DE68917460T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Filtrieren von kolloidalen Suspensionen. - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Filtrieren von kolloidalen Suspensionen.Info
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
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Description
- Die vorliegende Erfindung betriffi eine Vorrichtung zum Abtrennen einer Komponente aus einer Suspension, die aus einer Flüssigkeit und Teilchen mit einer Größe von weniger als 50 um besteht, und die Verwendung einer solchen Vorrichtung.
- Durchlässige Membranen wurden zum Abtrennen von Ionen, Molekülen und Feststoffen aus dem flüssigen Anteil der kollodialen Suspension verwendet. Obwohl in dieser Hinsicht die Filtrierung eingesetzt wurde, ist ein stets anzutreffendes Problem das Verstopft- und Verschmutzwerden der Filtermembran. Verfahren zur Verbesserung der Membrandurchtrittsraten (Entwässerungsraten) sind im Stand der Technik beschrieben. Solche Verfahren umfassen das Scheren einer Flüssigkeitsaufschlämmung über die Membran in tangentialem Fluß, d.h. die Querströmungsfilterung. Ein solches Verfahren sieht die Verwendung einer Pumpe vor, um die Zufuhraufschlämmung dazu zu zwingen, tangential zur Entwässerungsmembran zu fließen. Die resultierende Scherwirkung hat zur Folge, daß konzentriertes Material, üblicherweise in Form eines Filterkuchens, von der Oberfäche der Membran entfernt wird. Daher wird die Flüssigkeitsentfernungsrate durch die Membran hindurch erhöht. Leider erfordert das Vorsehen von Pumpen zum Zwangsfördern der Zufuhraufschlämmung in dieser Weise kostspielige und sperrige Geräte und führt zu großen Problemen beim Abdichten des Gefäßes, in dem sich die kollodiale Suspension befindet.
- Die US PS 4.253.962 schlägt die Anwendung von durch Ultraschall-Transducem erzeugten Schallschwingungen vor, um an der Membranoberfläche Kavitation hervorzurufen. Die US PS 4.526.688 schlägt ein Stoßtyp-System vor, worin die Membranträgerstruktur und eine Filtervorrichtung periodisch einer Schlagbeanspruchung unterzogen werden, um ein Abfallen des Filterkuchens von der Membran zu bewirken. US PS 4.545.969 setzt eine Scherplatte ein, die parallel zu einer feststehenden Membran in Schwingung versetzt wird. US PS 3.970.564 beschreibt ein System, worin eine Membran in einer zur Membran normal verlaufenden Richtung in Schwingung versetzt wird. Die US Psen 4.062.768 und 4.446.022 zeigen Klassierungs- und Siebgeräte, die in der Trockenmineral- und Naßpulverklassierung verwendet werden, worin das Sieb parallel zur Sieboberfläche in Schwingung versetzt wird, um ein Durchrieseln des Pulvers durch die Siebporen zu bewirken. Keines dieser Geräte eignet sich zum Abtrennen der Komponenten aus einer kollodialen Suspension bei der Verwendung eines Druckgefäßes für Unter- bzw. Überdruck.
- Der durch Milipore Products Division in Bedford, MA erzeugte CX-Ultrafilter zeigt ein System zum Abtrennen von Proteinen aus wässerigen Lösungen. Das System verwendet eine zylindrische Sonde, die in ein Testrohr eingeführt wird, das die aufzutrennende Lösung enthält. Die zylindrische Sondenwand besteht teilweise aus einem Membranmaterial, und die Proteine treten aus der Lösung, die das ringförmige Volumen zwischen der Sonde und der Testrohrwand ausfüllt, durch den Filter hindurch. Die zylindrische Sonde wird mit einer kleinen Amplitude (weniger als 0,01 cm) und bei 60 Hz in Schwingung versetzt. Die zwischen gegenüberliegenden Wänden der Sonde und des Testrohrs entstehende Scherwirkung ist teilweise wirksam, um das Verstopfen der Membran durch die Proteine zu verringern.
- Im allgemeinen ist das Verfahren der Querstrommikrofiltrierung und -ultrafiltrierung eingeschränkt, da es schwierig ist, Scherraten von mehr als 20.000 sek&supmin;¹ Intensität zu erzielen. Solche hohen Intensitäten erfordern eine äußerst große Leistungsmenge und das Vorsehen von unwirtschaftlichen Einlaßdrücken. Weiters sind solche Membranen oft in einem rechteckigen Druckgefäß wie ein Platten- und Rahmenquerstromgerät angeordnet. Der Druckabfall quer zur Membran wird durch die inhärent schwachen Gefäßwände begrenzt.
- Ein Membranfiltergerät, das fähig ist, eine große Scherintensität auf dem Äußeren oder der Oberfläche der Membran gleichzeitig mit dem Anlegen eines großen Druckabfalls quer zur gesamten Membran zu bewirken, um hohe Durchtrittsraten zu erzielen, wäre auf dem Gebiet der Filtrierungs- und Komponentenabtrennung ein großer Fortschritt.
- Die DE-A-24 49 817 beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Filtrieren von Suspensionen und zum Ultraschallfiltrieren von Lösungen mit einem hohen Molekulargewicht. Der Filterkuchen auf der Filterschicht wird durch Schwingungen fluidisiert und durch Rühren in die Suspension eingemischt. In einer geoffenbarten Ausführungsform ist eine Vielzahl paralleler, plattenförmiger Filterelemente vorgesehen, die in einem feststehenden, die Suspension enthaltendem Gefäß hin- und herbewegend in Schwingung versetzt werden.
- Die vorliegende Erfindung stellt eine nützliche Vorrichtung zum Konzentrieren, Entwässern oder Auftrennen von Suspensionen mit Teilchen von weniger als 50 um, insbesondere von kolloidalen und molekularen Aufschlämmungen, durch Anwendung von Membranfiltrierung bereit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Anspruch 1 angeführt.
- Ein kolloidales Teilchen ist im allgemeinen als Teilchen definiert, das eine solche Größe aufweist, daß die dominierenden, die Teilchenbewegung in einer Flüssigkeit beeinflussenden Kräfte Oberflächenkräfte sind; z.B. Oberflächenladungswechselwirkung, Van der Waals-Kräfte, u.ä. Dies tritt normalerweise unterhalb einer Teilchengröße von 50 um auf. Praktischerweise schließt diese Definition feinteilige Tone, Proteinmoleküle und Ionen ein.
- Das die Suspension enthaltende Gefäß kann ein Druckgefäß sein und als zylindrischer oder kugelförmiger Körper ausgebildet sein. Eine Filtermembran mit Innen- und Außenflächen ist um einen Träger herum abgedichtet, um ein Blattelement zu bilden. Die Innenfläche der Membran kann mit dem Träger des Blattelements zur Bewegung damit verbunden sein. Das Blattelement enthält auch einen Auslaß zum Ableiten der ausgewählten, die Membran durchdringenden Komponenten der Suspension (Permeate). Ein solcher Auslaß kann als Teil des Trägerelements ausgebildet sein. Die Membran kann auch zu einem Entwässerungsmaterial laminiert sein, z.B. einem offen gewebten Tuch, das zwischen der Innenfläche der Membran und dem Träger angeordnet ist.
- Das Schwingungserzeugungsmittel kann einen Vibrator und eine Stange oder eine Welle enthalten, die mit dem Träger des Blattelements verbunden ist. Eine solche Stange kann hohl sein und somit die Permeate vom Inneren des Blattelements aus dem Gefäß ableiten. Das Blattelement ist starr an einem Behältergefäß befestigt; sowohl das Druckgefäß als auch die befestigten Blattelemente werden in Schwingung versetzt.
- Eine Schwingung wird torsional etwa parallel zum Blattelement angelegt, um zwischen dem Blattelement und der flüssigen Aufschlämmung oder kolloidalen Suspension im Gefäß eine Scherwirkung zu erzeugen.
- Das Blattelement oder die Blattelemente können einseitig oder doppelseitig sein. Im letzteren Fall könnte der Träger innerhalb des Blattelement solcherart geformt sein, daß eine Vielzahl an Membranflächen aufgenommen werden. In dieser Hinsicht kann der Träger fest sein oder eine offene Konstruktion aufweisen, z.B. ein starres Sieb.
- Es ist auch ein Mittel zum Anlegen eines Druckeinflusses vorgesehen, um das Durchdringen der Membran durch die Permeate anzuregen oder zu fördern. Ein solcher Druck kann in Form eines Vakuums vorliegen, das mit dem Auslaß des Blattelements oder der Blattelemente kommuniziert; in einer solchen Ausbildung wäre das Druckgefäß gegenüber dem Umgebungsdruck offen. Auf der anderen Seite könnte das Gefäß als ein Druckgefäß konstruiert sein, um einen Überdruck aufzunehmen, der auf die Aufschlämmung oder kolloidale Suspension und in der Folge auf die Membran einwirkt, um den Permeattransport zum Inneren des Blattelements oder der Blattelemente zu erhöhen.
- Vorteile, die man durch die erfindungsgemäßen Ausführungsformen erreichen kann, sind das Abtrennen ausgewählter Komponenten aus einer kolloidalen Suspension mit einer sehr hohen Permeatflußrate; das leichte Abdichten zur Verwendung in Umgebungen mit Unter- oder Überdruck; das in Schwingungen Versetzen einer durchlässigen Membran mit verschiedenen Frequenzen, die den Schereigenschaften der durch die Membran aufgetrennten kolloidalen Suspension entsprechen; die Möglichkeit, eine Vielzahl Blattelemente in einem die kolloidale Suspension aufnehmenden Druckgefäß anzuordnen; die verbesserten Filtrierraten kolloidaler Suspensionen durch Vermeiden des Verstopfens der Filtermembran in einem solchen Filtrierungsvorgang; und die Anwendung einer Schwingung, die Torsionsbewegung verursacht.
- Es folgt eine beispielhafte Erläuterung bestimmter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
- Fig.1 eine axiale Schnittansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Verwendung einer Vielzahl an Membranblattelementen ist;
- Fig.2 eine axiale Schnittansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Verwendung einer Vielzahl an Membranblattelementen ist;
- Fig.3 eine Schnittansicht entlang Linie 13-13 von Fig.2 ist;
- Fig.4 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der in Figuren 2 und 3 gezeigten zweiten Ausführungsform ist.
- Fig.1 zeigt die Ausführungsform 10C der vorliegenden Erfindung, worin eine Vielzahl runder Blattelemente 144 mit einer Mittelwelle 145 verbunden ist. Beispeilsweise enthält ein scheibenförmiges Element 146, das eine ähnliche Konstruktion wie jedes der Vielzahl an Blattelementen 144 aufweist, eine Trägerstruktur 148 und ein Paar damit laminierte Membranen 150 und 152. Eine Welle 154 verfügt über einen Durchgang 156, der das Permeat von der Öffnung 158 durch den Träger 148 führt. Der Durchtritt 156 führt zu einem zentralen Durchtritt 160 in der Welle 145. Eine Vielzahl runder Scheibenblattelemente 144 sind innerhalb eines zylindrischen Gefäßes 162 mit der Mittelwelle 145 verbunden. Eine Aufschlämmung oder kolloidale Suspension 164 wird in das Gefäß 162 gefüllt, um die Vielzahl an Blattelementen 144 zu berühren. Man beachte, daß die Welle 145 an der Basis 166 durch geeignete Befestigungsmittel wie Schweißen, Kleben u.ä. starr am zylindrischen Gefäß 162 befestigt ist. Natürlich würde eine solche Befestigung von 145 am Gefäß 162 den Austritt von Aufschlämmung 164 durch die Öffnung 168 im Gefäß abdichtend verhindern. Das zylindrische Gefäß 162 ist auch mit einer starren Antriebswelle 170 verbunden. Die Antriebswelle 170 umfaßt einen L-förmigen Durchgang 172, der bei Nippel 174 aus der Welle 170 austritt. Die Welle 170 wird durch einen Torsionsvibrator 176 angetrieben. Ein flexibles Rohr 178 steht in abdichtendem Eingriff mit dem Nippel 174, um den Weg des Permeats aus der Aufschlämmung 164 zum Auslaß 180 gemäß dem Richtungspfeil 182 zu vervollständigen. Anders gesagt unterstützt die Vakuumpumpe 185 den Rückzug des Permeats aus der Aufschlämmung 164 aus dem offenen Gefäß 162 durch den Mitteldurchgang 160 der Welle 145, die Öffnung 168 im Gefäß 162, den Durchgang 172 der Antriebswelle und durch das flexible Rohr 178 zum Auslaß 180.
- Bezugnehmend auf Fig.2 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, worin eine Vielzahl an scheibenförmigen Blattelementen 184 innerhalb eines zylindrischen Druckgefäßes 186 gezeigt werden. Bezugnehmend auf Fig.3 ist ein Detail des scheibenförmigen Blattelements 188 dargestellt. Die Peripherie des Trägerelements 190 endet in vier Zungen 192, 194, 196 und 198. Jede dieser Zungen greift in eine korrespondierende Nut, z.B. die Nuten 200, 202, 204 und 206, ein, die in eine Seitenwand 208 des Druckgefäßes 186 eingearbeitet sind. Ein zylindrisches Trägerelement 210A, das sich im Druckgefäß 186 befindet, erlaubt das Vorstapeln einer Vielzahl an Blattelementen 184, um ein genaues Passen derselben im Druckgefäß 186 zu ermöglichen. Wieder bezugnehmend auf Fig.3 kann man sehen, daß das Blattelement 188 als Kreisring mit einem Paar Membranen 210 und 212 ausgebildet ist, die zum Außenrand 214 und Innenrand 216, welche die Öffnung 218 umgeben, wärmeabgedichtet sind. Man beachte, daß die Membran 212 in gleicher Weise zu jener Seite abgedichtet ist, die der in Fig.3 dargestellten Seite des Blattelements 184 gegenüberliegt. Das Permeatableitungsrohr 220 ist durch die Öffnung 222 durch das Druckgefäß 186 und den/der Durchgang 224 durch das Trägerelement 190 in das Blattelement 184 eingesetzt. Das Permeat aus der Aufschlämmung oder der kolloidalen Suspension 224 tritt durch das Rohr 220 aus und gelangt gemäß dem Richtungspfeil 228 zur Rohrverzweigung 226. Eine druckdichte Buchse 231 dichtet gegenüber jedem Lecken über den Durchgang 222 außerhalb des Druckgefäßes 186 ab. Die Vielzahl an Blattelementen 184 ist ähnlich wie das Blattelement 188 konstruiert.
- Wieder bezugnehmend auf Fig.2 kann man feststellen, daß das Druckgefäß 186 aus einem zylindrischen Körper 230 und einem Plattenpaar 232 und 234 besteht. Eine Vielzahl langer Bolzen 236 erstreckt sich von der oberen Platte 232 zur Boden platte 234, wo sie eingeschraubt werden. Ein Druckerzeugungsmittel 238 zum Fördern der Auftrennung der Aufschlämmung 225 kann die Form einer Druckpumpe 240 aufweisen, über die Druck an die Aufschlämmung 225 und letzlich an die Vielzahl an Blattelementen 184 angelegt wird. Ein Entnahmeventil 242 ermöglicht die Entfernung von konzentriertem Material aus dem Druckgefäß 186. Bezugnehmend auf Fig.3 sei festgehalten, daß jedes der Vielzahl an Blattelemente 184 einen Spalt 244A aufweist, der das Zirkulieren der Aufschlämmung 225 um die Vielzahl an Blattelemente 184 ermöglicht. Natürlich tritt die Aufschlämmung 225 nicht in die im Druckgefäß 186 ausgebildeten Nuten, um an den vier Zungen in jeder der Vielzahl an Blattelementen 184 anzugreifen, ein.
- Bezugnehmend auf Fig.4 ist das Druckgefäß 186 schematisch dargestellt; man geht davon aus, daß es, wie detailliert in Figuren 2 und 3 beschrieben, eine Vielzahl gestapelter Blattelemente 184 enthält. Das Druckgefäß 186 ist an einer Torsionsfeder 244 befestigt, die ihrerseits starr an einer seismischen Masse 246 befestigt ist. Der Torsionskraft-Transducer 248, der ein bürstenloser Dauermagnetmotor mit einem Rotor niedriger Massenträgheit ist, ist über die Welle 250 oben am Druckgefäß 186 befestigt. Eine Wechselstromanspeisung 252 treibt den Krafttransducer 248 bei der natürlichen Frequenz des Torsionsschwingungssystems an, das durch die oben beschriebenen Elemente gebildet ist. Man beachte, daß die Torsionsfeder 244 eine Schraubenfeder, Torsionsstange oder ein ähnliches Torsionsfederelement sein kann.
- Im Betrieb wird jede erfindungsgemäße Ausführungsform jeweils durch Schwingungserzeugungsmittel wie einen Torsionsvibrator 176 bzw. einen Torsionskraft- Transducer 248 in Schwingung versetzt. Das jeweilige Blattelement oder die jeweiligen Blattelemente ermöglichen, daß das Permeat aus jedem aufschlämmungshältigen Gefäß abfließt. In bestimmten Fällen wird der Permeatfluß durch Druckerzeugungsmittel wie eine Vakuumpumpe oder eine Druckpumpe unterstützt. Beispielsweise werden in Ausführungsformen 10C und 10D jeweils die Vakuumpumpe 185 und die Druckpumpe 240 auf diese Weise verwendet.
- Jedes erfindungsgemäße Abtrennsystem sorgt für eine hohe Scherintensität auf der Außenfläche oder den Außenflächen der Blattelementmembranen, ohne auf das Querstrompumpen der in einem bestimmen Gefäß vorhandenen kolloidalen Suspension oder Aufschlämmung zurückzugreifen. Schwingungen können sowohl in den Membranblattelementen als auch im umgebenden Druckgefäß hervorgerufen werden. Beispielsweise kann in Ausführungsformen 10C und D ein gleichzeitiges Anlegen von hohem Scher- und hohem Unter- bzw. Überdruck quer über die Membran erreicht werden. Es wurden beispielsweise Schwingungsfrequenzen von etwa 70 Hertz (Hz) mit einer Verlagerungsamplitude von 10 cm von Peak zu Peak in Kombination mit einem Druckabfall quer über die Membran von mehreren hundert PSI unter Verwendung eines an einer Torsionsfeder montierten Druckgefäßes aus Stahl erreicht. Die resultierende höhere Permeatflußrate wird zu niedrigeren Kosten als mit Querstromsystemen erreicht. Man ist der Ansicht, daß die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung höhere Scherintensitäten auf den jeweiligen Membranblattelementen erzeugen, die weit über jenen liegen, die typischerweise durch Querstromvorrichtungen oder sämtliche Schwingungsfiltervorrichtungen erreicht werden, die im Stand der Technik beschrieben sind. Man stellte fest, daß die auf dem Blattelement erzeugte besondere Schwingung die gleiche Flüssigkeitsbewegung auf der Stirnseite oder Außenfläche des verwendeten Membranblattelements hervorruft. In dieser Hinsicht wird Schwingung immer angelegt, um eine Scherwirkung zwischen der Membran und der Aufschlämmung oder kolloidalen Suspension hervorzurufen, in welche die Membran eingetaucht ist. Schwingung wird daher tangential zur Stirnseite oder Außenfläche eines bestimmten Blattelements angelegt. Flüssigkeit, welche die Membranstirnseite berührt, bewegt sich aufgrund der kein Gleiten zulassenden Grenzflächenbedingungen, denen alle Flüssigkeiten gehorchen, genau mit der Geschwindigkeit der Membran. Mit zunehmendem Abstand von der Stirnseite oder Außenfläche der Membran nimmt die Fluidgeschwindigkeitsamplitude exponentiell als die Hüllkurve einer sich ausbreitenden Scherwelle ab. Die Abnahmelänge der Scherwellenamplitude kann wie folgt ausgedrückt werden:
- Ls (u/ ω) 1/2
- worin
- ω die Aufschlämmungsviskosität ist,
- die Aufschlämmungsdichte ist und
- ω die Schwingungsfrequenz in Radian/sek ist. Man beachte, daß im Falle die Schwingungsfrequenz f in Hz ausgedrückt wird, ω - 2π f.
- Innerhalb von 3 oder 4 Abnahmelängen (typischerweise ein Bruchteil eines Millimeters) ist die Scherintensität im wesentlichen null. An diesem Punkt ist die Flüssigkeit stationär. Wenn die Schwingungsbewegung des Membranblattelements sinusförmig ist, kann die Geschwindigkeit der Membranoberfläche (u) folgendermaßen ausgedrückt werden:
- u δ ω sin ω t
- worin 8 die Maximalverlagerung des Membranblattes aus seiner durchschnittlichen Position ist.
- Die Scherintensität (S) an der Stirnfläche der Membran kann als etwa
- S = 157 f 1,5 δ
- in c.g.s.-Einheiten berechnet werden. Somit bewirkt ein Schwingfilter, bei dem die Schwingungsfrequenz 10 Hz und die maximale Verlagerungsamplitude 10 cm betragen, eine Scherintensität der Stirnfläche der Membran von 49.000 sek&supmin;¹. Entsprechend würde ein Membranblattelement, das bei 50 Hz mit einer Verlagerungsamplitude von 1 cm schwingt, eine Scherintensität von 55.000 sek&supmin;¹ hervorrufen. Viele Kombinationen von Frequenz- und Verlagerungsamplituden würden den gleichen Scherwert bewirken.
- Es wurde in Versuchen festgestellt, daß die Permeatrate bei festgelegtem Druckabfall quer zur Membran oft proportional zur Quadratwurzel der hierin definierten Scherintensität zunimmt. Die Permeatrate nimmt bei festgelegter Scherintensität auch proportional zur Quadratwurzel des Druckabfalls quer über die Membran zu. Wenn sowohl die Scherintensität als auch der Druckabfall quer zur Membran zunehmen, erhöht sich die Permeatrate proportional zur Quadratwurzel des Produkts aus Scherintensität mal Druck. Dies läßt vermuten, daß man die höchste Permeatratensteigerung durch gleichzeitiges Anwenden einer sehr intensiven Scherwirkung und eines sehr großen Druckabfalls quer zur Membran erzielen kann.
- Letztlich hängt die mit der vorliegenden Erfindung maximal zu erzielende Scherintensität in hohem Ausmaß von der Stärke des zum Konstruieren der Membranblattelemente verwendeten Materials ab. Die auf die Blattelemente wirkende Kraft ist proportional zur Beschleunigung mal Masse der Blattelemente:
- F = ma
- Die Spitzenbeschleunigung ist zum Quadrat der Frequenz mal der Verlagerung proportional. Somit nimmt die auf die Blattelemente wirkende Kraft proportional zum Quadrat der Frequenz zu.
- In den bevorzugten Ausführungsformen liegt der bevorzugte Bereich von Frequenzen, die durch die oben beschriebenen Schwingungserzeugungsvorrichtungen hervorgerufen werden, zwischen 5 und 300 Hz. Es stellte sich heraus, daß der Niederfrequenzbetrieb zwar niedrige "g"-Kräfte auf die Membranblattelemente zur Folge hat, jedoch hohe Verlagerungsamplituden erfordert. In bestimmten Fällen können solche Amplituden schwer zu steuern sein. Wenn weiters die den Membranblattelementen erteilte Frequenz zu niedrig ist, müssen die Abstände zwischen den wie in Figuren 1 und 2 gestapelten parallelen Blattelementen erhöht werden. Anders gesagt muß man ermöglichen, daß sich die Scherzone über einen größeren Abstand von der Außenfläche oder Stirnseite der Membranen der Membranblattelemente erstreckt. Man stellte weiters fest, daß ein Erhöhen der Frequenzen der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen auf oberhalb einer Frequenz von 300 Hz zu einer eher kleinen Zunahme der Scherintensität und zu einer eher großen Steigerung der "g"-Kräfte führt. Es können jedoch andere Materialien und Anordnungen den oben beschriebenen bevorzugten Frequenzbereich ausdehnen. Bei den dargestellten Ausführungsformen würde der normale Betrieb jedoch zwischen 20 und 150 Hz stattfinden. Das untere Ende dieses Bereichs (bei etwa 20 Hz) kann zur Auftrennung von Aufschlämmungen niedriger Viskosität dienen, insbesondere jener, die scherempfindlich sind, z.B. zellulare Suspensionen. Im Gegensatz kann das obere Ende des Bereichs (bei etwa 150 Hz) zur Abtrennung von Molekülen in Ultrafiltrierungs- und Umkehrosomoseanwendungen dienen. Eine solche höhere Frequenz kann dazu dienen, sehr hohe Scherintensitäten in nicht-scherempfindlichen Materialien mit hoher Viskosität hervorzurufen, wie dies z.B. in einer als Mikrofiltrierung von Mineraltonen bekannten Anwendung der Fall ist.Üblicherweise kann die Betriebsfrequenz der bevorzugten Ausführungsformen zwischen 40 und 70 Hz liegen.
- Ebenso kann die Verlagerungsamplitude der in jedem beliebigen der obigen Systeme hervorgerufenen Schwingung davon abhängen, ob die zu filternden Materialien scherempfindlich sind. Viele lebende Zellen und Moleküle, die biologisch von Bedeutung sind, sind scherempfindlich. In diesem Fall müßte die Schwi ngungsverlagerungsamplitude und/oder Betriebsfrequenz herabgesetzt werden, um eine Scherintensität von weniger als 10.000 - 20.000 sek&supmin;¹ zu bewirken. Nichtscherempfindliche Materialien wie Mineraltone können bei sehr hohen Intensitäten von 500.000 sek&supmin;¹ oder mehr verarbeitet werden. Es ist in einer solchen Anwendung besonders vorteilhaft, eine hohe Scherintensität und einen hohen Druck quer zur Membran anzulegen, um eine sehr hohe Permeatflußrate zu erzielen.
- Generell verbesserten das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebenen Vorrichtungen das Filtrieren von kolloidalen Suspensionen durch Verhindern des Verstopfens der Filtermembran. Man ist der Ansicht, daß das Vorsehen einer rigorosen Scherströmung an der Grenzfläche zwischen dem Filter und Membran und der Suspension die konzentrierte Polarisierungsschicht entfernt, die hauptverantwortlich für das Verstopfen der Filtermembran ist.
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Abtrennen einer Komponente aus einer Suspension,
die aus einer Flüssigkeit und Teilchen mit einer Größe von weniger
als 50 um besteht, umfassend:
a. ein Gefäß (162, 186), das die Suspension aufnehmen kann
b. eine Vielzahl an Blattelementen (146, 188), die sich in paralleler
Anordnung innerhalb des Gefäßes befinden, wobei jedes der genannten
Elemente eine filtriermembran (150, 152, 210, 212) umfaßt, die für
ausgewählte Komponenten der Suspension durchlässig und um einen
darunterliegenden Träger (148, 190) herum abgedichtet ist, wobei die
Membranen eine Außenfläche zum Kontakt mit der Suspension innerhalb
des Gefäßes und eine dem Träger zugewandte Innenfläche aufweisen und
der Träger einen Auslaß (154, 224) für das Permeat enthält
c. Mittel (185, 240) zum Anlegen einer Druckdifferenz über die Membranen
dadurch gekennzeichnet, daß
d. die genannten Blattelemente (146, 188) starr am Gefäß (162, 186)
befestigt sind
e. Mittel (176, 248) zum Versetzen des Gefäßes und aller Blattelemente
in Torsionsschwingungen vorgesehen sind, um Scherkräfte parallel zur
Außenfläche der Membranen hervorzurufen, und daß
f. eine Vorrichtung mit Rührmitteln nicht vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Mittel zum Anlegen einer
Druckdifferenz eine Vakuumquelle (185) umfaßt, die auf einen Auslaß
jedes Blattelements wirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Mittel zum Anlegen einer
Druckdifferenz eine positive Druckquelle (240) umfaßt, die auf die
Filtrieroberfläche der Membranen wirkt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin genanntes Mittel
zum Versetzen des genannten Gefäßes (186) in Torsionsschwingungen
folgendes umfaßt:
a. eine Torsionsfeder (244), die mechanisch mit dem genannten Gefäß
verbunden ist;
b. eine seismische Masse (246), wobei die genannte Torsionsfeder auch
mit der genannnten seismischen Masse verbunden ist;
c. einen Motor (248) mit einer Welle (250), wobei die genannte
Motorwelle mechanisch mit den genannten Blattelementen verbunden ist;
und
d. Mittel zum elektrischen Antrieb des genannten Motors.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die
genannten Blattelemente (188) ringförmig und in einem sich in
Axialrichtung des genannten Gefäßes (186) erstreckenden Stapel axial
voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei ihre zentralen Öffnungen
zum Hindurchfließen einer Flüssigkeit miteinander fluchten und ihre
äußeren Ränder mit Zwischenräumen (244A) zwischen ihnen und der
Gefäßwand zum Hindurchlassen der Flüssigkeit am Gefäß befestigt sind.
6. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
zum Abfiltern einer Komponente aus einer Suspension aus Flüssigkeit
und Teilchen, die eine Größe von weniger als 50 um aufweisen.
7. Verwendung nach Anspruch 6, worin die Torsionsschwingung des Gefäßes
eine Verlagerungsamplitude der Blattelemente von zumindest 5 Millimetern
erzeugt.
8. Verwendung nach Anspruch 7, worin die Verlagerungsamplitude der
Blattelemente zwischen 5 und 50 Millimetern liegt.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, worin die
Torsionsschwingung eine Frequenz im Bereich von 5 bis 300 Hz aufweist.
10. Verwendung nach Anspruch 9, worin die genannte
Torsionsschwingungsfrequenz im Bereich von 20 bis 100 Hz liegt.
11. Verwendung nach Anspruch 10, worin die genannte
Torsionsschwingungsrequenz im Bereich von 40 bis 70 Hz liegt.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, worin die
Torsionsschwingung an den Außenflächen der genannten Membranen eine
Scherintensität einer Größe von zumindest 5000 s&supmin;¹ hervorruft.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102011083954A1 (de) * | 2011-10-04 | 2013-04-04 | bioprocess consulting | Schwingungsbasierte Querstromfiltrationsvorrichtung |
Also Published As
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| JP2989828B2 (ja) | 1999-12-13 |
| EP0388546A1 (de) | 1990-09-26 |
| JPH02241524A (ja) | 1990-09-26 |
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