz 14 in
den Modul vorgesehen.