DE60208994T2

DE60208994T2 - Trennfolie, trennfolienelement, trennfolienmodul, schmutzwasser- und abwasserbehandlungsvorrichtung und trennfolienherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60208994T2
Application number: DE60208994T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Kusatsu-shi MORIKAWA; Shuji Kyoto-shi FURUNO; Masahiro Otsu-shi HENMI
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: WO2002064240A1; US9649602B2; JPWO2002064240A1; KR20080091519A; KR100909528B1; CA2432046A1; CA2432046C; EP1371409A1; TW514551B; AU2002230143B2; CN1236842C; DE60208994D1; US20030150808A1; JP5127107B2; JP2010221218A; US20080067127A1; KR20030001426A; JP5310658B2; KR100874079B1; EP1371409B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Trennmembran, die passenderweise bei der Reinigung von Abwässern, nämlich Haushaltsabwässern, die beim Kochen, Waschen, Baden und Wasserlassen entstehen, sowie Abwässern, die von Fabriken, Restaurants, fischverarbeitenden Betrieben und nahrungsmittelverarbeitenden Fabriken abgegeben werden, verwendet wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des Trennmembranmoduls. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Trennmembranelement, ein Trennmembranmodul und eine die Trennmembran umfassende Abwasserbehandlungsvorrichtung.
US 4399035 und US 6024872 schlagen Trennmembranen für die Mikrofilterung vor.
Trennmembranen wurden in der letzten Zeit zur Reinigung von Abwässern und Schmutzwässern verwendet. Obwohl verschiedene Arten und Formen von Trennmembranen bekannt sind, steht eine flache Membran, die als Mikrofiltermembran bezeichnet wird, im Mittelpunkt des Interesses. Die Mikrofiltermembran wird im Allgemeinen wie folgt gebildet. Eine Harzlösung, die ein Porenbildungsmittel enthält, wird auf einer Oberfläche eines porösen Substrats, so etwa eines Gewebes oder Vliesstoffes, aufgetragen, oder das poröse Substrat wird damit imprägniert, und das Harz wird koaguliert, um eine poröse Harzschicht auf dem porösen Substrat zu bilden. Die poröse Harzschicht wirkt als Trennschicht. Unglücklicherweise weist die flache Membran im Vergleich zu anderen Arten von Trennmembranen, so z.B. einer hohlen Fasermembran, keine große Wirkungsfläche pro Einheitsfläche auf; und somit ist die flache Membran erforderlich, um eine hohe Wasserdurchlässigkeit zu erreichen, während gleichzeitig eine Mikroporengröße beibehalten wird, die dem zu filternden Objekt entspricht. Wird die Porosität erhöht, um eine hohe Wasserdurchlässigkeit zu erzielen, so steigt die Mikroporengröße übermäßig stark an, oder es kommt zu Oberflächenrissen, welche die Abweisungsrate senken. Wird die Mikroporengröße verringert, um eine hohe Abweisungsrate zu bewirken, so nimmt die Wasserdurchlässigkeit unweigerlich ab. Demgemäß sind eine hohe Abweisungsrate und eine hohe Wasserdurchlässigkeit im Grunde genommen nicht kompatibel. Es ist schwierig, zwischen diesen eine ausgeglichene Kompatibilität zu erzielen.
Zusätzlich dazu durchlaufen Trennmembranen für Abwässer schwere Kollisionen mit Festmaterialien wie Sand und Schlamm bei ihrer Verwendung sowie schwere Kollisionen mit Bläschen während eines Vorgangs der Anreichung mit Luft, wobei dieser Vorgang durchgeführt wird, um Sauerstoff in den aktivierten Schlamm zuzuführen und eine Verklumpung zu verhindern. Somit muss die Trennmembran über ausreichend hohe Festigkeit verfügen, um solchen schweren Einflüssen standzuhalten. Eine so hohe Festigkeit wird hauptsächlich durch das poröse Substrat getragen. In einer beliebigen bekannten Trennmembran wird die poröse Harzschicht während eines Filtervorgangs und eines Vorgangs der Anreicherung mit Luft in schweren Fällen vom porösen Substrat getrennt.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Trennmembran bereitzustellen, die die obigen Probleme nicht zeigt, über hohe Wasserdurchlässigkeit verfügt und keine Ablösung der porösen Harzschicht vom porösen Substrat bewirkt. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur einfachen Herstellung der Trennmembran bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Trennmembran ein poröses Substrat und eine poröse Harzschicht auf zumindest einer Oberfläche des porösen Substrats, wobei die poröse Harzschicht ein Harz umfasst, und ein Teil des Harzes in das poröse Substrat eindringt, um mit dem porösen Substrat eine Verbundschicht zu bilden; wobei für die Trennmembran Folgendes gilt: B ≥ 0,2 × A;und C/B ≥ 0,1worin A für die Dicke des porösen Substrats steht, B für die Dicke der porösen Harzschicht steht und C für die Dicke der Verbundschicht steht; und worin die poröse Harzschicht eine mittlere Porengröße im Bereich von 0,01 bis 0,2 μm und eine Standardabweichung der Porengröße von 0,01 μm oder weniger an der Oberfläche aufweist.
Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung weist die poröse Harzschicht Makrohohlräume mit kurzen Durchmessern von 0,05 × A oder mehr auf, wobei A für die Dicke des porösen Substrats steht, und worin die Abweisungsrate der Mikroteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 μm zumindest 90% beträgt.
Die mittlere Porengröße und die Standardabweichung werden auf der Grundlage der Durchmesser aller Mikroporen bestimmt, die in einem Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mittels Rasterelektronenmikroskopie mit einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Trennmembran die Schritte des Aufbringens einer Harzlösung, die ein Harz, ein Porenbildungsmittel, ein Lösungsmittel für das Harz und ein Nicht-Lösungsmittel für das Harz enthält, auf zumindest einer Oberfläche eines porösen Substrats mit einer Dichte von 0,7 g/cm³ oder weniger, um einen Beschichtungsfilm zu bilden und das poröse Substrat mit der Lösung zu imprägnieren; und des Eintauchens des porösen Substrats in ein Koagulationsbad, das ein Nicht-Lösungsmittel für das Harz enthält, um das Harz zu koagulieren und eine poröse Harzschicht auf der Oberfläche des porösen Substrats zu bilden, wobei das Porenbildungsmittel Polyethylenglykol mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von zumindest 10.000 als Hauptkomponente umfasst.
Weiters zielt die vorliegende Erfindung auf ein Trennmembranelement ab, das die Trennmembran, ein die Trennmembranelemente umfassendes Trennmembranmodul und eine Abwasserbehandlungsvorrichtung, die das Trennmembranmodul enthält, umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild einer Oberfläche einer Trennmembran gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Querschnitts der Trennmembran gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild einer Oberfläche einer Trennmembran gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Querschnitts der Trennmembran gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild einer Oberfläche einer Trennmembran gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Querschnitts der Trennmembran gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine explodierte isometrische Ansicht eines Elements, das eine Trennmembran gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
8 ist eine explodierte isometrische Ansicht eines Elements, das eine Trennmembran gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
9 ist eine teilweise querverlaufende Querschnittsansicht des in 8 dargestellten Elements;
10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie Y-Y in 8;
11 ist eine isometrische Ansicht eines Moduls, das eine Vielzahl von Elementen unter Verwendung der Trennmembranen und ein Gehäuse zum Halten der Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Wasser unter Verwendung der Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
13 ist eine isometrische Ansicht eines Elements, das eine Trennmembran gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein poröses Substrat und eine poröse Harzschicht, die als Trennschicht wirkt, auf zumindest einer Oberfläche des porösen Substrats. Die poröse Harzschicht umfasst ein Harz, und ein Teil des Harzes dringt in das poröse Substrat ein, um eine Verbundschicht mit dem porösen Substrat zu bilden. In der vorliegenden Erfindung umfasst die poröse Harzschicht die Verbundschicht nicht.
Das poröse Substrat trägt die poröse Harzschicht und verleiht der Trennmembran Festigkeit. Es können sowohl organische Materialien als auch anorganische Materialien als poröses Substrat verwendet werden, und vorzugsweise werden organische Fasern verwendet, da sie leicht sind. Noch mehr bevorzugte poröse Substrate sind Gewebe oder Vliesstoffe aus organischen Fasern wie Zellulosefasern, Zellulosetriacetatfasern, Polyesterfasern, Polypropylenfasern und Polyethylenfasern. Insbesondere Vliesstoffe werden bevorzugt, da die Dichtenregulierung einfach ist und Vliesstoffe leicht mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden können.
Ein sehr dünnes poröses Substrat weist für die Verwendung in der Trennmembran nicht die ausreichende Festigkeit auf, und ein sehr dickes poröses Substrat bewirkt eine Abnahme der Wasserdurchlässigkeit. Somit liegt die Dicke des porösen Substrats vorzugsweise in einem Bereich von 50 μm bis 1 mm und insbesondere von 70 μm bis 500 μm.
Wie bereits oben beschrieben wurde, wirkt die poröse Harzschicht als Trennschicht. Beispiele für Materialien, die als poröse Harzschicht verwendet werden, umfassen Polyethylenharze, Polypropylenharze, Polyvinylchloridharze, Polyvinylfluoridharze, Polysulfonharze, Polyethersulfonharze, Polyimidharze und Polyetherimidharze. Diese Harze. können andere Harze enthalten, so lange diese Harze die Hauptkomponenten ausmachen. Hierin bedeutet "Hauptkomponenten", dass zumindest 50% und vorzugsweise 60% des obigen Harzes enthalten sind. Von diesen Harzen werden Polyvinylchloridharze, Polyvinylidenfluoridharze, Polysulfonharze und Polyethersulfonharze bevorzugt, da aus diesen Harzen leicht in einem Lösungsvorgang Filme ausgebildet werden können, und da diese Harze eine hohe mechanische und chemische Beständigkeit aufweisen. Die am meisten bevorzugten Harze sind Polyvinylidenfluorid und Gemische, die Polyvinylidenfluorid als Hauptkomponente umfassen.
Die Dicke der porösen Harzschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 500 μm und noch mehr bevorzugt im Bereich von 5 μm bis 200 μm. Ein sehr dünnes poröses Harz bewirkt eine Freilegung des porösen Substrates, was zu einer Anhaftung von Verunreinigungen am porösen Substrat führt. In einem solchen Fall nimmt der Filterdruck zu, und die Filterleistung kann nach dem Waschen nicht ausreichend wiederhergestellt werden. Eine sehr dicke poröse Harzschicht kann ein Absinken der Wasserdurchlässigkeit bewirken.
Ein Teil des Harzes der porösen Harzschicht dringt in zumindest einen Teil der Oberflächenschicht des porösen Substrats ein, um eine Verbundschicht mit dem porösen Substrat an zumindest der Oberflächenschicht auszubilden. Das Harz, das in das poröse Substrat eindringt, wird fest auf dem porösen Substrat durch den sogenannten "Ankereffekt" fixiert und löst sich nicht vom porösen Substrat ab. Die poröse Harzschicht kann auf einer Oberfläche des porösen Substrats ausgebildet sein, oder die porösen Harzschichten können auf beiden Oberflächen dieser ausgebildet sein. Ist die poröse Harzschicht auf einer Oberfläche bereitgestellt, so kann die Trennmembran mit hoher Wasserdurchlässigkeit leicht ausgebildet werden. Sind auf zwei Oberflächen poröse Harzschichten vorgesehen, so kann die Trennmembran in ihrer Verwendung über einen langen Zeitraum eine hohe Leistung beibehalten. Sind die porösen Harzschichten auf beiden Oberflächen bereitgestellt, so können die porösen Harzschichten zum porösen Substrat symmetrisch oder asymmetrisch sein. Auch wenn die porösen Harzschichten auf beiden Oberflächen vorgesehen sind, können die beiden porösen Harzschichten durch die Verbundschicht hindurchgehen, oder sie können unterbrochen sein.
Die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,01 μm bis 0,2 μm sowie eine Standardabweichung der Porengröße von 0,1 μm oder weniger an der Oberfläche der porösen Harzschicht. Die Trennmembran, die in diesen Bereichen liegt, zeigt sowohl eine hohe Durchlässigkeit über einen langen Zeitraum ohne Verklumpung als auch eine hohe Abweisungsrate, was bedeutet, dass Schwämme und Schlamm nicht auslecken. Eine kleinere mittlere Porengröße kann eine verminderte Wasserdurchlässigkeit verur sachen. Somit beträgt die mittlere Porengröße vorzugsweise zumindest 0,02 μm und noch mehr bevorzugt zumindest 0,04 μm. Sind die porösen Harzschichten auf zwei Oberflächen des porösen Substrats bereitgestellt, so muss zumindest eine der porösen Harzschichten die obigen Bedingungen erfüllen.
Die mittlere Porengröße und die Standardabweichung werden auf Grundlage der Durchmesser aller Mikroporen bestimmt, die in einem Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mithilfe des Rasterelektronenmikroskops mit einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet werden können.
Es ist nicht klar, warum der obige Bereich der Porengrößenverteilung bevorzugt wird, aber dabei wird Folgendes angenommen. Überschreitet die Standardabweichung der Porengrößen 0,1 μm, so besitzen die Mikroporen auf der Oberfläche der porösen Harzschicht eine breite Porengrößenverteilung. Da große Mikroporen leicht Wasser durchlassen, zeigt die resultierende Trennmembran eine gesteigerte Wasserdurchlässigkeit in einem Ausgangsstadium. Da Wasser vorzugsweise durch größere Poren hindurchgeht, verstopft Fremdmaterial diese großen Poren während der kontinuierlichen Abwasserverarbeitung. Als Folge dessen sind nur kleinere Teilchen noch immer zweckdienlich, wobei die Wasserdurchlässigkeit der Trennmembran stark vermindert wird. Liegt die Standardabweichung der Porengrößen innerhalb des obigen Bereichs, scheint ein solches ungünstiges Phänomen nicht aufzutreten.
Die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt die folgenden Ungleichungen: B ≥ 0,2 × A,und C/B ≥ 0,1worin A für die Dicke des porösen Substrats steht, B für die Dicke der porösen Harzschicht steht und C für die Dicke der Verbundschicht steht. Ist die Dicke der porösen Harzschicht geringer als 0,2 × A, so ist die Festigkeit für die Trennschicht unzureichend. Ist das Verhältnis C/B kleiner als 0,1, so wird die poröse Harzschicht leicht vom porösen Substrat abgelöst. Im Gegensatz dazu nimmt, wenn das Verhältnis C/B außergewöhnlich groß ist, die Wasserdurchlässigkeit ab. Somit erfüllt das Verhältnis C/B im Allgemeinen die folgende Beziehung: 0,1 ≤ C/B ≤ 100 und vorzugsweise 0,2 ≤ C/B ≤ 50.
Vorzugsweise enthält die poröse Harzschicht Makrohohlräume mit spezifischen Größen. Hierin bezeichnen "Makrohohlräume" Poren, die in der porösen Harzschicht vorhanden sind und größere Durchmesser als den Porendurchmesser an der Oberfläche besitzen. Die Makrohohlräume dienen dazu, die Festigkeit der porösen Harzschicht beizubehalten, während die Wasserdurchlässigkeit verbessert wird. Vorzugsweise besitzen Makrohohlräume kurze Durchmesser von zumindest 0,05 × A. Ein kleinerer Durchmesser führt zu einer beträchtlichen Verminderung der Wasserdurchlässigkeit, wenngleich er für eine größere Festigkeit der porösen Harzschicht verantwortlich ist. Andererseits bewirkt ein außerordentlich kleiner Durchmesser eine reduzierte Festigkeit der porösen Harzschicht. Somit beträgt die Obergrenze für die Größe der Makrohohlräume vorzugsweise 1 × A oder weniger.
Die Dicke der porösen Harzschicht, die Dicke der Verbundschicht und die Größen der Makrohohlräume in der porösen Harzschicht können bestimmt werden, indem ein normal auf die Oberfläche der porösen Harzschicht verlaufender Querschnitt mit einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet wird.
Sind die porösen Harzschichten auf zwei Oberflächen bereitgestellt, so werden vorzugsweise die folgenden Ungleichungen erfüllt: 2dA ≤ dC 2dB ≤ dC worin d_A für die mittlere Porengröße an der Oberfläche einer der porösen Harzschichten steht, d_B für die mittlere Porengröße an der Oberfläche der anderen porösen Harzschicht steht und d_C für die mittlere Porengröße im mittleren Querschnitt der Trennmembran in die Dickenrichtung steht. Außerhalb dieses obigen Bereichs nimmt die Wasserdurchlässigkeit aufgrund einer steigenden Beständigkeit gegen Durchdringung ab.
In der Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Abweisungsrate der Mikroteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 μm vorzugsweise zumindest 90%. Eine Abweisungsrate von weniger als 90% führt zu einem Auslecken von Schwämmen und Schlamm, zu Verstopfung aufgrund von Schwämmen und Schlamm, einem erhöhten Differentialfilterdruck sowie einer beträchtlich verringerten Lebensdauer. Hierin wird die Abweisungsrate wie folgt bestimmt. Unter Verwendung einer Materialdispersion, die gereinigtes Wasser durch eine umgekehrte Osmosemembran und 10 ppm Polystyrollatex-Mikroteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm (nomimaler Durchmesser: 0,940 μm, Standardabweichung: 0,0796 μm) enthält, wird die Materialdispersion durch die Trennmembran bei einer Kopfhöhe von 1 m eindringen gelassen, während die Materialdispersion gerührt wird. Die Abweisungsrate wird mittels UV-Spektroskopie auf Grundlage der folgenden Gleichung berechnet: Abweisungsrate = ((Absorptionsfähigkeit der Materialdispersion – Absorptionsfähigkeit der durchgelassenen Dispersion)/Absorptionsfähigkeit der Materialdispersion] × 100worin die Absorptionsfähigkeit der Materialdispersion und die Absorptionsfähigkeit der durchgelassenen Dispersion unter Verwendung von UV-Strahlung bei 240 nm gemessen werden.
Die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einem Träger kombiniert werden, um ein Trennmembranelement herzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Trennmembranelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung auf zumindest einer Oberfläche einer Trägerplatte als Träger angeordnet. Dieses Trennmembranelement kann vorzugsweise wie nachfolgend beschrieben bei der Behand lung von Abwässern verwendet werden. Es ist aber schwierig, die Membranfläche in dieser Konfiguration zu vergrößern; und somit werden Trennmembranen vorzugsweise auf beiden Oberflächen der Trägerplatte angeordnet, um die Wasserdurchlässigkeit zu erhöhen.
Die Konfiguration des Trennmembranelements ist nicht eingeschränkt. Bevorzugte Konfigurationen des Trennmembranelements sind nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Mit Bezug auf die 7 bis 10 besitzt das Element eine steife Trägerplatte 1 sowie Kanalelemente 2 und Trennmembranen 3, die auf beiden Oberflächen der Trägerplatte 1 in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Die Trägerplatte 1 besitzt Auskragungen 4 und Vertiefungen 5. Die Verunreinigungen in der Flüssigkeit werden durch die Trennmembran 3 entfernt. Die Kanalelemente 2 werden bereitgestellt, so dass Wasser, das durch die Trennmembran 3 dringt, effektiv zur Trägerplatte 1 hin fließt. Das gefilterte Wasser, das die Trägerplatte 1 erreicht, fließt in die Vertiefungen der Trägerplatte 1 nach außen hin.
Es kann eine beliebige Trägerplatte 1 in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so lange eine Vielzahl von Auskragungen und Vertiefungen auf beiden Oberflächen einer Platte bereitgestellt ist. Vorzugsweise bilden die Vertiefungen eine Vielzahl von Rillen, die parallel in einer konstanten Höhe angeordnet sind, so dass der Abstand zum Auslass für das gefilterte Wasser und der Kanalwiderstand einheitlich werden. In einer solchen Konfiguration fließt das gefilterte Wasser gleichmäßig auf der Membran. Die Breite der Vertiefungen liegt vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 20 mm und insbesondere von 1,5 mm bis 5 mm, um eine hohe Wasserdurchlässigkeit beizuhalten und ein Absinken der Kanalelemente 2 und der Trennmembranen 3 unter schweren Bedingungen der Luftanreicherung zu verhindern. Die Tiefe der Vertiefungen 5 wird innerhalb des Bereichs von 1 mm bis 10 mm festgelegt, um die Dicke des Elements zu unterdrücken und Kanäle für das gefilterte Wasser sicherzustellen. Weiters liegt die durch die Vertiefungen der Trägerplatte ausgebildete Hohlraumfraktion vorzugsweise im Bereich von 15% bis 85%, um die Festigkeit der Trä gerplatte sicherzustellen und den Strömungswiderstand des gefilterten Wassers zu unterdrücken. Hohlraumfraktion bezeichnet die Volumenfraktion von Hohlräumen, die durch die Vertiefungen gebildet werden, zu einer Hohlraumfraktion eines hohlen, rechteckigen Parallelepipeds von 100%: Bei einer Hohlraumfraktion von weniger als 15% ist der Strömungswiderstand zu hoch, um effektiv das gefilterte Wasser zu sammeln. Bei einer Hohlraumfraktion von mehr als 85% nimmt die Festigkeit der Trägerplatte beträchtlich ab.
Die Trägerplatte 1 besteht vorzugsweise aus einem steifen Material mit einer Zugfestigkeit von etwa 15 MPa gemäß dem ASTM-Testverfahren D638. Beispiele für geeignete Materialien sind Metalle wie Edelstahl; Harze wie Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS-Harze), Polyethylen, Polypropylen und Vinylchlorid; und Verbundmaterialien wie faserverstärkte Kunststoffe (RFP).
Das Kanalelement 2 weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm auf, um die Dicke des Elements zu vermindern und gleichzeitig die Fließkanäle aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise wird ein Material mit einer hohen Porosität, so etwa ein Kunststoffnetz, verwendet, um einen Druckabfall zu reduzieren. Die Porosität des Kanalelements liegt vorzugsweise im Bereich von 40% bis 96%.
Mit Bezug auf 8 ist das Trennmembranelement gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mit einem Rahmen 6 am Umfang der Trägerplatte 1 versehen. In diesem Fall kann die Trennmembran 3 zwischen der Trägerplatte 1 und dem Rahmen 6 angeordnet sein, oder sie kann auf der Außenfläche des Rahmens 6 fixiert sein. Das Festmachen kann durch einen Bindevorgang unter Verwendung eines Harzes, durch einen Schweißvorgang der Trennmembran selbst und einen beliebigen anderen Bindevorgang erfolgen. Der Rahmen 6, der mittels Spritzguss oder Extrusion gebildet ist, kann auf dem Umfang der Trägerplatte 1, die mittels ökonomischer Extrusion gebildet wird, um Herstellungskosten zu sparen, eingreifen. Der Rahmen 6 weist vorzugsweise einen U-förmigen Querschnitt auf, so dass die Trägerplatte 1 einfach in Eingriff gebracht werden kann.
Im Trennmembranelement mit einer solchen Konfiguration fließt Wasser, das durch die Trennmembran 3 dringt, in das Kanalelement 2 und die Vertiefungen 5 der Trägerplatte 1 zum Äußeren des Elements durch einen Auslass für das gefilterte Wasser 7 hin.
Die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise in Vorrichtungen zur Abwasserbehandlung verwendet werden. Das Verfahren zur Verwendung der Trennmembran ist nicht eingeschränkt. Nachfolgend wird nunmehr ein bevorzugtes Verfahren zur Verwendung beschrieben.
Mit Bezug auf 11 ist eine Vielzahl von Elementen 9 parallel zueinander im Gehäuse aufgenommen, um auf diese Weise einen Freiraum zwischen den Oberflächen der Trennmembranen 3 zu bilden (7), um das Trennmembranmodul 10 auszubilden. Dieses Trennmembranmodul 1 wird, wie in 12 veranschaulicht, verwendet, indem es in Wasser eingetaucht wird, um mit organischem Abwasser, das in einem Speicher 11 gespeichert ist, behandelt zu werden. Mit Bezug auf 12 weist das Trennmembranmodul 10 eine Vielzahl von Elementen 9 auf, die vertikal angeordnet sind, sowie einen Luftdiffuser 12, um Luft von einem Gebläse 13 zu den Oberflächen der Trennmembranen darin zuzuführen, und es besitzt eine Pumpe 14, die gefiltertes Wasser ansaugt und stromabwärts des Trennmembranmoduls 10 angeordnet ist.
In der Vorrichtung zur Abwasserbehandlung mit einer solchen Konfiguration wird zu behandelndes Wasser, so etwa Abwasser, in Wasser getrennt, das durch die Trennmembranen 3 mittels Ansaugkraft 14 dringt, und in suspendierte Feststoffe wie Mikroorganismusteilchen und anorganische Teilchen, die nicht eindringen. Das Wasser, das durch die Trennmembranen 3 eindringt, fließt durch einen Strömungsweg, der aus dem Kanalelement 2, den Vertiefungen 5 einer Trägerplatte 1, einem im Rahmen gebildeten Sammelkreislauf 8 und dem Auslass für das gefilterte Wasser 7 gebildet ist, ins Äußere des Speichers 11. Während der Filterung erzeugt der Luftdiffuser 12 Bläschen, die parallel zu den Oberflächen der Membranen des Elements 9 durch den Drucklufteffekt nach oben fließen. Dieser nach oben gerichtete Fluss entfernt die Filterreste, die auf den Oberflächen der Membranen abgelagert sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Trennmembranelements gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt einen Behälter und eine spiralförmig gewundene Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Behälter angeordnet ist. Das Element in dieser Ausführungsform wird nunmehr in Bezug auf die 13 beschrieben.
Ein Trennmembranelement 15 umfasst gefaltete Trennmembranen 18, die jeweils einen Maschenabstandshalter 19 enthalten. Diese Trennmembranen 18 sind spiralförmig um ein Mittelrohr 16 gemeinsam mit den Kanalelementen 17 gewunden. Eine Solenabdichtung 20 ist an einem Ende der Windungsstruktur bereitgestellt. In jedem Element 15 fließt Versorgungswasser mit einem bestimmten Druck von der Solenabdichtung 20 durch den Maschenabstandshalter 19 und dringt durch die Trennmembran 18 ein. Das gefilterte Wasser wird durch das Mittelrohr 16 gesammelt.
Dieses Element besitzt eine größere Membranfläche und weist somit im Vergleich zu den oben beschriebenen Elementen, welche die Trägerplatte umfassen, eine hohe Wasserdurchlässigkeit auf. Da dieses Element aber eine relativ geringe Versorgungseffektivität aufgrund der Abweisungsrate der Verunreinigungen an der Versorgungsseite zeigt, ist es für die Behandlung von Meerwasser, Sole und Flusswasser geeignet. Im Fall der Meerwasserbehandlung wird vorzugsweise das durch Schlamm aktivierte Nebenprodukt vorrangig mittels Flockung und Ausfällung, Sandfilterung, Mikrofiltermembran oder Ultrafiltermembran behandelt. Die vorrangigen Behandlungen können allein oder in Kombination durchgeführt werden.
Im Allgemeinen kann die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung im folgenden Verfahren hergestellt werden.
Es wird ein Beschichtungsfilm auf einer Oberfläche oder den Oberflächen des oben beschriebenen porösen Substrats mit einer Harzlösung, die das oben beschriebene Harz, ein Porenbildungsmittel und ein Lösungsmittel enthält, ausgebildet, und das poröse Substrat wird mit dem Lösungsmittel imprägniert. Danach wird das poröse Substrat in ein Koagulationsbad eingetaucht, das ein Nicht-Lösungsmittel enthält, um das Harz zu koagulieren und eine poröse Harzschicht auf den Oberflächen des porösen Substarts auszubilden. Vorzugsweise enthält die Lösung ein Nicht-Lösungsmittel. Die Temperatur der Lösung wird vorzugsweise aus einem Bereich von 15°C bis 120°C in Hinblick auf die Filmausbildungsfähigkeit ausgewählt.
Die Dichte des porösen Substrats beträgt vorzugsweise 0,7 g/cm³ oder weniger und noch mehr bevorzugt 0,6 g/cm³ oder weniger. Liegt die Dichte des porösen Substrats innerhalb des Bereichs, kann das poröse Substrat das Harz, das die poröse Harzschicht bildet, halten, so dass eine adäquate Verbundschicht oder adäquate Verbundschichten aus dem porösen Substrat und dem Harz gebildet wird/werden. Da eine sehr geringe Dichte eine Abnahme der Festigkeit der Trennmembran bewirkt, beträgt die Dichte vorzugsweise zumindest 0,3 g/cm³. Hierin stellt die Dichte eine augenscheinliche Dichte dar, die aus der Fläche, der Dicke und dem Gewicht des porösen Substrats ermittelt werden kann.
Das Porenbildungsmittel wird aus der Harzschicht extrahiert, um Poren in der Harzschicht zu bilden, wenn das poröse Substrat in das Koagulationsbad getaucht wird. Vorzugsweise weist das Porenbildungsmittel eine hohe Löslichkeit im Koagulationsbad auf. Beispiele für das Porenbildungsmittel sind anorganische Salze wie Kalziumchlorid und Kalziumkarbonat. Alternativ dazu können die Porenbildungsmittel Polyoxyalkylene sein, z.B. Polyethylenglykol und Polypropylenglykol; sowie wasserlösliche Polymere, z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral und Polyacrylsäuren; und Glycerin. Das Porenbildungsmittel kann geeignet entsprechend dem Harz ausgewählt werden. So wird z.B. für ein Harz, das vorrangig Polyvinylidenfluorid enthält, ein Polymer bevorzugt, das hauptsächlich Polyethylenglykol enthält. Noch mehr bevorzugt wird ein Polymer, das vorrangig Polyethylenglykol mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von zumindest 10.000 enthält, in Hinblick auf einen Ausgleich zwischen Oberflächenporengröße, Porengrößenverteilung und Durchlässigkeit verwendet.
Das Lösungsmittel löst sich im Harz auf. Das Lösungsmittel wirkt auf das Harz und das Porenbildungsmittel und fördert die Bildung der porösen Harzschicht. Beispiele für Lösungsmittel umfassen N-Methylpyrrolidon (NMP), N,N-Dimethylacetamid (DMAc), N,N-Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Aceton und Methylethylketon. Davon werden vorzugsweise NMP, DMAc, DMF und DMSO verwendet, die sich im Harz hoch auflösen.
Das Nicht-Lösungsmittel löst sich im Harz nicht auf. Das Nicht-Lösungsmittel reguliert die Koagulationsrate des Harzes und somit die Größe der Mikroporen und Makrohohlräume. Beispiele für die Nicht-Lösungsmittel sind Wasser und Alkohole wie Methanol und Ethanol. Davon werden Wasser und Methanol in Hinblick auf die einfache Abwasserbehandlung und die ökonomischen Vorteile bevorzugt. Das Nicht-Lösungsmittel kann ein Gemisch davon sein.
Die Harzlösung enthält vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-% Harz, 0,1 bis 15 Gew.-% Porenbildungsmittel, 40 bis 94,9 Gew.-% Lösungsmittel und 0 bis 20 Gew.-% Nicht-Lösungsmittel. Ein sehr geringer Harzgehalt kann zu einer Verringerung der Festigkeit der porösen Harzschicht führen, während ein sehr hoher Harzgehalt eine Abnahme der Wasserdurchlässigkeit bewirken kann. Ein sehr geringer Porenbildungsmittelgehalt kann zu einer verminderten Wasserdurchlässigkeit führen, während ein sehr hoher Porenbildungsmittelgehalt die Festigkeit der porösen Harzschicht senken kann. Ist der Porenbildungsmittelgehalt sehr hoch, bleibt das Porenbildungsmittel in der porösen Harzschicht zurück und es kann sich bei Verwendung auflösen, was zu einer Verschlechterung der Wasserqualität und zu einer Schwankung der Wasserdurchlässigkeit führen kann. Der Porenbildungsmittelgehalt in der Lösung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-%. Mit einem sehr kleinen Lösungsmittelvolumen wird die Lösung leicht geliert, während ein sehr großes Lösungsmittelvolumen die Festigkeit der porösen Harzschicht reduziert. Der Lösungsmittelgehalt in der Lösung liegt noch mehr bevorzugt im Bereich von 60 bis 90 Gew.-%:
Vorzugsweise enthält die Lösung ein Nicht-Lösungsmittel, da die Größe der Mikroporen auf der Oberfläche der porösen Harzschicht einheitlich werden. Auch wird die Größe der Makrohohlräume leicht reguliert. Eine sehr große Menge an Nicht-Lösungsmittel bewirkt aber eine leichte Gelierung der Lösung. Vorzugsweise liegt die Menge an Lösungsmittel in der Lösung im Bereich von 40 bis 94,8 Gew.-%, während die Menge an Nicht-Lösungsmittel im Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-% liegt. Noch mehr bevorzugt liegt der Lösungsmittelgehalt im Bereich von 40 bis 94,4 Gew.-%, während der Gehalt des Nicht-Lösungsmittels im Bereich von 0,5 bis 15 Gew.-% liegt.
Das Koagulationsbad kann ein Nicht-Lösungsmittel oder ein Gemisch aus einem Nicht-Lösungsmittel und einem Lösungsmittel enthalten. Im Fall der Verwendung eines Lösungsmittels, das ein Nicht-Lösungsmittel enthält, beträgt der Gehalt des Nicht-Lösungsmittels im Koagulationsbad vorzugsweise zumindest 80 Gew.-%. Ein sehr kleiner Gehalt an Nicht-Lösungsmittel bewirkt eine Verzögerung der Koagulation des Harzes, was zu einer Vergrößerung der Mikroporengröße führt und die Ausbildung von Makrohohlräumen hemmt. Noch mehr bevorzugt beträgt der Gehalt des Nicht-Lösungsmittels 85 bis 100 Gew.-%. Enthält die Lösung kein Nicht-Lösungsmittel, so ist der Gehalt des Nicht-Lösungsmittels im Koagulationsbad vorzugsweise geringer als, wenn die Lösung das Nicht-Lösungsmittel enthält; d.h. der Gehalt des Nicht-Lösungsmittels beträgt vorzugsweise zumindest 60 Gew.-%. Ein hoher Gehalt an Nicht-Lösungsmittel verzögert die Koagulation des Harzes, was zur Ausbildung der porösen Harzschicht mit einer dichten Oberfläche führt, die zudem innere Hohlräume besitzt; ein großer Gehalt an Nicht-Lösungsmittel kann aber feine Risse auf der Oberfläche der porösen Harzschicht ausbilden. Die Menge an Nicht-Lösungsmittel liegt noch mehr bevorzugt im Bereich von 60 bis 99 Gew.-%: Der Lösungsmittelgehalt im Koagulationsbad wird angepasst, um die Porengröße auf der Oberfläche der porösen Harzschicht und die Porengröße der Makrohohlräume zu regulieren. Eine sehr hohe Badtemperatur fördert übermäßig die Koagulation, während eine sehr geringe Badtemperatur die Koagulation übermäßig verzögert. Somit liegt die Badtemperatur vorzugsweise im Bereich von 15°C bis 80°C und insbesondere 20°C bis 60°C.
Es kann ein Beschichtungsfilm aus der Lösung auf dem porösen Substrat ausgebildet werden, indem die Lösung auf das poröse Substrat aufgebracht wird, oder indem das poröse Substrat in die Lösung eingetaucht wird. Die Lösung kann auf einer Oberfläche oder auf zwei Oberflächen des porösen Substrats aufgebracht werden. Die Dichte des porösen Substrats beträgt vorzugsweise 0,7 g/cm³ oder weniger, um eine adäquate Imprägnierung des porösen Substrats mit der Lösung zu erreichen, obwohl die bevorzugte Dichte von der Zusammensetzung der Lösung abhängig ist.
BEISPIELE
BEISPIEL 1
Ein Polyvinylidenfluorid-Harz (PVDF-Harz) als Harz, Polyethylenglykol (PEG) mit einem Molekulargewicht von etwa 20.000 als Porenbildungsmittel, N,N-Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel und reines Wasser als Nicht-Lösungsmittel wurden bei 90°C gut durchgemischt, um eine Harzschicht mit der folgenden Zusammensetzung herzustellen:

PVDF: 13,0 Gew.-%

PEG: 5,5 Gew.-%

DMAc: 78,0 Gew.-%

Reines Wasser: 3,5 Gew.-%
Nachdem die Lösung auf 25°C abgekühlt worden war, wurde sie auf einen Polyester-Vliesstoff mit einer Dichte von 0,48 g/cm³ und einer Dicke (A) von 220 μm aufgebracht und unmittelbar danach in reines Wasser bei 25°C 5 Minuten lang eingetaucht. Der Vliesstoff wurde drei Mal in 80°C heißes Wasser getaucht, um DMAc und PEG zu entfernen. Es wurde eine in den 1 und 2 dargestellte Trennmembran auf diese Art und Weise hergestellt. Die poröse Harzschicht und die Verbundschicht wurden im Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet. Die mittlere Größe aller beobachtbaren Mikroporen betrug 0,067 μm, und die Standardabweichung davon betrug 0,033 μm. Es wurde der normal auf die Oberfläche der Trennmembran verlaufende Querschnitt mit dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Makrohohlräume mit einem kurzen Durchmesser von etwa 30 μm (etwa 0,14 × A > 0,05 × A) waren in der porösen Harzschicht und der Verbundschicht verteilt. Die Dicke (B) der porösen Harzschicht betrug etwa 110 μm, und die Dicke (C) der Verbundschicht betrug etwa 220 μm, was im Wesentlichen gleich der Dicke des porösen Substrats war. Somit war B etwa gleich 0,5 × A, was größer als 0,2 × A war, und C/B war etwa gleich 2, was größer als 0,1 war.
Unter Verwendung der Trennmembran wurde die Abweisungsrate für Feinteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm gemessen. Die Abweisungsrate betrug 98%. Das Volumen von durchdringendem Wasser wurde mit einer umgekehrten Osmosemembran auf einer Kopfhöhe von 1 m unter Verwendung von gereinigtem Wasser bei 25°C gemessen. Das Volumen des durchdringenden Wassers betrug 37 × 10^–9 m³/m²·s·Pa.
Wie in den 8 bis 10 dargestellt ist, wurden die resultierenden Trennmembranen 3 mit Kunststoffnetzen verbunden, die auf beiden Oberflächen eines Rahmens mit einem Auslass für gefiltertes Wasser 7 an der Oberseite vorgesehen waren und eine Länge von 320 mm, eine Breite von 220 mm und eine Länge von 5 mm aufwiesen, um ein Element auszubilden. Unter Verwendung dieses Elements wurde ein in 11 dargestelltes Modul hergestellt. Das Modul wurde in einen Speicher mit einer Luftdüse 12 am Boden und einer Tiefe von 500 mm, einer Breite von 150 mm und einer Höhe von 700 mm, wie in 12 dargestellt, eingesetzt. Aktivierter Schlamm mit einer Konzentration von 3.000 mg/l wurde in den Speicher eingefüllt, und es wurde Luft von der Luftdüse mit einer Geschwindigkeit von 20 l/min zugeführt, während ein Durchdringungstest bei einer linearen Durchdringungsrate von 0,4 m/Tag durchgeführt wurde. Ein Differentialfilterdruck, der in 25°C umgewandelt wurde, war klein, d.h. 0,5 kPa im Anfangsstadium und 0,8 kPa 1.000 Stunden später. Nach 1.000 Stunden wurde keine Beschädigung oder Ablösung der porösen Harzschicht beobachtet.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Es wurde eine in den 3 und 4 dargestellte Trennmembran wie im Beispiel 1 hergestellt, nur dass die verwendete Lösung die folgende Zusammensetzung aufwies:

PVDF: 13,0 Gew.-%

PEG: 5,5 Gew.-%

DMAc: 81,5 Gew.-%
Die poröse Harzschicht und die Verbundschicht der resultierenden Trennmembran wurden im Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet. Die mittlere Größe aller beobachtbaren Mikroporen betrug 0,15 μm, und die Standardabweichung davon betrug 0,12 μm. An einigen Stellen kam es zu Mikrorissen mit einer Breite von 1 bis 2 μm. Es wurde der normal auf die Oberfläche der Trennmembran verlaufende Querschnitt mit dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Makrohohlräume mit einem kurzen Durchmesser von etwa 30 μm (etwa 0,14 × A > 0,05 × A) waren in der porösen Harzschicht und der Verbundschicht verteilt. Die Dicke (C) der Verbundschicht betrug etwa 220 μm, was im Wesentlichen gleich der Dicke des porösen Substrats war.
Die gemessene Abweisungsrate der Trennmembran für Feinteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm betrug 60%. Das Volumen an durchdringendem Wasser, das wie im Beispiel 1 gemessen wurde, betrug 39 × 10^–9 m³/m²·s·Pa.
Es wurde ein Durchdringungstest wie im Beispiel 1 durchgeführt. Ein Differentialfilterdruck, der in 25°C umgewandelt wurde, betrug im Anfangsstadium 0,5 kPa und war 1.000 Stunden später auf 6 kPa erhöht. Nach 1.000 Stunden wurde keine Ablösung der porösen Harzschicht beobachtet.
VERGLEICHSBEISPIEL 2
Es wurde eine in den 5 und 6 dargestellte Trennmembran wie im Beispiel 1 hergestellt, nur dass ein Polyester-Vliesstoff mit einer Dichte von 0,90 g/cm³ und einer Dicke (A) von 101 μm als poröses Substrat verwendet wurde.
Die poröse Harzschicht und die Verbundschicht der resultierenden Trennmembran wurden im Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet. Die mittlere Größe aller beobachtbaren Mikroporen betrug 0,067 μm, und die Standardabweichung davon betrug 0,033 μm. Es wurde der normal auf die Oberfläche der Trennmembran verlaufende Querschnitt mit dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Es wurden keine Makrohohlräume beobachtet. Die Dicke (B) der porösen Harzschicht betrug etwa 30 μm, es wurde aber keine Verbundschicht (C) beobachtet. Somit wurde die Membran auf dem Substrat angeordnet. Demgemäß betrug B etwa 0,14 × A, was weniger als 0,2 × A ist, und C/B betrug 0, was weniger als 0,1 ist.
Die gemessene Abweisungsrate der Trennmembran für Feinteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm betrug 98%. Das Volumen an durchdringendem Wasser, das wie im Beispiel 1 gemessen wurde, betrug 10 × 10^–9 m³/m²·s·Pa.
Es wurde ein Durchdringungstest wie im Beispiel 1 durchgeführt. Ein Differentialfilterdruck, der in 25°C umgewandelt wurde, betrug im Anfangsstadium 0,8 kPa. Nach 96 Stunden löste sich die poröse Harzschicht vom porösen Substrat.
VERGLEICHSBEISPIEL 3
Es wurde eine Trennmembran wie im Beispiel 1 hergestellt, nur dass der Polyester-Vliesstoff nach dem Aufbringen der Lösung in eine wässrige 60 Gew.-% DMAc-Lösung 5 Minuten lang eingetaucht wurde. Die Oberfläche, vom porösen Substrat weg, der porösen Harzschicht der resultierenden Trennmembran wurde im Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet. Die mittlere Größe aller beobachtbaren Mikroporen betrug 0,4 μm, und die Standardabweichung davon betrug 0,1 μm.
Die gemessene Abweisungsrate dieser Trennmembran für Feinteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm betrug 80%. Das Volumen an durchdringendem Wasser, das wie im Beispiel 1 gemessen wurde, betrug 40 × 10^–9 m³/m²·s·Pa.
BEISPIEL 2
Die im Beispiel 1 hergestellte Lösung wurde auf 25°C abgekühlt und auf zwei Oberflächen des Polyester-Vliesstoffs, wie im Beispiel 1, aufgebracht. Unmittelbar danach wurde der Polyester-Vliesstoff in reines Wasser bei 25°C 5 Minuten lang eingetaucht, und er wurde drei Mal in heißes Wasser bei 80°C eingetaucht, um DMAc und PEG zu entfernen. Es wurde in einer solchen Weise eine Trennmembran hergestellt.
Es wurde der normal auf die Oberfläche der Trennmembran verlaufende Querschnitt mit eine Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Die Dicke (A) des porösen Substrats betrug 220 μm, und die Abstände von der Mitte des porösen Substrats zu den zwei Oberflächen der porösen Harzschichten betrugen 150 μm und 130 μm. Anders gesagt, wies die dickere poröse Harzschicht eine Dicke von 40 μm und die dünnere poröse Harzschicht eine Dicke von 20 μm auf, was zu einer Gesamtdicke (B) von 60 μm führte. Die Verbundschicht besaß eine Dicke (C) von etwa 220 μm, was gleich der Dicke des porösen Substrats war. Somit betrug B etwa 0,27 × A, was größer als 0,2 × A ist, und C/B betrug etwa 3,7, was größer als 0,1 ist.
Der mittlere Porendurchmesser (d_C) in der Mitte des Querschnitts der porösen Harzschicht betrug 0,4 μm, und die Standardabweichung davon betrug 0,1 μm. Der mittlere Porendurchmesser (d_A) in der Oberfläche, von der porösen Harzschicht weg, des porösen Substrats, betrug 0,07 μm, und die Standardabweichung davon betrug 0,03 μm, während der mittlere Porendurchmesser (d_B) in der Oberfläche, nahe der porösen Harzschicht, des porösen Substrats 0,07 μm betrug und die Standardabweichung 0,03 μm ausmachte. Hierin wurden der mittlere Porendurchmesser und die Standardabweichung davon auf der Grundlage aller Mikroporen ermittelt, die in einem Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet werden konnten. Somit gilt 2d_A = 0,14, was kleiner als d_C ist, und 2d_B = 0,14, was kleiner als d_C ist.
Die gemessene Abweisungsrate dieser Trennmembran für Feinteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm betrug 99%. Das Volumen an durchdringendem Wasser, das wie im Beispiel 1 gemessen wurde, betrug 30 × 10^–9 m³/m²·s·Pa.
Es wurde ein Durchdringungstest wie im Beispiel 1 durchgeführt. Ein Differentialfilterdruck, der in 25°C umgewandelt wurde, betrug im Anfangsstadium 0,6 kPa und nach 1.000 Stunden 1,9 kPa. Nach 1.000 Stunden wurde keine Ablösung der porösen Harzschicht beobachtet.
VERGLEICHSBEISPIEL 4
Die wie im Beispiel 1 hergestellte Lösung wurde auf 25°C abgekühlt und auf zwei Oberflächen desselben Polyester-Vliesstoffs wie im Beispiel 1 aufgebracht. Unmittelbar danach wurde der Polyester-Vliesstoff in eine wässrige 60 Gew.-% DMAc-Lösung bei 25°C 5 Minuten lang eingetaucht, und er wurde drei Mal in heißes Wasser bei 80°C eingetaucht, um DMAc und PEG zu entfernen. Es wurde in einer solchen Weise eine Trennmembran hergestellt.
Es wurde der normal auf die Oberfläche der Trennmembran verlaufende Querschnitt mit einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Die Dicke (A) des porösen Substrats betrug 220 μm, und die Abstände von der Mitte des porösen Substrats zu den zwei Oberflächen der porösen Harzschichten betrugen 150 μm und 130 μm. Anders gesagt, wies die dickere poröse Harzschicht eine Dicke von 40 μm und die dünnere poröse Harzschicht eine Dicke von 20 μm auf, was zu einer Gesamtdicke (B) von 60 μm führte. Die Verbundschicht besaß eine Dicke (C) von etwa 220 μm, was gleich der Dicke des porösen Substrats war. Somit betrug B etwa 0,27 × A, was größer als 0,2 × A ist, und C/B betrug etwa 3,7, was größer als 0,1 ist.
Der mittlere Porendurchmesser (d_C) in der Mitte des Querschnitts der porösen Harzschicht betrug 0,6 μm. Der mittlere Porendurchmesser (d_A) in der Oberfläche, von der porösen Harzschicht weg, des porösen Substrats, betrug 0,4 μm, während der mittlere Porendurchmesser (d_B) in der Oberfläche, nahe der porösen Harzschicht, des porösen Substrats 0,4 μm betrug. Hierin wurde der mittlere Porendurchmesser auf der Grundlage aller Mikroporen ermittelt, die in einem Umfang von 9,2 μm × 10,4 μm mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von ×10.000 beobachtet werden konnten. Somit gilt 2d_A = 0,08, was größer als d_C ist, und 2d_B = 0,8, was größer als d_C ist.
Die gemessene Abweisungsrate dieser Trennmembran für Feinteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,9 μm betrug 80%. Das Volumen an durchdringendem Wasser, das wie im Beispiel 1 gemessen wurde, betrug 40 × 10^–9 m³/m²·s·Pa.
Wie oben beschrieben wurde, weist die Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Abweisungsrate und eine hohe Wasserdurchlässigkeit auf und verklumpt nicht. Weiters kann die Trennmembran leicht in einem Verfahren zur Herstellung einer Trennmembran gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.

Claims

Trennmembran, umfassend ein poröses Substrat und eine poröse Harzschicht auf zumindest einer Oberfläche des porösen Substrats, wobei die poröse Harzschicht ein Harz umfasst und ein Teil des Harzes in das poröse Substrat eindringt, um mit dem porösen Substrat eine Verbundschicht zu bilden, wobei für die Trennmembran Folgendes gilt: B ≥ 0,2 × Aund C/B ≥ 0,1worin A für die Dicke des porösen Substrats steht, B für die Dicke der porösen Harzschicht steht und C für die Dicke der Verbundschicht steht; und worin die poröse Harzschicht eine mittlere Porengröße im Bereich von 0,01 bis 0,2 μm und eine Standardabweichung der Porengröße an der Oberfläche von 0,1 μm oder weniger aufweist.
Trennmembran nach Anspruch 1, worin das poröse Substrat eine Dichte von 0,7 g/cm³ aufweist.
Trennmembran nach Anspruch 1 oder 2, worin das poröse Substrat eine organische Faser umfasst.
Trennmembran nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das poröse Substrat einen Vliesstoff umfasst.
Trennmembran nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Harz Polyvinylidenfluorid als Hauptkomponente umfasst.
Trennmembran nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die poröse Harzschicht Makrohohlräume mit kurzen Durchmessern von 0,05 × A oder mehr, gemessen in einem senkrecht zur Oberfläche der porösen Harzschicht stehenden Querschnitt, aufweist und die Abweisungsrate der Trennmembran von Mikroteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,9 μm zumindest 90% beträgt.
Trennmembran nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das poröse Substrat die poröse Harzschicht auf zwei Oberflächen aufweist und Folgendes gilt: 2dA ≤ dC 2dB ≤ dC worin d_A für die mittlere Porengröße an der Oberfläche einer der porösen Harzschichten steht, d_B für die mittlere Porengröße an der Oberfläche der anderen porösen Harzschicht steht und d_C für die mittlere Porengröße in dem zentralen Querschnittsbereich der Trennmembran in der Richtung der Dicke steht.
Verwendung einer Trennmembran nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einer Abwasserbehandlungsvorrichtung.
Trennmembranelement, umfassend eine Trennmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einen Träger.
Trennmembranelement nach Anspruch 9, umfassend eine Trägerplatte als Träger und eine Trennmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7 an zumindest einer Fläche der Trägerplatte.
Verwendung eines Trennmembranelements nach Anspruch 9 oder 10 bei der Abwassertrennung.
Trennmembranmodul, umfassend eine Vielzahl von Trennmembranelementen und ein Gehäuse, welches die Trennmembranelemente enthält, wobei jedes Trennmembranelement eine Trennmembran umfasst, worin die Trennmembranen Membranen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassen.
Trennmembranmodul nach Anspruch 12, worin die Trennmembranelemente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, um zwischen den benachbarten Trennmembranen Freiräume zu bilden.
Verwendung eines Trennmembranmoduls nach Anspruch 12 oder 13 bei der Abwasserbehandlung, wobei das Trennmembranmodul in das zu behandelnde Abwasser eingetaucht wird.
Abwasserbehandlungsvorrichtung, umfassend ein Trennmembranmodul nach Anspruch 12 oder 13.
Verfahren zur Herstellung einer Trennmembran, umfassend die Schritte des Aufbringens einer Harzlösung, welche ein Harz, ein Porenbildungsmittel, das Polyethylenglykol mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von zumindest 10.000 als Hauptkomponente umfasst, ein Lösungsmittel für das Harz und ein Nicht-Lösungsmittel für das Harz enthält, auf zumindest einer Oberfläche eines porösen Substrats, das eine Dichte von 0,7 g/cm³ oder weniger aufweist, um einen Beschichtungsfilm auszubilden und das poröse Substrat mit der Lösung zu imprägnieren; und des Eintauchens des porösen Substrats in ein Koagulationsbad, das ein Nicht-Lösungsmittel für das Harz enthält, um das Harz zu koagulieren und eine poröse Harzschicht auf der Oberfläche des porösen Substrats auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das Nicht-Lösungsmittel für das Harz aus Wasser und Alkoholen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die Lösung 5 bis 30 Gew.-% des Harzes, 0,1 bis 15 Gew.-% des Porenbildungsmittels, 40 bis 94,8 Gew.-% des Lösungsmittels für das Harz und 0,1 bis 20 Gew.-% des Nicht-Lösungsmittels für das Harz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, worin das Koagulationsbad zumindest 80 Gew.-% des Nicht-Lösungsmittels für das Harz umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, worin auf zwei Oberflächen des porösen Substrats Beschichtungsfilme der Lösung ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, worin die Temperatur der Lösung im Bereich von 15°C bis 120°C liegt und die Temperatur des Koagulationsbads im Bereich von 15°C bis 80°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, worin das poröse Substrat einen Vliesstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, worin das Harz Polyvinylidenfluorid als Hauptkomponente umfasst.