DE69332356T2

DE69332356T2 - Filtrationsmittel

Info

Publication number: DE69332356T2
Application number: DE69332356T
Authority: DE
Inventors: Hans Olsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Olsen Hans Charlottenlund Dk
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2013-11-10
Also published as: DK0667801T3; AU5440294A; WO1994011088A1; DE69332356D1; ATE225204T1; DK136192D0; EP0667801A1; EP0667801B1; ES2184744T3; US5690823A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filtrationsmittel zur Verwendung zur Filterung eines Fluides.
Filterung ist einer der am breitesten verwendeten Trenntechniken. Der Prozeß der Filtration kann in mehrere Arten unterteilt werden, beispielsweise nach dem Filtrationsmechanismus oder nach der Größe der Partikel, die aus dem Fluid abzutrennen, das heißt herauszufiltern sind. Im Falle der Filtration für die Abtrennung von Partikeln einer Größe im mikroskopischen Bereich sind weitestgehend die nachfolgenden Ausdrücke verwendet worden, um die Größe der abzutrennenden Partikel zu bezeichnen: Mikrofiltration (Zurückhaltung von Partikeln einer Größe von wenigstens 5 um), Mikrofiltration (Zurückhaltung von Partikeln einer Größe im Bereich von 0,05 um bis 5 um) und Ultrafiltration (Zurückhaltung von Partikeln einer Größe von unter etwa 0,05 um). Die meisten Bakterien fallen in den Mikrofiltrationsbereich, während Viren eindeutig in den Ultrafiltrationsbereich fallen.
Gegenwärtig ist einer der am meisten verwendeten Filtertypen für die Filtration in den Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationsbereichen eine Filtermembran. Solche Membranen sind relativ dünn (etwa 150 um) und haben eine gut bestimmte und stabile Porenstruktur. Trotz der großen Vorteile von Membranfiltern ist es höchst nachteilig, daß die Strömungsrate (und somit die Filtrationsleistung) durch den Filter wegen der geringen mechanischen Festigkeit solcher Membranen normalerweise niedrig gehalten werden muß. Darüber hinaus sind Membranfilter sehr teuer.
Heutzutage richtet sich viel Augenmerk auf die Wasserqualität zur Verwendung im Haushalt als auch für industrielle Zwecke, teilweise wegen der zunehmenden Umweltverschmutzung im allgemeinen und teilweise wegen des zunehmenden Bewußtwerdens der Öffentlichkeit von Fragen der Qualität von Nahrungsmitteln und Getränken, was wiederum zu einem enormen Interesse an körperlichem Wohlergehen, Fitness und Gesundheit führt, das von einem hohen Anteil der Bevölkerung in industrialisierten und verstädterten Ländern in der ganzen Welt gezeigt wird. Dieses hat wiederum zu einer zunehmenden Nachfrage nach Einrichtungen geführt, die beispielsweise Haushaltsleitungswasser zufriedenstellender Qualität liefern. Zu diesem Zweck sind eine Vielzahl Filtrationseinrichtungen auf den Markt gebracht worden, von denen Kohlefilter die am meisten verbreiteten Typen sind. Die bekannten Filtrationseinrichtungen haben jedoch sämtlich den Nachteil, daß sie ziemlich teuer, ziemlich voluminös und, was am wichtigsten ist, häufig nicht in der Lage sind, die aus dem Fluid ausgefilterten Partikel wieder abzugeben. Dementsprechend müssen die Filtrationseinrichtungen ziemlich häufig erneuert werden, um die Qualität des gefilterten Wassers aufrecht zu erhalten, da die Ansammlung von mikrobiologischem Material im Filter bei langer Betriebszeit den Filter möglicherweise zu einem Platz schädlichen mikrobiologischen Wachstums macht.
Es besteht daher ein dringender Bedarf nach einem Filtrationsmittel, das einfach und preiswert ist, so daß das Filtrationsmittel so häufig wie notwendig erneuert werden kann, und das gleichzeitig eine beachtliche mechanische Festigkeit aufweist, um hohe Stömungsraten zu erlauben. Darüber hinaus wäre es noch vorteilhafter, wenn das Filtrationsmittel in situ von Zeit zu Zeit regeneriert werden könnte, um ein Verstopfen zu vermeiden und ein mikrobiologisches Wachstum darin zu minimieren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Filtrationsmittel anzugeben, das in der Lage ist, durch Filtration Partikel einer gegebenen Größe aus einem Fluid abzuscheiden, das durch das Filtrationsmittel strömt, ohne einen unannehmbar großen Druckabfall zu verursachen, und das gleichzeitig relativ billig und einfach herzustellen ist.
Es ist wesentlich, daß die Fluidströmungskanäle im Filtrationsmittel ausreichend genau dimensioniert werden können, damit das resultierende Filtrationsmittel in der Lage ist, Partikel einer vorbestimmten Größe zurückzuhalten, das heißt, daß ein Filtrationsmittel einer wohldefinierten Vorschrift hergestellt werden kann.
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß eine einfache und neue Arte Filtrationsmittel die oben beschriebenen Forderungen erfüllen kann.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filtrationsmittel zur Verwendung bei der Filterung eines Fluides und enthält ein Bündel Fasern, die sich im wesentlichen in der gleichen Hauptrichtung erstrecken und die an einer Stelle dicht gepackt sind, an dem ein Druck auf das Faserbündel einwirkt, um Fluidstömungskanäle nur zwischen benachbarten Fasern längs ihrer Längserstreckung zu bilden, wobei jeder der Fluidströmungskanäle an der genannten Stelle die kleinste Querschnittsfläche hat, die ausreichend klein ist, um aus dem Fluid herauszufilternde Partikel zurückzuhalten, wobei die dichte Packung durch die innere Oberfläche eines Halteelements bestimmt ist, die das Faserbündel an der genannten Stelle umgibt, die Fasern sich in der Längsrichtung auf beiden Seiten der Stelle der dichten Packung erstrecken, was es jenen Teilen der Fasern, die nicht an der Stelle dicht gepackt sind, ermöglicht, kleine Bewegungen auszuführen, wenn ein Fluid durch die genannten Fluidströmungskanäle strömt.
Das zu filternde Fluid kann ein gasförmiges Fluid jeder Art sein, wie beispielsweise Verbrennungsabgas, Luft oder Gase für medizinischen oder industriellen Gebrauch. Die Erfindung bezieht sich jedoch besonders auf ein Filtrationsmittel zur Verwendung bei der Filterung eines flüssigen Fluides, wie beispielsweise flüssiger Lösungsmittel, Reinigungsfluiden und Fluiden, die in industriellen Prozessen verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Filtrationsmittel zur Verwendung bei der Filterung von Wasser oder wässrigen Fluiden, wie Leitungswasser, Meerwasser, Seewasser oder Abwasser.
Im Gegensatz zu den bekannten Filtertypen und Filtrationsmedien, die zur Filterung von Fluiden verwendet werden, wie jene, die oben beschrieben wurden, kann das Filtrationsmittel der vorliegenden Erfindung als ein sehr kompakter Filter ausgebildet werden, das heißt, es nimmt nur ein kleines Volumen ein. Weiterhin können die Fasern, die das Filtrationsmittel bilden, so ausgewählt werden, daß sie zu dem sich ergebenden Filter oder Filtrationsmittel gewünschter Eigenschaften passen, beispielsweise hinsichtlich Filtergröße (Porengröße), mechanischer Festigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Substanzen, Widerstandsfähigkeit gegen Schimmel und Druckabfall.
Ebenfalls im Gegensatz zu beispielsweise der Umkehrosmose-Membranfiltration, bei der ein großer Druck angewendet werden muß und dementsprechend ein großer Druckabfall über der Membran oder den Membranen (mehrere Membranlagen müssen verwendet werden) zu beobachten ist, kann das Filtrationsmittel der Erfindung bei relativ niedrigen Drücken betrieben werden, ist aber dennoch in der Lage, großen Drücken zu widerstehen, ohne beschädigt oder zerstört zu werden.
Darüber hinaus kann für viele Zwecke, wie beispielsweise zur Filtration von Wasser, das in medizinischen oder industriellen Prozessen oder für Haushaltszwecke zu verwenden ist, das Filtrationsmittel der Erfindung aus handelsüblichen, billigen Fasermaterialien hergestellt werden, die die notwendigen Eigenschaften haben, um gereinigtes Wasser oder im wesentlichen reines Wasser zu ergeben, je nach der gewünschten Qualität der zu filternden Flüssigkeit.
Die Zeichnung besteht aus drei Figuren, von denen
Fig. 1 perspektivisch eine Vielzahl Fasern zeigt, die sich im wesentlichen in der gleichen Hauptrichtung erstrecken und in einer Öffnung eines Halteelements angeordnet sind und in die ein Verstellelement eingeführt ist.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Halteelements einer Ausführungsform der Erfindung, dem eine Vielzahl Fasern von kreisförmigem Querschnitt benachbart sind.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Filtrationsmittels nach der Erfindung, wobei das Filtrationsmittel in einem Halteelement angeordnet ist und ein Verstellelement darin eingeführt ist.
Die Figuren werden unten weiter beschrieben.
Mit dem Ausdruck "erstrecken sich im wesentlichen in der gleichen Hauptrichtung" ist gemeint, daß die Fasern, die das Filtrationsmittel bilden, untereinander so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen parallel zueinander auf wenigstens einem Teil ihrer Längserstreckung verlaufen oder daß die Fasern in einem Bündel so zusammengefaßt sind, daß dieses einen makroskopischen Aufbau hat, der beispielsweise einem Malerpinsel oder einem Bündel oder Paket ungekochter Makkaroni gleicht.
Der Ausdruck "dicht gepackt" oder der Ausdruck "dichte Packung" bezieht sich auf eine Situation, bei der die Faser benachbart zu wenigstens einer anderen Faser in einem Faserbündel ist, das heißt die Oberfläche der Faser wenigstens eine andere, in dem Faserbündel vorhandene Faser berührt. Diese Berührung hängt teilweise von der Querschnittsgestalt jeder Faser, das heißt der Geometrie, ab.
Mit dem Ausdruck "Ort" ist ein gewisser (vorbestimmter) Punkt in der Längsrichtung der Faser oder ein gewisser (vorbestimmter) Längenabschnitt der Faser, das heißt ein vorbestimmter Teil der Faser, gemeint. Dementsprechend enthält das Filtrationsmittel der Erfindung Fasern, die aus einem Teil ihrer Längsrichtung dicht gepackt sind, oder wenigstens an einem Punkt ihrer Längsrichtung dicht gepackt sind. An der Stelle der dichten Packung der Fasern ist die dichte Packung vorzugsweise durch Zusammendrücken des Faserbündels erreicht derart, daß jede Faser an der Stelle einer oder mehreren anderen benachbart ist. Dementsprechend sind die so zwischen den Fasern des Filtrationsmittels an der Stelle dichter Packung gebildeten Zwischenräume die Fluidströmungskanäle des Filtrationsmittels, die die kleinste Querschnittsfläche haben, wodurch die Größe der Partikel bestimmt ist, die aus dem durch das Filtrationsmittel strömenden Fluid herausgefiltert werden können. Der Ort dichter Packung der Fasern liegt nicht am Ende der Faser(n), das heißt die Fasern erstecken sich in Längsrichtung zu beiden Seiten des Ortes dichter Packung.
Jene Teile der Fasern des Filtrationsmittels, die an einer Stelle nicht dicht gepackt sind, können gewisse kleine Bewegungen ausführen, wenn ein Fluid durch das Filtrationsmittel strömt. Diese kleine Bewegung der Fasern hat mehrere Vorteile. Zunächst können die Zwischenräume zwischen den Fasern wegen der Bewegung eine veränderliche Querschnittsfläche haben, wobei diese Fläche zumeist wesentlich größer als die Querschnittsfläche der Zwischenräume am Ort dichter Packung ist. Folglich werden Partikel, die wesentlich größer als die Zwischenräume an der Stelle dichter Packung sind, im Filtrationsmittel vor oder sogar gut vor der Steile dichter Packung zurückgehalten. Zweitens hat die relativ große Bewegungsfreiheit der Fasern die Wirkung, daß Partikel, die in diesem Teil des Filtrationsmittels zurückgehalten werden, nicht sehr einfach das Filtrationsmittel verstopfen, da die zurückgehaltenen Partikel sich aufgrund der Bewegungen der Fasern herumbewegen können. Die Bewegung der Fasern kann als eine Art Flimmerbewegung betrachtet werden, wobei die oben erwähnte Wirkung ähnlich der Härchen beispielsweise im Nasentrakt ist.
Die Querschnittsfläche und die Gestalt der Fluidstömungskanäle am Ort dichter Packung, das heißt der Zwischenräume zwischen den Fasern, wird teilweise durch die Querschnittsgestalt und -fläche der Fasern bestimmt, die dicht gepackt sind, und teilweise dadurch, wie fest die Fasern zusammengepackt sind.
Die Querschnittsgestalt der Fasern, die das Filtrationsmittel bilden, kann von jeder geeigneten Form sein. Es ist jedoch allgemein vorteilhaft, wenn die Querschnittsgestalt regelmäßig ist, so daß die durch die dichte Packung der Fasern gebildeten Zwischenräume die gleiche (eine gleichmäßige) Querschnittsgestalt haben. Dementsprechend kann die Querschnittsgestalt der Fasern jede regelmäßige geometrische Form haben, die Zwischenräume zwischen den Fasern beläßt, wenn sie dicht gepackt sind. Eine kreisförmige Querschnittsgestalt der Fasern ist bevorzugt. Andere bevorzugte Querschnittsgestalten sind jene von Polygonen, noch besser von Polygonen, die wenigstens fünf Seiten haben, zum Beispiel ein Pentagon, Hexagon, Heptagon usw. Die Fasern des Filtrationsmittels können von gleicher Querschnittsgestalt oder von verschiedenen Querschnittsgestalten sein, wobei die Fasern aus verschiedenen Querschnitten miteinander in dem Faserbündel, das das Filtrationsmittel bildet, vermischt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Filtrationsmittel Fasern, von denen jede Faser eine im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat, wenn die Fasern nicht dicht gepackt sind, und gleiche Abmessungen haben. Die dichtestmögliche Packung solcher Fasern ist die sogenannte hexagonale dichte Packung (HCP), bei der jede Faser von sechs Fasern umgeben ist, was sechs Zwischenräume benachbart jeder Faser beläßt, wobei alle Zwischenräume im Wesentlichen die gleiche (gleichförmige) Querschnittsgestalt und -große ha ben.
Jeder Zwischenraum in einer hexagonal dicht gepackten Struktur hat eine Fläche von ( 3 - π/2) · r², wobei r der Radius des kreisförmigen Querschnitts ist. Dementsprechend ist das Verhältnis der Querschnittsfläche der Zwischenräume zu der der Fasern gleich ( 3 - π/2)/π = 0,0511. Mit anderen Worten, in einem Filtrationsmittel nach der Erfindung, in dem die Fasern hexagonal dicht gepackt sind, ist die Querschnittsfläche der Fluidkanäle etwa 5% der Gesamtquerschnittsfläche des Filtrationsmittels.
Wenn die Fasern aus einem Material bestehen, das leicht verformbar ist, wenn mäßiger Druck einwirkt, werden die hexagonal dicht gepackten Fasern vom kreisförmigem Querschnitt leicht aus dem kreisförmigen Querschnitt verformt, wenn ein geeigneter äußerer Druck einwirkt (beispielsweise durch Zusammendrücken eines Faserbündels von Hand). Jede Faser kann gegebenenfalls eine hexagonale Gestalt annehmen, das heißt wenn die Fasern schließlich verformt sind, um ein Medium zu bilden, das keine Zwischenräume zwischen den Fasern zurückläßt. Im Falle eines leicht verformbaren Fasermaterials von kreisförmigen Querschnitt ist daher abzusehen, daß es möglich ist, ein Filtrationsmittel zu erzielen, das Fluidkanäle in Form von Zwischenräumen zwischen den Fasern des Filtrationsmittels hat, die jede erhältliche geometrische Gestalt und eine Querschnittsfläche haben, die jener der Zwischenräume entspricht, die im Fall von hexagonaler dichter Packung als eines der Extreme vorhanden ist, und als anderes der Extreme eine Querschnittsfläche hat, die asymptotisch gegen Null geht.
In Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Fasern des Filtrationsmittels gleiche Querschnittsgestalt und -große haben, sind die Fluidstömungskanäle, das heißt die Zwischenräume an der Stelle dichter Packung idealerweise von gleicher Querschnittsgestalt und -große (siehe die obige Diskussion im Zusammenhang mit hexagonaler dichter Packung). Den praktischen Ausführungsformen der Erfindung können die Fluidströmungskanäle am Ort dichtester Packung jedoch von variierenden Querschnittsgestalten und/oder -großen sein. Für manche Filtrationszwecke ist eine solche Variation akzeptabel, während für gewisse andere Filtrationszwecke eine sehr gleichförmige Gestalt und Größe der im Filtrationsmittel vorhandenen Fluidströmungskanäle wesentlich sein kann.
Die einzelnen Fasern des Filtrationsmittels können im wesentlichen massiv oder hohl sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Fasern im wesentlichen massiv sind, speziell wenn das Filtrationsmittel der Erfindung zur Filterung von Wasser verwendet wird, um gereinigtes Wasser oder im wesentlichen reines Wasser zu erhalten. Die obige Diskussion der Querschnittsgestalt und -große der Fasern gilt für jede Art von Faser, unabhängig davon, ob sie im wesentlichen massiv, hohl oder porös ist.
Es ist bevorzugt, daß die äußere Oberfläche der Fasern glatt ist. Ein Vorteil der Verwendung von Fasern mit glatter Oberfläche besteht darin, daß der Querschnitt der Faser eine regelmäßige geometrische Gestalt haben kann; ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es für die Partikel, die aus dem Fluid herauszufiltern sind, schwieriger ist, an den Faseroberflächen zu haften, was es wiederum im allgemeinen einfacher macht, die zurückgehaltenen Partikel in einem Filterreinigungsprozeß, beispielsweise in einem Rückspülprozeß, von Filtrationsmittel zu beseitigen.
Weiterhin ist zu erwarten, daß im wesentlichen massive Fasern, die eine relativ glatte Oberfläche haben, als Fasern des Filtrationsmittels der Erfindung bevorzugt sind, wenn das Filtrationsmittel dazu verwendet wird, unerwünschte Partikel, wie beispielsweise Bakterien, Pilzsporen, unlösliche calciumhaltige Verbindungen, Viren und unlösliche eisenhaltige Verbindungen, beispielsweise Ocker, aus Wasser herauszufiltern, das entweder industriell oder im Haushalt verwendet werden soll.
Außer von der Querschnittsgestalt und -fläche der das Filtrationsmittel der Erfindung bildenden Fasern sowie dem auf das Faserbündel am Ort dichter Packung einwirkenden Druck, die sämtlich Parameter sind, von denen die Querschnittsfläche und -gestalt der Fluidströmungskanäle des sich ergebenden Filtrationsmittels abhängen, werden die Eigenschaften des Filtrationsmittels allein von den Eigenschaften der Fasern des Filtrationsmittels, das heißt von den Eigenschaften des Fasermaterials bestimmt.
Die gewünschten Eigenschaften des Filtermaterials werden großteils durch das Fluid bestimmt, das durch das sich ergebende Filtrationsmittel zu filtern ist. Die wichtigsten, in Betracht zu ziehenden Eigenschaften sind physikalische Eigenschaften, chemische Eigenschaften, Feuchtigkeitseinwirkung (d. h. Wasserabsorption), Temperatureinfluß und Widerstandsfähigkeit gegen Pilze usw.
Ein wichtiger physikalischer Parameter ist der Streckmodul (Steifheit). Für die meisten Filtrationszwecke ist ein geeignetes Material ein solches, das einen solchen Streckmodul hat, daß jener Teil der Fasern, der nicht dicht gepackt ist, kleine Bewegungen ausführen kann, wenn ein Fluid durch das Filtrationsmittel strömt. Wenn ein Fasermaterial gewählt wird, das einen geeigneten Streckmodul hat, dann sollte der Feuchtigkeitseinfluß auf den Modul ebenfalls in Betracht gezogen werden. Wenn das zu filternde Fluid eine Flüssigkeit ist, sollte das Fasermaterial auf der Grundlage seiner ihm innewohnende Eigenschaften gewählt werden, die es entwickelt, wenn es mit der fraglichen Flüssigkeit in Berührung gelangt.
Andere, bei der Wahl eines geeigneten Fasermaterials in Betracht zu ziehende physikalische Parameter sind Zugfestigkeit, Längung, Rückstellung nach dem Biegen, Schmelzpunkt, Ermüdungsfestigkeit, Wasserabsorption und spezifisches Gewicht (Dichte).
Vorzugsweise sollte das sich ergebende Filtrationsmittel auf der Grundlage der dem Fasermaterial, oder im Falle eines Gemischs aus verschiedenen Fasern, der den Fasermaterilien innewohnenden Eigenschaften dimensioniert werden, wenn die Fasern des Filtrationsmittels in das zu filternde Fluid eingetaucht werden. Wenn das Filtrationsmittel auf der obigen Grundlage gewählt ist, dann sollte es in der Lage sein, jederzeit die gewünschte Filtration auszuführen.
Es ist bevorzugt, daß das Fasermaterial nicht durch Komponenten des zu filternden Fluides beeinträchtigt wird. Im Falle der Filtration eines Fluides ist es selbstverständlich eine Vorbedingung, daß das Fasermaterial gegenüber der speziellen gasförmigen oder flüssigen Komponente sowie gegenüber den aus dem Fluid herauszufilternden Partikeln resistent ist. Bei der Wahl des Fasermaterials sollten jedoch die Kosten des Fasermaterials und die Möglichkeit der Herstellung eines einfach austauschbaren Filtrationsmittels geringer Kosten in Betracht gezogen werden. Wenn letzteres möglich ist, kann ein Fasermaterial geringer Kosten vorteilhaft oder nützlich sein, selbst wenn es in gewissem Ausmaße (das die Qualität der Filtration nicht wesentlich vermindert) tatsächlich durch das Fluid und die herauszufilternden Partikel beeinträchtigt wird.
Wenn das Filtrationsmittel der Erfindung zur Filterung von Wasser für industrielle oder Haushaltszwecke verwendet werden soll, dann ist es wichtig, daß das Filtrationsmittel, das heißt das Fasermaterial, beispielsweise gegen den Angriff von Nagetieren, Insekten, Bakterien und Pilzen widerstandsfähig ist, durch Chlor, Chlorverbindungen, wie beispielsweise gechlorte Lösungsmittel nicht stark beeinträchtigt wird und gegen den Angriff durch saure und basische Verbindungen und/oder Fluide relativ widerstandsfähig ist. In dieser Beziehung ist ein Fasermaterial, das von der United States Federal Drug Administration (FDA) genehmigt ist, bevorzugt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Filtrationsmittel gegen UV-Licht im wesentlichen beständig ist. Auch sollte das Filtrationsmittel nicht bleibend dadurch beeinträchtigt werden, daß es anhaltend der Temperatur des zu filternden Fluids ausgesetzt ist. Die Fasern des Filtrationsmittels der Erfindung müssen daher so gewählt werden, daß sie in der Lage sind, den geeigneten Temperaturen im Falle der Filtration von warmen oder heißen Fluiden zu widerstehen. Es ist bevorzugt, Fasermaterialien zu verwenden, die relativ widerstandsfähig gegen Verformung in Längsrichtung sind. Die Querschnittsverformung der Fasern sollte bevorzugt leicht sein, wenn mäßiger Druck auf die Faser von außen einwirkt, so daß eine leichte Verformung aus der ursprünglichen Querschnittsgestalt möglich wird, wenn ein gewisser Druck einwirkt. Für manche Filtrationszwecke kann es jedoch erwünscht sein, Fasermaterialien zu verwenden, die gegen Verformung in allen Richtungen im wesentlichen widerstandsfähig sind.
Die Fasern des Filtrationsmittels sollten vorzugsweise relative dünne Fasern sein. Dementsprechend sollte jede Faser ein Verhältnis der Länge zur maximalen Querschnittsabmessung von wenigstens 10, vorzugsweise wenigstens 100, noch besser wenigstens 1.000 und speziell wenigstens 10.000 haben.
Wie oben erwähnt, sollte die Querschnittsabmessung und -gestalt der Fasern auf der Grundlage einer Kenntnis des zu filternden Fluides und der zurückzuhaltenden Partikel gewählt werden. Für die Filtration von Wasser kann es sich als nützlich erweisen, Fasern von im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt eines Durchmessers von höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 2 mm, noch besser im Bereich von 0,001 und 1-6 mm, speziell im Bereich vom 0,01-0,5 mm zu verwenden. Die erwähnten Bereiche sind selbstverständlich auch im Falle der Filtration von anderen Fluiden als Wasser anwendbar.
Es ist anzumerken, daß das Fasermaterial jedes Material sein kann, das aus der Gruppe aus gewählt ist, die Metalle, keramische Materialien und natürliche und synthetische Polymere umfaßt, und das die gewünschten Materialeigenschaften besitzt hinsichtlich beispielsweise der oben erwähnten physikalischen und chemischen Eigenschaften und möglicherweise anderer innewohnender Eigenschaften.
Es wird angenommen, daß Glas ein nützliches keramisches Fasermaterial ist. Im Falle von natürlichen oder synthetischen Polymerfasermaterialien sind Beispiele solcher Materialien Polyamide, Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Polycaprolactam, natürliche synthetische und vernetzte Gummis und Silikone (Siloxan-Polymere). Es ist jedoch anzumerken, daß andere Polymerarten sich als Fasermaterialien für gewisse Filtrationszwecke nützlich erweisen können. Andere Fasertypen, die nützlich sein können, sind Haarfasern menschlichen oder tierischen Ursprungs und Fasern aus Naturseide.
Handelsübliche Beispiele nützlicher synthetischer Polymerfasermaterialien, die gleichzeitig billig sind, sind gewisse Polyamide, zum Beispiel zahlreiche Typen von Nylon, wie Nylon 6 und Nylon 6/6 (beispielsweise von Pedex & Co. GmbH, Wald-Michelbach, Westdeutschland erhältlich); Nylonfilamente der Typen Tynex® (Nylon 6/12) und Herox® (erhältlich von DuPont de Nemours & Co., Delaware, U.S.A.); und übliche Polyesterfaser und Polypropylenfaser (erhältlich bei spielsweise von Pedex & Co. GmbH, Wald-Michelbach, Westdeutschland). Die erwähnten handelsüblichen Polymerfasermaterialien können vorteilhafterweise für das Filtrationsmittel der Erfindung aufgrund ihrer realtiv geringen Kosten und ihrer innewohnenden Eigenschaften verwendet werden. Für gewisse Filtrationszwecke ist zu erwarten, daß beschichtete Fasermaterialien vorteilhaft sind. Eine Beschichtung kann mehreren Zwecken dienen: Beispielsweise kann sie eine Faser mit glatter Oberfläche ergeben, oder die Beschichtung kann der Faser eine geänderte Oberflächenenergie und/oder Oberflächenspannung (neben der Modifikation der Oberflächenstruktur) verleihen.
Das Fasermaterial des Filtrationsmittels kann hydrophil oder hydrophob sein, je nach der Natur des zu filternden Fluides.
Es ist auch zu erwägen, daß jede Faser des Filtrationsmittels mit einer positiven (+) oder einer negativen (-) Ladung versehen sein kann. Dementsprechend kann das sich ergebende Filtrationsmittel mehrere Fasern mit einer positiven Ladung, mehrere Fasern mit einer negativen Ladung oder mehrere Fasern umfassen, von denen einige mit einer positiven Ladung und andere mit einer negativen Ladung versehen sind. Die positive oder negative Ladung kann mittels eines Beschichtungsmaterials oder durch chemische oder physikalische Einrichtungen geschaffen werden.
Das Filtrationsmittel der Erfindung enthält eine Vielzahl Fasern. Es ist bevorzugt, daß die Fasern Einzelfasern sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat jede Faser des Filtrationsmittels eine im wesentlichen gleichförmige Querschnittsfläche auf ihrer gesamten Länge. Es ist bevorzugt, daß alle Fasern des Filtrationsmittels im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche und/oder - gestalt haben. Wie man erkennt, haben die Fluidströmungskanäle an der Stelle dichter Packung idealerweise im wesentlichen gleiche Querschnittsgestalt und/oder -fläche in solchen Fällen, in denen alle Fasern des Filtrationsmittels im wesentlichen gleiche Querschnittsfläche und -gestalt haben.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Filtrationsmittel eine Vielzahl Fasern wenigstens zweier unterschiedlicher Querschnittsflächen. In diesem Falle können die Faser entweder gleiche Querschnittsgestalt oder unterschiedliche Querschnittsgestalten haben. Ein solches Filtrationsmittel hat dann an der Stelle dichter Packung gewöhnlich Fluidströmungskanäle zahlreicher Querschnittsgestalten und/oder -flächen. Es ist bevorzugt, daß die Fasern der verschiedenen Querschnittsflächen gleichmäßig oder gleichförmig über das gesamte Filtrationsmittel verteilt sind. Dementsprechend sind dann auch die Fluidströmungskanäle an der Stelle dichter Packung, die unterschiedlicher Querschnittsflächen und/oder -gestalten sind, gleichmäßig oder gleichförmig über das sich ergebene Filtrationsmittel verteilt.
Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Filtrationsmittel Fasern, die jeweils einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben, wenn die Fasern nicht dicht gepackt sind. Wenn die Fasern aus einem Material bestehen, das gegen Verformung in allen Richtungen oder wenigstens in der Querschnittsrichtung beständig ist, dann haben die Fasern an der Stelle dichter Packung ebenfalls einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt.
Das Filtrationsmittel der Erfindung kann Fasern enthalten, die sämtlich aus demselben Material bestehen. Das Filtrationsmittel der Erfindung kann jedoch auch Fasern enthalten, die aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise den oben erwähnten Materialien, wobei jede Faser vorzugsweise aus nur einem Materialtyp besteht. Es versteht sich auch, daß ein Beschichtungsmaterial an solchen Fasern angebracht sein kann, womit diesen Fasern andere gewünschte Oberflächeneigenschaften verliehen sind.
In Fig. 1 ist eine Vielzahl Einzelfasern 2, die sich im wesentlichen in der gleichen Generalrichtung erstrecken, in einer Öffnung von kreisförmigem Querschnitt angeordnet, die durch die innere Oberfläche 3 eines Halteelements 4 von ringförmiger Gestalt bestimmt ist. Die innere Oberfläche 3 ist im wesentlichen zylindrisch und bildet einen Ort dichter Packung der Fasern. Ein Verstellelement 5 ist im wesentlichen in die Mitte des Faserbündels eingesetzt, um die Fasern in dem Ring zu halten und die dichte Packung des sich in dem Ring befindlichen Teils der Fasern sicherzustellen. Das Verstellelement 5 ist stabförmig. Das Halteelement 4 und das Verstellelement 5 bestehen aus Edelstahl. Jede der einzelnen Fasern 5 hat im wesentlichen den gleichen Querschnitt über ihre gesamte Länge, wenn die Fasern nicht dicht gepackt sind, und besteht aus Nylon 6/12 eines Durchmessers von 4 mils (1 mil = 0,001 Zoll, entsprechend etwa 0,00254 mm) oder etwa 0,1 mm.
Fig. 2 zeigt einen Teil des Halterings 4 mit einzelnen Fasern 5, die benachbart der inneren Oberfläche 3 des Rings angeordnet sind. Die einzelnen Fasern 5 sind dicht gepackt, obgleich sie nicht hexagonal dicht gepackt sind, und dementsprechend haben die Fluidströmungskanäle 6, das heißt die Zwischenräume zwischen den Fasern 2, nicht sämtlich die gleiche Querschnittsgestalt oder -fläche.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt des Filtrationsmittels nach der Erfindung, das in ein Fitting ein gesetzt ist und zur häuslichen Verwendung zur Filterung von Leitungswasser vorgesehen ist. Die Pfeile 7 zeigen die Fließrichtung des Fluides an. Die Vielzahl 1 einzelner Fasern 2 ist in einer Öffnung angeordnet, die durch einen Haltering 8 bestimmt ist, der eine innere Oberfläche 9 aufweist und von den der obere Teil 10 im wesentlichen zylindrisch ist und der untere Teil 11 eine konische Gestalt hat. Ein Verstellelement, das einem konischen Abschnitt 12 und einen stabförmigen Abschnitt 13 hat, ist im wesentlichen Zentrum der Faservielzahl 1 angeordnet. Der konische Abschnitt 12 ist derart angeordnet, daß das schmale Ende sich im Faserbündel nicht über den Haltering 8 hinaus erstreckt. Dementsprechend liegt der Ort dichtester Packung der Faservielzahl 1 an dem Querschnitt des Faserbündels, der mit 14 gekennzeichnet ist, wo die Querschnittsfläche, die für das Filtrationsmittel zur Verfügung steht, am kleinsten ist. Der Haltering 8 ist zusammen mit dem Filtrationsmittel und dem Verstellelement in geeigneten Fittings 15 angeordnet.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Filtrationsmittels zur Verwendung bei der Filterung eines Fluides und aus einer Vielzahl Fasern, die sich im wesentlichen in der gleichen Hauptrichtung erstrecken, umfaßt:
das Anordnen eines Bündels der Fasern in einer in einem Halteelement umrissenen Öffnung; und
das Einsetzen eines Verstellelements in das Faserbündel, um die Fasern in dem Element festzuhalten.
Das Verstellelement kann auch in das Faserbündel eingeführt werden, um die Fasern an einer Stelle dicht zu packen.
Das Verstellelement kann auch in das Faserbündel eingeführt werden, um die Querschnittsgestalt von wenigstens einigen der Fasern an der Stelle zu verformen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Halteelement ein Spannring. Vorzugsweise bildet die innere Oberfläche des Spannrings eine Verengung und bestimmt somit einen Querschnitt der Öffnung des Spannrings von kleinster Fläche.
Das Verstellende des Verstellelements kann die Form eines Stabes, eines konisch zulaufenden Stabes oder eines Konus haben. Für die meisten Zwecke ist ein konisch zulaufender Stab bevorzugt.
Das Halteelement, beispielsweise ein Spannring, und das Verstellelement können aus jedem geeigneten Material bestehen, das in der Lage ist, den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Fluides und der zu filternden Partikel sowie den anderen Bedingungen, zum Beispiel Druck, Temperatur, pH, unter denen die Filtration ausgeführt wird, zu widerstehen. Das Verstellelement und das Halteelement können beispielsweise aus einem Metall, einer Metallegierung, einem Polymer oder einem keramischen Material bestehen. Das Verstellelement und das Halteelement können aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Das Faserbündel wird durch Aufbringen eines mäßigen Drucks primär unter rechten Winkeln zur Längsrichtung der Fasern zusammengedrückt. Es sei angemerkt, daß Fasern, die eine relativ kleine Querschnittsfläche haben, gewöhnlich nicht in der Lage sind, in dem gleichen Ausmaß zusammengedrückt zu werden, wie Fasern, die relativ größere Querschnittsflächen haben (vorausgesetzt, diese Fasern bestehen aus dem gleichen Materialtyp).
Es ist wichtig, daß das Faserbündel noch im wesentlichen gerade und/oder parallel ist, wenn es in dem Ring angeordnet wird, das heißt die Fasern sollten nicht verdrillt oder verdreht sein und sollten vor dem Zusammendrücken im wesentlichen parallel zur Fluidströmung sein.
Ein konisch zulaufender Stab wird in das Faserbündel eingeführt, wobei der Einführpunkt im wesentlichen im Zentrum des Bündels in der Längsrichtung liegt. Vorzugsweise wird der Stab von der stromabwärtigen Seite in Bezug auf die Fluidströmungsrichtung eingeführt. In diesem Falle verläuft die Verstellung, die von dem konisch zulaufenden Stab hervorgerufen wird, großteils zum stromabwärtigen Ende des Faserbündels. Es ist klar, daß der konisch zulaufende Teil des Stabes wenigstens teilweise von dem Halteelement umgeben sein muß. Auch sollte die Spitze des konisch zulaufenden Teiles des Stabes sich im Faserbündel nicht über die Ebene der Öffnung des Halteelements auf der der Einführseite des Stabes entgegengesetzten Seite hinaus erstrecken (siehe auch die obige Erläuterung von Fig. 3).
Die Querschnittsabmessung des Halteelements sollte in Übereinstimmung mit den Abmessungen der Fasern des Filtrationsmittels gewählt sein, um den Fasern einen geeigneten Druck zuzuführen, der zu einer dichten Packung oder sogar zu einer Verformung der Fasern führt. Die erforderlichen Abmessungen können durch den Fachmann berechnet werden, wenn die Abmessungen des Halteelements, wie beispielsweise eines Spannrings, und der Fasern sowie die Eigenschaften der Fasern und die gewünschte Gesamtfläche des Fluidströmungskanals vorgegeben sind.
Ein bedeutender Aspekt ist, daß jene Teile der Fasern, die nicht dicht gepackt sind und die stromaufwärts des Ortes dichter Packung liegen, gewisse kleine Bewegungen ausführen kön pen, wenn das zu filternde Fluid durch das Filtrationsmittel fließt. Dementsprechend sollten diese Teile der Fasern vorzugsweise nicht durch das Verstellelement verstellt werden oder sollten so wenig wie praktisch möglich verstellt werden.
Der Druckabfall über das Filtrationsmittel ist ein wichtiger Parameter im praktischen Gebrauch des Filtrationsmittels. Es wird angenommen, daß der Druckverlust über das Filtrationsmittel der Erfindung wesentlich kleiner als bei den anderen, hier erwähnten Filtertypen ist. Es in Erwägung gezogen, daß es möglich ist, den Druckabfall im wesentlichen zu beseitigen, in dem ein Filtrationsmittel nach der Erfindung angegeben wird, bei dem die Gesamtquerschnittsfläche der Fluidströmungskanäle genauso groß ist wie die Querschnittsfläche des Fluideinlaßrohres, das dem Filtrationsmittel Fluid zuführt.
Trotz der Tatsache, daß das Filtrationsmittel der Erfindung aus Fasermaterialien geringer Kosten hergestellt werden kann, kann das Filtrationsmittel der Erfindung, falls gewünscht, auch durch einen Filterreinigungsprozeß, wie beispielsweise einen Rückspül- oder Rückwaschprozeß, regeneriert werden. Bei einem solchen Rückspülprozeß wird die Strömungsrichtung für eine geeignete Zeitdauer umgekehrt. Die zurückgehaltenen Partikel oder wenigstens ein Teil der selben wird vom Ort dichter Packung sowie von dem Teil des Filtrationsmittels, der stromaufwärts dieses Ortes liegt, hinweggespült. Ein solcher Filterreinigungsprozeß ist in Verbindung mit dem Filtrationsmittel nach der Erfindung sehr nützlich.
Das Filtrationsmittel der Erfindung ist von einer sehr allgemeinen Natur. Es gibt keine Beschränkungen bezüglich der Abmessungen der Fasern des Filtrationsmittels, und dementsprechend kann das Filtrationsmittel von einer gewünschten Größe sein und beinahe jede gewünschte Querschnittsfläche von Fluidströmungskanälen bieten.
Das Filtrationsmittel der Erfindung kann somit für einen breiten Bereich von Filtrationszwecken verwendet werden, die von steriler Filtration (Ultrafiltration) bis zu Grobfiltration erreichen.
Wie oben erwähnt, ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung jedoch ein Filtrationsmittel zur Zurückhaltung von Partikeln, die in Wasser vorhanden sind, insbesondere für die wesentliche Beseitigung von Bakterien, Viren und Ocker und gegebenenfalls von anderen unerwünschten, festen chemischen Bestandteilen. Es ist anzumerken, daß gelöstes Chlor oder Chloride durch eine Art Ionenaustausch ebenfalls aus dem Fluid beseitigt werden können, wenn wenigstens einige der Fasern oder ein Teil von einigen der Fasern mit einem Material beschichtet ist, das Ionenaustauscheigenschaften hat.
Während eine bevorzugte Ausführungsform (in den Fig. 1-3 gezeigt) für die Filterung von Trinkwasser geeignet ist, versteht sich auch, daß das Filtrationsmittel nach der Erfindung zur Filterung jeder Art Flüssigkeit verwendet werden kann und auch zur Filterung von Luft und anderer gasförmiger Fluide verwendet werden kann.
Die folgenden Beispiele zeigen die Erfindung, sollen aber nicht als deren Schutzumfang einschränkend verstanden werden.

BEISPIEL 1

Ein Filtrationsmittel zur Filterung von Leitungswasser

Das folgende Filtrationsmittel wurde hergestellt:
Fasern Nylon 6/12
Länge 4 cm
Querschnitt kreisförmig
Durchmesser 4 mil (etwa 0,1 mm)
HALTEELEMENT Spannring aus Edelstahl
Länge 2 cm
Außendurchmesser 4 cm
Minimaler Innendurchmesser 3,2 cm
Die innere Oberfläche des Halteelements bestimmt eine Verengung, die den Ort dichter Packung bestimmt. Die Verengung liegt an einer Stelle, die 2/3 längs der Gesamtlänge des Spannrigs in Richtung der Fluidströmung liegt.
Der Winkel zwischen der inneren Oberfläche des Spannrings stromabwärts der Verengung und der Außenfläche des Spannrings ist 30º.
VERSTELLELEMENT konisch zulaufender Stab aus Edelstahl
Durchmesser (Stab) 3 mm
Das Verstellelement ist ähnlich dem Verstellelement von Fig. 3 angeordnet.
Das Filtrationsmittel ist wie zuvor beschrieben.
Wenn Wasser durch das Filtrationsmittel fließt, trägt der Druck dazu bei, die Fasern in dem Spannring wegen der Verengung der inneren Oberfläche desselben in ihrer ursprünglichen Position zu halten.

BEISPIEL 2

Messung des Druckabfalls

Zwei Filtrationsmittel wurden gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei eines der Filtrationsmittel (bezeichnet "B") mit Fasern von 0,02 mm (9 mils) anstelle von Fasern mit 0,01 mm (4 mils), (bezeichnet mit "A").
Die folgenden Druckabfälle wurden beobachtet, wobei der Einlaßdruck 4 bar war.
Druckabfall (bar)
Filtermittel A (4 mils) 3 bar
Filtermittel B (9 mils) 2 bar

Claims

1. Filtrationsmittel für die Verwendung zum Filtern eines Fluides und mit einem Faserbündel, das sich im wesentlichen in der selben allgemeinen Richtung erstreckt und dicht gepackt ist an einem Ort, an dem Druck auf das Faserbündel aufgebracht wird, um Fluidflußkanäle nur zwischen den benachbarten Fasern entlang ihrer Länge zu bilden, wobei ein jeder der Fluidflußkanäle an diesem Ort die kleinste Querschnittsfläche ausweist, die ausreichend gering ist, um aus dem Fluid herauszufilternde Partikel zurückzuhalten, wobei die dichte Packung durch die Innenoberfläche des Halteelements bestimmt ist, die das Faserbündel an dem Ort umgibt, wo die Fasern sich in der Längsrichtung an beiden Seiten des Ortes der dichten Packung erstrecken, was den Teilen der Fasern, die nicht an dem Ort dicht gepackt sind, erlaubt, geringe Bewegungen auszuführen, wenn ein Fluid durch die Fluidkanäle strömt.

2. Filtrationsmittel nach Anspruch 1, wobei die Fasern Einzelfasern sind.

3. Filtrationsmittel nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Faser eine glatte Oberfläche aufweist.

4. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Faser über ihre gesamte Länge eine im wesentlichen gleiche Querschnittsfläche aufweist.

5. Filtrationsmittel nach Anspruch 4, wobei jede Faser ein Verhältnis von Länge zur größten Querschnittsabmessung von wenigstens 10, vorzugsweise 100, noch besser wenigstens 1.000, insbesondere wenigstens 10.000 aufweist.

6. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem alle Fasern im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweisen.

7. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Fluidflußkanäle an dem Ort der dichten Packung im wesentlichen die gleiche Querschnittsform aufweisen.

8. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7 mit Fasern von im wesentlichen zwei unterschiedlichen Querschnittsflächen.

9. Filtrationsmittel nach Anspruch 8, bei dem die Fasern verschiedener Querschnittsflächen gleichmäßig unter einander über das Filtrationsmittel verteilt angeordnet sind.

10. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem jede Faser einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wenn die Fasern nicht gepackt sind.

11. Filtrationsmittel nach Anspruch 10, bei dem der Durchmesser der Fasern maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 2 mm beträgt, noch besser im Bereich von 0,001 bis 1,6 mm und insbesondere im Bereich vom 0,01 bis 0,05 mm liegt.

12. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem alle Fasern aus dem selben Material bestehen.

13. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit Fasern, die aus wenigstens 2 unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei jede Faser nur aus einem einzigen Material besteht.

14. Filtrationsmittel nach einem er Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Fasern aus einem Material gebildet sind, das wenig verformbar ist, wenn ein moderater Druck auf sie einwirkt.

15. Filtrationsmittel nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Fasern aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die Metall, keramische Materialien und natürliche und synthetische Polymere umfaßt.

16. Filtrationsmittel nach Anspruch 15, bei dem das keramische Material Glas ist.

17. Filtrationsmittel nach Anspruch 15, bei dem das Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyamiden, Polyesthern, Polyethylen, Polypropylen oder Polycaprolactam, natürlichem, synthetischem, vernetzten Gummi und Silikon (Siloxan-Polymere) besteht.

18. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Fasern aus einem Material bestehen, das Keratin aufweist.

19. Filtrationsmittel nach Anspruch 18, bei dem die Fasern Haarfasern oder Seidenfasern sind.

20. Filtrationsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem jede Faser mit einer positiven (+) oder negativen (-) Ladung versehen ist.