DE69409716T2

DE69409716T2 - Filter und Verfahren zum Trennen von geladenen Partikeln aus einem Flüssigkeitsstrom

Info

Publication number: DE69409716T2
Application number: DE69409716T
Authority: DE
Inventors: Eli Salem
Original assignee: Graver Co
Current assignee: Marmon Industrial Water LLC
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: MX9405034A; DE69409716D1; JP3529431B2; FI943144A; FI943144A0; KR950002828A; US5376278A; JPH07136426A; CN1111542A; CA2126739C; EP0633066A1; EP0633066B1; CA2126739A1

Description

Technisches Gebiet.

Die Erfindung betrifft das Abtrennen geladener Partikel aus einer Flüssigkeit durch Flitrieren und Adsorption. Die Erfindung betrifft auch einen verbesserten Filter.

Hintergrund der Erfindung.

Beim Oberflächenfiltrieren bilden Festkörper einen Filterkuchen, der sich überwiegend auf der Oberfläche eines porösen Filtermediums befindet. Die Oberflächenfiltration ist von der Tiefenfiltration unterscheidbar, bei der ein bedeutender Anteil der Festkörper verhältnismäßig tief innerhalb eines Filtermediums gefangen wird. Beim Oberflächen- und beim Tiefenfiltrieren, ist das Filtermedium häufig in der Form einer Patrone gestaltet, die rückwaschbar oder zum einmaligen Gebrauch bestimmt sein kann. Das Filtermedium kann zum Beispiel aus Baumwolle, Polypropylen, Nylon, Polyethylen, Polyester oder Metalldrahtgewebe hergestellt werden.
Vorbeschichtungsfiltrieren ist eine spezifische Kategorie des Filtrierens. vorbeschichtungsfilter-Elemente nutzen ein aufgetragenes Filtermedium auf einer porösen Trägerstruktur, die als ein Septum bezeichnet wird, um einen Filterkuchen zu bilden, der im wesentlichen vom Septum isoliert ist. Die Vorbeschichtung kann ein körniges Material sein, wie Kieselgur, Perlit oder Zellulosefasern. Das Septum kann ein Gewebestoff, ein gamgewickeltes Element, ein gelegter Vliesstoff oder ein verhältnismäßig starres perforiertes Element sein. Die Vorbeschichtung erfüllt eine Filtrierfunktion und schützt daher das Septum vor Verschmutzung ("fouling").
Typischerweise ist die Größe der Vorbeschichtungsmedien größer als die Größe der Septumporen. Das Septum wirkt in erster Linie als ein Trägerglied ,und die Vörbeschichtungsmedien führen den Großteil der Filtration durch, die stattfindet. Die Vorbeschichtung wird periodisch, zum Beispiel durch Rückwaschen, entfernt, und eine andere Vorbeschichtung wird aufgetragen. Zusätzlich zum Durchführen der Filtrierfunktion können einige Vorbeschichtungen chemisch mit Verunreinigungen in einem Prozeßstrom wechselwirken. Zum Beispiel werden Vorbeschichtungen, die Ionenaustauschharz enthalten, in den US- Patenten Nr 3.250.702, 3.250.703, 3.250.704 und 3.250.705 von Levendusky beschrieben. Eine Mischung aus pulverisiertem Kationen- und Anionenaustauschharz, die eine Dicke von etwa einem sechzehntel bis etwa zwei Zoll aufweist, wird als eine Vorbeschichtung auf der Außenseite von Filterpatronenelementen in einer Druckschale aufgetragen. Die beschriebenen Ionenaustauschharze weisen einen Partikelgrößenbereich von etwa 100 bis 400 mesh auf. Die Druckdifferenz quer zum Filter, der mit einer Mischung von pulverisiertem Kationen- und Anionenaustauschharz vorbeschichtet ist, ist verhältnismäßig niedrig, wenn das Harz sauber ist. Die Verbesserung der Druckdifferenz ist auf elektrostatische Kräfte zurückzuführen, die dazu neigen, Kationen- und Anionenaustauschpartikel zusammenzuballen, was die Mischung für den Flüssigkeitsfluß durchlässiger macht. Andere Materialien wie Zellulosefasern sind mit der Mischung der Kationen- und Anionenaustauschharze gemischt worden, um eine ausflockende Mischung herzustellen, die noch zusammenballender und durchlässiger ist.
Ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen, das eine zusammenballende Filtervorbeschichtung entgegengesetzt geladener Partikel eines Filterhilfsmaterials einsetzt, wird in US-Patent Nr. 4.177.142 beschrieben. Die beschriebenen Filterhilfsmaterialien schließen Kieselgur, Zellulosefasern, Holzkohle, expandiertes Perlit, Asbestfasern, Ionenaustauschharze und anorganische Ionenaustauscher ein. Das Filterbett wird als eine Mischung entgegengesetzt geladener Partikel aus Filterhilfsmaterial dargestellt, wobei einige eine normale Oberflächenladung und andere eine chemisch verursachte Oberflächenladung aufweisen. Die Vorbeschichtung entgegengesetzt geladener Partikel zeigt die Zusammenballungserscheinung.
Spezialisierte Vorrichtungen sind entwickelt worden, um die Vorteile von mechanischen und Ionenaustauscher-Vorbeschichtungen besser zu verwerten. Zum Beispiel offenbart die UK- Patentanmeldung GB 2 214 447A ein Filterelement für ein Vorbeschichtungsfilter, das ein Septum mit longitudinalen Falten aufweist. Umlaufende Bänder halten das Septum während des Rückwaschens zusammen. Eine Vorbeschichtung, die eine minimale Dicke von etwa 5 mm (0,2 Zoll) aufweist, wird beschrieben. Diese Anmeldung sagt aus, daß Vorbeschichtungsfilter mit einer Ionenaustauschharzbeschichtung bei der Behandlung von Speisewasser und Kondensat für Kernkraftwerke verwendet werden, und daß die Filter rückgewaschen werden können, um die Vorbeschichtung zu entfernen.
Verschiedene Arten von Ultrafiltrier- und Mikrofiltriervorrichtungen sind verwendet worden, um metallische Korrosionsprodukte aus Wasserströmen, insbesondere Dampfkesselspeisewasserzusatz- und Kondensatrückströmen abzutrennen. Ultrafiltrieren ist ein druckgetriebenes Filtrieren in molekularem Maßstab, das das Leiten eines Flüssigkeitsstroms durch einen Flächenfilter oder alternativ eine Hohlfaser umfaßt, der/die eine Porengröße von etwa 0,01 Mikrometer aufweist. Mikrofiltrieren ist auf verhältnismäßig größere Kolbide und suspendierte Partikel ausgerichtet, wobei Flächenfilter, wie Membranen, Patronenfilter oder gefaltete Filter eingesetzt werden, die eine Porengröße von etwa 0,1 Mikrometer aufweisen. Alternativ können Hohlfasern, die eine Porengröße von etwa 0,1 Mikrometer aufweisen, zum Mikrofiltrieren eingesetzt werden.
Hohlfasern unterscheiden sich von Flächenfilter-Membranen darin, daß die Hohlfasern Röhren sind, die Innendurchmesser im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 1 mm aufweisen. Flächenfilter sind üblicherweise flache Bahnen oder spiralförmig gewickelte Membranen, die aus Bahnen hergestellt werden. Jedoch sind Hohlfaser-Mikrofilter und Flächen-Mikrofilter häufig aus den gleichen Materialien hergestellt, wie Zelluloseacetat, Polyamid, Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyfuran, Nylon und Polyethylen. Die Flächenfilter können gewebt, gelegt, gegossen, gewickelt, extrudiert, oder heißgeschmolzen und gesprüht werden, verglichen mit Hohlfasern, die normalerweise durch Gießen hergestellt werden. Flächenfilter können einen verhältnismäßig höheren Fluß an Flüssigkeit pro Einheitsfläche des Septums verarbeiten, und sind im allgemeinen wirtschaftlicher anzubringen und zu betreiben als die Hohlfasern.
Die Japanische Kokai-Patentanmeldung Nr. HE 02-83020 beschreibt das Filtrieren von im Kreislauf umlaufendem Wasser mit Hohlfasern, die mit pulverisierten Kationenaustauschharzen zur Entfernung von lonenverunreinigungen, wie Eisen(III)- und Kupfer(II)-Ionen beschichtet worden sind. Die Anmeldung gibt an, daß wahlweise Eisenoxide als Beschichtung verwendet werden können. Es ist anzunehmen, daß der Gebrauch von Kationenaustauschharzen, wie er in der Anmeldung beschrieben wird, eher auf die Entfernung von Ionen als von Partikeln gerichtet ist.
Ein Filtrierverfahren, das einen Hohlfaserfilter verwendet, wird in den Japanischen Kokai-Patentanmeldungen Nr. SH 062- 87023; SE 062-220200; und HE 011-80205 beschrieben. Wasser, das feine Partikel aus Eisenoxid enthält, wird wiederholt durch den Hohlfaserfilter geschickt, um eine dünne Beschichtung aus Eisenoxid oder Eisenhydroxid auf der Membran zu bilden. Die dünne Beschichtung soll das Rückwaschen von Verunreinigungen erleichtern, die später auf dem Filter angesammelt werden. Wie verlautet, schirmt die Schicht aus Eisenoxiden die Membran vor Eisen(II)-Ionen in dem im Kreislauf umlaufenden Strom ab und hindert dadurch die Eisen(II)-Ionen daran, sich auf der Membranoberfläche niederzuschlagen.
Hohlfaserfilter und Flächenfilter sind gut zum Gebrauch in Kernkraftwerken geeignet, da sie mit gutem Wirkungsgrad rückgewaschen werden können, wobei sie eine verhältnismäßig kleine Menge von Rückwaschabwasser erzeugen, das der Beseitigung für radioaktive Abfälle zugeführt wird. Mit den Hohlfaserfiltern ist es möglich, Filterelemente herzustellen, die eine verhältnismäßig größere Oberfläche pro Einheitsvolumen aufweisen, als bei Flächenfiltern. Andererseits weist der Flächen filter verhältnismäßig höhere Durchflußgeschwindigkeiten, niedrigere Anfangskosten und niedrigere Austauschkosten auf.
Bedeutende Faktoren bei der Auswahl eines Filters zum Gebrauch in einer Kernenergie erzeugenden Anlage sind die Häufigkeit des Rückwaschens bei einem besonderen Betrieb, und der Umstand, ob der Filter eine verhältnismäßig niedrige Druckdifferenz nach dem Rückwaschen zeigt. Filter mit verhältnismäßig kleinen Poren neigen dazu, Eisenkorrosionsprodukte auf ihren äußeren Oberflächen anzusammeln, weil ihre Poren vielleicht eine geringere Größe als viele Verunreinigungen aufweisen. Im Vergleich dazu neigen Filter, die vergleichsweise größere Poren aufweisen, dazu, einige der Verunreinigungen, wie Eisenkorrosionsprodukte, unter ihre Oberflächen eindringen zu lassen. Filter, die vergleichsweise größere Poren aufweisen, können schwieriger so vollständig rückgewaschen werden, daß sie die Druckdifferenz des ursprünglichen Zustands zurückgewinnen.
Ein weiterer bedeutender Auswahlfaktor kann die Menge an Material sein, die als Ergebnis des Rückwaschens oder der Verwerfung des Filters zu entsorgen ist. Abfallentsorgung ist gewöhnlich kostspielig. Bei einigen Anwendungen müssen verbrauchte Vorbe schi chtungsmedi en und verbraucht es Rückwaschwasser als radioaktiver oder gefährlicher Abfall behandelt werden.
Ein Verfahren zum Abtrennen von Fe3O4-Partikeln aus einem Kondensatstrom eines Stromkraftwerks, das einen Doppelschichtfilter von mikropulverisierten und fasrigen Ionenaustauschharzen verwendet, ist bereits aus JP-A-58 020 236 bekannt. Der in dem Verfahren verwendete Filter zeigt ein Rückhalteverhältnis von 618 g geladener Partikeln pro kg Ionenaustauschmaterial-Beschichtung bei einer Druckdifferenz von 1,75kg/cm².
Jedoch weist ein solches Verfahren den Nachteil auf, daß das Rückhalteverhältnis kleiner als 1 ist, was zu einer beachtlichen zu entsorgenden Abfallmenge führt.
Daher besteht ein Bedürfnis für ein verbessertes Filtrierverfahren, das Eisen-Korrosionsprodukte aus einem Wasserstrom mit verhältnismäßig hohen Ausbeuten entfernt und das einen Filterkuchen erzeugt, der entfernt werden kann, so daß der Filter annähernd in seinen ursprünglichen sauberen Zustand zurückgeführt werden kann. Das verbesserte Verfahren sollte vergleichsweise niedrige Anfangsdruckdifferenzen und auch längere Standzeiten liefern, die nicht durch Verstopfen oder durch Vorbeschichtungserschöpfung unterbrochen werden. Das verbesserte Verfahren darf keinen unnötigen Abfall zur Entsorgung erzeugen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Entfernen geladener Partikel, wie Korrosionsprodukten, Ton, Rost, Asche und ausgeflocktem Abfall aus einem Wasserstrom bei verhältnismäßig hohen Wirkungsgraden und niedrigen Druckdifferenzen bereit. Bei dem Verfahren wird eine Filtrieroberfläche eines Flächenfilters durch Verteilen einer verhältnismäßig kleinen Menge von lonenaustauschmaterial auf der Filtrieroberfläche behandelt. Die Menge des Ionenaustauschmaterials ist bedeutend geringer als die herkömmlicherweise beim Vorbeschichtungsfiltrieren eingesetzte, sie ist jedoch wirkungsvoll, um einen verhältnismäßig feinen Anteil der Korrosionsprodukte zu adsorbieren. Kationenaustauschmaterial wird verwendet, um positiv geladene Partikel zu entfernen, während Anionenaustauschmaterial verwendet wird, um negativ geladene Partikel zu entfernen. Anschließend wird ein Flüssigkeitsstrom, der Korrosionsprodukte enthält, bei verhältnismäßig großen Durchflußgeschwindigkeiten durch den Flächenfilter geschickt. Es ergeben sich ein hoher Filtrierwirkungsgrad und vorteilhaft niedrige Druckdifferenzen. Das behandelte Flächenfilter zeigt verhältnismäßig lange Laufzeiten, während derer die Menge der geladenen Partikel, die auf dem Filter zurückgehalten werden, die Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials überschreiten kann.
Unter einem Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Abtrennen geladener Partikel. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen eines Flächenfilters, der ein Filtriermedium aufweist, das in Kontakt mit einem verunreinigten Flüssigkeitsstrom steht. Das Filtriermedium definiert eine Filtrieroberfläche, die Poren einer medianen Durchschnittsgröße von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometer aufweist. Mehrere Filtriermedium-Schichten können hintereinander eingesetzt werden. Der Flächenfilter wird durch Auftragen eines ionenaustauschmaterials, das zur Adsorbtion geladener Partikel fähig ist, in verhältnismäßig kleiner Menge auf die Filtrieroberfläche behandelt. Das lonenaustauschmaterial wird in einer Menge aufgetragen, die durchschnittlich etwa 2,43 g bis etwa 365,32 g (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund) des Ionenaustauschmaterials pro m² (Quadratfuß) der Filtrieroberfläche beträgt.
Danach wird der Flüssigkeitsstrom mit einer Durchflußgeschwindigkeit von mehr als etwa 8,13 l pro Minute pro m² (0,2 Gallonen pro Minute pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche durch den Filter hindurchgeschickt. Gleichzeitig wird eine Druckdifferenz quer zum Filter von weniger als etwa 1,4kg/cm² (20 Pfund pro Quadratzoll) beobachtet, während mehr als etwa 90 Gewichtsprozent der geladenen Partikel im Flüssigkeitsstrom auf dem Filter zurückgehalten werden. Überraschenderweise kann das Verfahren fortgesetzt werden, bis die Masse der zurückgehalten geladenen Partikel auf dem Filter mindestens etwa gleich oder größer als die Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials ist.
Unter einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Abtrennen amorpher und anderer Eisenoxidkorrosionsprodukte. Bei dem Verfahren gelangt ein Flächenfilter, der ein Filtriermedium aufweist, das eine Filtrieroberfläche definiert, mit einem Wasserstrom in Kontakt. Die Filtrieroberfläche weist Poren auf, die durch das Filtriermedium vollständig in Verbindung stehen, und die eine Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometer aufweisen. Der Filter wird durch Auftragen eines aus Partikeln bestehenden Ionenaustauschharzes behandelt, das eine Massen-Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 200 Mikrgmeter aufweist. Das Ionenaustauschharz ist zur Adsorbtion des amorphen Eisenoxids und anderer Korrosionsprodukte fähig und ist auf der Filtrieroberfläche in einer Durchschnittsmenge von etwa einem Fünftel bis etwa dem 20-fachen der Menge vorhanden, die einer Monolage der Partikel entspricht. Alternativ ist das Ionenaustauschharz in einer Menge von etwa 2,43g bis etwa 365,32g pro m² (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche vorhanden. Danach wird der Wasserstrom durch den Filter mit einer Durchflußgeschwindigkeit von mindestens etwa 8,13 1 pro Minute pro m² (0.2 Gallonen pro Minute pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche geschickt, während sich ein Druckabfall von weniger als etwa 1,4kg/cm² (20 Pfund pro Quadratzoll) ergibt. Der Betrieb kann in dieser Weise bei einem Abtrennungswirkungsgrad von mehr etwa 90 Gewichtsprozent der Korrosionsprodukte fortgesetzt werden, bis die Masse der zurückgehalten Korrosionsprodukte mindestens etwa gleich der Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials ist.
Unter einem dritten Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Abtrennen metallischer Korrosionsprodukte, die einen verhältnismäßig breiten Bereich von Partikelgrößen aufweisen. Ein verhältnismäßig feiner Anteil der Korrosionsprodukte wird an einer Adsorptivsperre adsorbiert, die aus Ionenaustauschmaterial-Partikeln zusammengesetzt ist. Die Absorptivsperre ist in einer Menge vorhanden, die etwa einem Fünftel bis etwa dem Zwanzigfachen der Menge entspricht, die einer Monolage aus Ionenaustauschmaterial-Partikeln entspricht. Alternativ ist die Absorptivsperre in einer Menge von etwa 2,43g bis etwa 365,32g pro m² (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche vorhanden. Die Partikel sind auf einer stromaufwärtigen Filtrieroberfläche eines porösen Flächenfilters verteilt, der in Kontakt einem verunreinigten Wasserstrom steht. Der feine Anteil der Korrosionsprodukte weist eine Massendurchschnittsgröße auf, die etwa ein Zehntel bis etwa das Fünffache der Mediangröße der Flächenfilter-Poren beträgt. Eine verhältnismäßig grobkörniger Anteil des Korrosionsprodukts wird im wesentlichen mechanisch angrenzend an die Filtrieroberfläche zurückgehalten. Der grobkörnige Anteil weist eine Massendurchschnittsgröße auf, die etwa das Fünffache bis etwa das 50-fache des Medianwertes der Flächenfilter-Poren beträgt. Durch Adsorbtion des feinen Anteils des Korrosionsprodukts hindert die Adsorptivsperre die Korrosionsprodukte am Eindringen und Verschmutzen des Flächenfilters. Gleichzeitig können äußerst feine Partikel, die sonst völlig durch den Flächenfilter hindurchtreten würden, adsorbiert und zurückgehalten werden. Folglich kann der Flächenfilter betrieben werden, bis die Gesamtmasse der Korrosionsprodukte mindestens etwa gleich oder grßer als die Anfangsmasse der Ionenaustauschmaterial-Partikel ist.
Unter noch einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ein Flächenfilter zum Abtrennen geladener Partikel. Der Flächenfilter weist ein Flächenfilterelement auf, das ein Filtermedium aufweist, das eine stromaufwärtige Filtrieroberfläche definiert. Die Oberfläche ist zur wesentlichen Filtration eines Flüssigkeitsstroms geeignet, der geladene Partikel mit sich führt, die einen verhältnismäßig breiten Bereich von Partikelgrößen aufweisen. Die Oberfläche definiert Poren, die eine Mediangröße von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometer aufweisen. Der Flächenfilter weist auch eine Adsorptivsperre auf, die aus einem aus Partikeln bestehenden Ionenaustauschmaterial zusammengesetzt ist. Das Ionenaustauschmaterial ist zur Adsorbtion der geladenen Partikel fähig und ist auf der Filtrieroberfläche in einer Durchschnittsmenge von etwa 2,43 g bis etwa 365,32 g (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund) des Ionenaustauschmaterials pro m² (Quadratfuß) der Filtrieroberfläche verteilt. Vorzugsweise weist der Flächenfilter zwei oder mehr Filtriermedium-Schichten mit unterschiedlichen Mengen von lonenaustauschmaterial auf, das auf jeder der Schichten verteilt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Aufrißansicht eines behandelten Flächenfilterelements der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematisches Flußdiagramm einer Filtertestvorrichtung, die verwendet wird, um ein Verfahren zum Entfernen geladener Partikel aus einem Wasserstrom zu demonstrieren; und
Fig. 3 stellt ein Schaubild dar, das Druckdifferenzen quer zu einem behandelten Flächenfilter und quer zu einem herkömmlichen Filter als Funktionen der Betriebsversuchstage zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Aspekte

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Abtrennen geladener Partikel aus einem Flüssigkeitsstrom bereit. Zum Beispiel kann das Verfahren verhältnismäßig reines Wasser erzeugen, das zum Gebrauch als Dampfkesselspeisewasser in Dampferzeugern geeignet ist, die sowohl fossil befeuert als auch nuklear betrieben werden können. Das Verfahren kann Wasser erzeugen, das zum Gebrauch bei der Herstellung von erstklassigen elektronischen Komponenten, wie Transistoren und Oomputer-Chips geeignet ist. Das Verfahren kann verwendet werden, um Korrosionsprodukte, Ton, Rost, Asche oder ausgeflockte Verunreinigungen aus einer großen Vielzahl von Flüssigkeitsströmen zu entfernen. Alternativ kann das Verfahren radioaktive Partikel aus "niedrigaktiven Abfallströmen" abtrennen, die genutzt worden sind, um darin radioaktive Brennelemente während der Lagerung zu bedecken. Das Verfahren kann die gesamte oder einen Teil der Kondensatwasserstrombehandlung, "Kondensataufbereitung" genannt, ausmachen, und es kann als Haupteinrichtung zum Entfernen von Korrosionsprodukten aus einem Dampfsystem dienen.
Es wird angenommen, daß die Erfindung nützlich zum Abtrennen von so gut wie jeder Art von verhältnismäßig kleinen geladenen Partikeln aus einem geeigneten Flüssigkeitsstrom ist. Hierin ist der Ausdruck geladene Partikel dazu bestimmt, Stücke fester Materie oder einzelne Tropfen zu bezeichnen, die, wenn sie in einer gegebenen Flüssigkeit dispergiert sind, eine elektrostatische Ladung ausreichender Größenordnung zeigen, um die geladenen Partikel anfällig für eine Adsorption durch ein Ionenaustauschmaterial zu machen. Es versteht sich von selbst, daß die Größenordnung und Polarität der elektrostatischen Ladung von der Zusammensetzung der Flüssigkeit abhängt, in der die geladenen Partikel dispergiert sind. Geeignete Flüssigkeiten sind jene, die lonenaustauschmaterial nicht schnell verunreinigen oder keine verhältnismäßig große Konzentration von anderen Ionen oder geladenen Partikeln mit sich führen, als jene, auf die das vorliegende Abtrennungsverfahren abzielt.
Unter einem bevorzugten Aspekt, der beispielhaft aber nicht einschränkend ist, ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abtrennen von Korrosionsprodukten aus einem Kondensatwasserstrom, der von einem Dampferzeugungssystem erzeugt wird. Das Dampfsystem weist eine Dampferzeugungszone auf, die Eisenrohrmaterial und Kupferlegierungsrohrmaterial enthält. Die Dampferzeugungszone weist eine Dampfkesseltrommel auf, in der eine Flüs!sigphase von einer gasförmigen Phase abgetrennt wird. Alterriativ kann die Dampferzeugungszone von trommelloser Bauart sein, speziell zum Betrieb bei überkritischen Drücken. Die Dampferzeugungszone weist einen Kemreaktor, einen chemischen Reaktor oder eine andere Wärmequelle auf, wie einen heißen Prozeßstrom. Gasförmiger oder überkritischer Dampf wird durch die Zuführung von Wärme erzeugt. Der Dampf verläßt die Dampferzeugungszone und gelangt zu einer Turbine, wo ihm Energie entzogen wird.
Der Dampf, der aus der Turbine austritt, wird in einem Kondensator gekühlt, um einen Kondensatstrom zu erzeugen. Kondensatpumpen wälzen den Kondensatstrom zur Wiederverwendung um. Der Kondensatstrom wird wahlweise vor der Wiederverwendung zeitweilig gespeichert, und wird mit behandeltem Dampfkesselspeisewasserzusatz bezusatzt, um Wasser zu ersetzten, das aus dem Dampfsystem verloren gegangen ist. Der Kondensatstrom wird zusammen mit einer verhältnismäßig kleinen Menge an Zusatzwasser in einem oder mehreren Schritten einem Kondensataufbereitungverfahren unterzogen.
Ein Hauptziel des Kondensataufbereitungsverfahrens ist die Entfernung von metallischen Korrosionsprodukten aus dem Kondensatstrom. In so gut wie allen Dampfsystemen steht Wasser in Kontakt mit Röhren, Behälterwänden oder Ventilen, die aus Eisen- oder Kupferlegierungen bestehen. Eine gewisse Korrosion der Legierungen ist unvermeidlich, selbst wenn die Betriebsbedingungen peinlich genau eingehalten werden.
Wenn man die Produkte einer solchen Korrosion innerhalb des Dampfsystems beließe, würde sich eine ernste Beschädigung ergeben. Zum Beispiel ist bekannt, daß Eisen enthaltende Korrosionsprodukte eine Ablagerung auf der Innenseite der Röhren in stark wärmeübertragenden Gebieten bilden, was zu Dampfkesselrohrversagen führt. Die Säurereinigungsprozedur, die notwendig ist, um solche Ablagerungen zu entfernen, ist kostspielig und zeitaufwendig. Entsprechend neigen Eisen enthaltende Korrosionsprodukte dazu, sich auf Turbinenschaufeln anzusammeln, wo sie bedeutende Verluste des Turbinenwirkungsgrades, eine Unwucht der Turbinenschaufeln, und schließlich verschluß der Turbine verursachen.
Die üblichsten Eisen enthaltenden Korrosionsprodukte sind Eisenoxide. Die Eisenoxide umfassen Fe&sub2;O&sub3;, Fe&sub3;O&sub4; und FeOOH. Sie können entweder in kristalliner oder amorpher Form vorliegen. Die hauptsächlichen kristallinen Arten, die im Dampfkesselspeisewasser anzutreffen sind, sind Fe&sub3;O&sub4;, α-Fe&sub2;O&sub3;, α -FeOOH und γ-FeOOH. Jedoch ist ein wesentlicher Anteil der Eisenoxide amorph, und das amorphe Material ist beim Verunreinigen von Anlagen, einschließlich herkömmlicher Filter, besonders wirksam. Die Eisen enthaltenden Korrosionsprodukte dissozueren im allgemeinen, wenn das Wasser, das sie suspendiert, auf einen ausreichend niedrigen pH-Wert angesäuert wird. Jedoch werden viele Hochdruckdampfkessel auf einen pH von 6,5 oder mehr eingeregelt, manche auf pH 8,5 oder mehr, und die Korrosionsprodukte liegen in erster Linie als feste Partikel vor. Die Eisenverbindungen liegen häufig als kolloidale Partikel vor, die eine Partikelgröße von etwa 0,1 bis etwa 5 Mikrometer aufweisen.
Eisenoxide, Kobaltoxide und Nickeloxide können zum Beispiel unter Verwendung der vorliegenden Erfindung entfernt werden, ungeachtet ob sie in suspendierter, kolloidaler oder gelöster Form vorliegen. Es ist beabsichtigt, daß das Verfahren genutzt wird, um allgemein Übergangsmetalloxide aus Kondensat- und anderen Wasserströmen zu entfernen. Die Übergangsmetalle sind jene Elemente, die in der Gruppe 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8, 1b und 2b des Periodensystems der Elemente gefunden werden, wie es auf der Innenseite des hinteren Einbandes der 51. Ausgabe des Handbook of Chemistry and Physics abgebildet ist, das von der Chemical Rubber Company herausgegeben wird.
Die Konzentration der Verunreingungen liegt im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1000 Teile pro Million, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 500 Teile pro Milliarde, bevorzugterweise etwa 10 bis etwa 30 Teile pro Milliarde, bezogen auf die Masse des wäßrigen Stroms Es wird bevorzugt, daß die Konzentration der Verunreinigungen durch das erfindungsgemäße Verfahren um mindestens etwa 90 Gewichtsprozent reduziert wird.
Hierin ist ein Filter ein Aufbau, der ein poröses Filterelement aufweist, das ein oder mehrere Filtriermedium- Schichten, die eine Filtrieroberfläche definieren, und auch ein Filtergehäuse aufweist, das das Filterelement hält und den Fluidstromfluß leitet. Der Filter kann Vorfiltriermedium- Schichten und Nachfiltriermedium-Schichten aufweisen. Der Filter kann mehrfache Filterelemente in einer Reihen- oder Parallelflußanordnung aufweisen. Es werden Ventile, Armaturen und andere Ausstattungen wahlweise zusammen mit dem Filter eingesetzt.
Das Verfahren wird auf oder nahe einer Filtrieroberfläche eines Flächenfilters ausgeführt. Wie er hierin definiert wird, ist gemeint, daß ein Flächenfilter ein Filter ist, der ein poröses Filtriermedium aufweist, das in der Gestalt einer im wesentlichen ebenen Schicht ausgebildet ist oder alternativ aus einer im wesentlichen ebenen Schicht gebildet worden ist. Flächenfilter schließen Blatt-, röhrenförmige, gefaltete, Flachmembran, und spiralförmig gewickelte Membranfilter ein. Das Filtriermedium des Flächenfilters kann ein Sammelmedium sein, wie eine Matte, die gelegt, gewebt, heißgeschmolzen und geblasen worden ist, oder eine Ansammlung von verhältnismäßig kleineren Strukturen wie Fasern, die gewickelt worden sind. Alternativ kann das Filtriermedium der Bahn ein im wesentlichen einheitliches Medium, wie eine extrudierte oder gegossene Membran sein. Es ist nicht beabsichtigt, daß der Ausdruck Flächenfilter, wie er hierin eingesetzt wird, Filter umfaßt, die Hohlfasern als ihr Filtriermedium nutzen.
Zum Beispiel sind die Filterelemente, die in den US- Patenten Nr. 4.269.707; 4.293.414; und der UK-Patentanmeldung GB 2214447A beschrieben werden, auf die hiermit als weiterer relevanter technischer Hintergrund bezug genommen wird, zur Verwendung in dem Verfahren geeignet. Allgemein weisen geeignete Flächenfilter Filtrieroberflächen auf, die Poren definieren, die etwa von derselben Größe oder größer als der kleinste bedeutende Anteil der aus Partikeln bestehenden Metallkorrosionsprodukte sind, auf die die Abtrennung abzielt. Vorzugsweise definiert die Filtrieroberfläche des Flächenfilters Poren, die eine mediane Durchschnittsgröße von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometer, bevorzugterweise von etwa 0,3 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer, und am bevorzugtesten etwa 0,3 bis etwa 1,0 Mikrometer aufweisen.
Die Fasern, die den Flächenfilter ausbilden, können natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein, wie zum Beispiel, Baumwoll- oder Polyester-Fasern. Alternativ kann der Flächenfilter ein Drahtmaschensieb, das aus einem Metall wie rostfreiem Stahl ausgebildet ist. Es wird bevorzugt, daß das Filterelement ausreichend stark ist, so daß der Filter einem Rückwaschen ohne bedeutende Beschädigung widersteht. Das Filterelement kann mit einer Trägerkonstruktion versehen sein, um es zu verstärken. Zum Beispiel können äußere Bänder, Foraminröhren oder zusätzliche Fasermatrizen eingebaut sein, um die Filtrieroberfläche während der Rückwaschens und des normalen Betriebs zu unterstützen.
Der Flächenfilter wird durch Auftragen eines Ionenaustauschmaterials auf die Filtrieroberfläche des Filtermediums in einer Menge behandelt, die ausreichend ist, um eine Adsorptivsperre zu bilden, die einen verhältnismäßig feinen Anteil geladener Partikel adsorbiert, wie etwa Metallkorrosionsprodukte, Aschen, Ton, oder Flocken. Die Menge des Ionenaustauschmaterials ist unzureichend, um ein Bett oder eine Vorbeschichtungsschicht auszubilden, die fähig ist, einen verhältnismäßig grobkörnigen Anteil der Metallkorrosionsprodukte im wesentlichen zurückzuhalten. Der verhältnismäßig grobkörnige Anteil bleibt im wesentlichen auf oder nahe der porösen Filtrieroberfläche haften, mit Lücken zwischen den grobkörnigen Partikeln, die der Flüssigkeit, die vergleichsweise feinere Partikel mit sich führt, erlaubt, durch das Ionenaustauschmaterial zu fließen. Auf diese Weise ist das Ionenaustauschmaterial fähig, die feineren Partikel zurückzühalten, und es verbessert so sowohl das Entfernen der Partikel, als daß es auch die Filtrieroberfläche eine vergleichsweise lange Zeitspanne vor dem Verstopfen schützt, ohne bedeutend zu einem Differenzdruck beizutragen, der quer zum Filterelement beobachtet wird, wenn der Filter in Betrieb ist.
Theoretisch würde eine ideale Behandlung des Flächenfilters aus etwa einer Monolage des Ionenaustauschmaterials bestehen, das gleichmäßig über der Filtrieroberfläche verteilt ist. Hierbei bilden die Partikel dann eine Monolage, wenn sie auf einer Oberfläche in der maximal möglichen Menge vorhanden sind, die damit vereinbar ist, daß jede Partikel gleichzeitig in Kontakt mit der Oberfläche und mit der maximalen Anzahl von Nachbarpartikeln steht. Das heißt, die Partikel der Monolage sind auf der Oberfläche dicht gepackt, aber es nicht eine Partikel auf der anderen gestapelt.
Es ist nützlich, eine Menge durch eine Masse von aus Partikeln bestehender Substanz zu definieren, die der Masse einer Monolage von gleichartigen Partikeln entspricht. Zum Beispiel enthält eine Adsorptivsperre, die aus etwa einem Fünftel einer Monolage besteht, eine Masse von Ionenaustauschmaterial-Partikeln, die ein Fünftel der Masse beträgt, die erforderlich ist, eine vollständige Monolage zu bilden. Entsprechend ist eine Menge, die zehn Monolagen entspricht, das Zehnfache der Menge, die erforderlich ist, um eine Monolage zu bilden. Wenn natürlich Partikel auf einer Oberfläche in einer Menge von mehr als etwa einer Monolage vorhanden sind, sind einige der Partikel notwendigerweise aufeinander gestapelt.
Die Masse des Ionenaustauschmaterials wird aus ihrer Dichte berechnet, wie sie in hydratisierter Form bestimmt wird, während sie im wesentlichen mit dem Gegenionentyp asozuert ist, der zur Verwendung auf der Filtrieroberfläche bestimmt ist. Eine optimale Beladung, ausgedrückt als Pfund des Ionenaustauschmatenais auf der Filtrieroberfläche pro Quadratfuß der Filtrieroberfläche, liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2,43g bis etwa 365,32g per m² (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund pro Quadratfuß), bevorzugterweise etwa 24,3g bis etwa 243,5g pro m² (0,005 bis etwa 0,05 Pfund pro Quadratfuß), bezogen auf die absolute Feuchtdichte des Ionenaustauschmaterials vor. In Monolagen ausgedrückt, wird eine Beladung von etwa einem Fünftel bis etwa zwanzig Monolagen bevorzugt, eine Beladung von etwa einer halben bis etwa zehn Monolagen wird besonders bevorzugt, und eine Beladung von etwa einer Monolage wird am meisten bevorzugt.
Für ein geeignetes Verfahren zur Messung der absoluten Feuchtdichte, auch als wahre Dichte bezeichnet, siehe R.Kunin, Ion Exchange Resins, 325 (1990). Das gesamte Ionenaustauschmaterial, das auf irgendeinem Teil des Filters zurückgehalten wird, wird aufsummiert, um die Masse des verteilten Ionenaustauschmaterials zu erhalten. Jedoch wird nur die - Fläche, die durch die stromaufwärtige Oberfläche der Filtriermedium-Schicht oder alternativ durch die stromaufwärtige Oberfläche einer der Filtriermedium-Schichten repräsentiert wird, in die Berechnung der Beladung mit einbezogen. Wenn der Flächenfilter mehrere poröse Schichten aufweist, ist die Schicht, die die größte Menge des Ionenaustauschmaterials zurückhält, die Filtriermedium-Schicht, die die stromaufwärtige Oberfläche zu Berechnungszwecken definiert. Andere Schichten gehen nicht in die Flächenberechnung ein. Wenn die Filtriermedium-Schicht gefaltet ist, wird die Schicht vor der Messung zerlegt und eingeebnet, aber nicht gedehnt, um die stromaufwärtige Oberfläche zu berechnen.
Das Ionenaustauschmaterial kann ein Kationenaustauschmaterial, vorzugsweise ein stark saures Kationenaustauschmaterial auf Adsorptivharzbasis sein. Kationenaustauschmaterialien sind insbesondere zum Abtrennen von Korrosionsprodukten wirksam, die eine elektrisch positive Oberflächenladung tragen, wenn diese in einem pH-neutralen bis sauren wäßrigen Strom suspendiert sind, wie zum Beispiel Eisenkorrosionsprodukte. Geeignete Materialien für das Adsorbtivharzgrundmaterial umfassen sulfonierte vernetzte Polystyrolharze, Acryl-Harze und Phenol-Harze. Die Kunstharze können mikroretikulär oder makroretikulär sein.
Wenn die Flüssigkeit Wasser ist, wird besonders bevorzugt, daß das Kationenaustauschmaterial ein Doppelmorphologie-Kationenaustauschharz ist. Man sagt, daß ein Harz eine Doppelmorphologie zeigt, wenn es durch Kontakt mit Wasser reversibel von einer trockenen, gelularen Morphologie in eine makroretikuläre, hydratisierte Morphologie umgewandelt werden kann. Ein Harz, das eine gelulare Morphologie aufweist, enthält vorwiegend gelartige Poren, die von einer molekularen Natur sind und ein Teil der Gelstruktur sind. Makroretikuläre Morphologie, auch als makroporöse Morphologie bezeichnet, enthält einen bedeutenden Anteil von extragelularen Poren, die kein Teil der Gelstruktur sind. Ein Beispiel eines bevorzugten Doppelmorphologie-Kationenaustauschharzes ist ein Harz, das kommerziell unter dem Handelsnamen Diaion PK212L von der Mitsubishi Kasei Corporation of Tokyo, Japan erhältlich ist. Doppelmorphologie-Kationenaustauschharze sind im US-Patent Nr. 5.192.446 beschrieben, das dem Patentinhaber gehört und auf das hiermit als weiterer technisch relevanter Hintergrund Bezug genommen wird.
Das Kationenaustauschmaterial liegt vorzugsweise in Wasserstoff-, Natrium-, Calcium-, Magnesium-, Morpholin- oder Ammoniakform, bevprzugterweise Wasserstoff-, Morpholin- oder Ammoniakform vor. Wenn man sagt, daß ein Ionenaustauschharz in einer spezifischen Ionenform vorliegt, sind die Gegenionen, die vom lonenaustauschmaterial gehalten werden, im wesentlichen aus dem spezifischen Ion zusammengesetzt. Zum Beispiel ist ein Kationenaustauschmaterial in Natriumform im wesentlichen an Natriumionen gebunden. Entsprechend ist ein Kationenaustauschmaterial in Fe(II)-Form im wesentlichen mit Fe(II)-Gegenionen assoziiert. Vorzugsweise weist das lonenaustauschmaterial eine Austauschkapazität von etwa 0,1 bis etwa 5 Milhäquivalenten pro Kubikzentimeter auf, wenn sie in der Natriumform gemessen wird. Bevorzugterweise weist das Ionenaustauschmaterial eine Austauschkapazität von etwa 1,2 bis etwa 2,5 Milliäquivalenten pro Kubikzentimeter auf.
Alternativ kann das Ionenaustauschmaterial ein Anionenaustauschharz sein. Anionenaustauschmaterialien sind besonders zum Abtrennen von Metallkorrosionsprodukten aus Wasserströmen wirksam, die einen pH von etwa 8 oder mehr aufweisen. Ein bevorzugtes Anionenaustauschharz zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist kommerziell unter dem Handelsnamen Diaion PK308 von der Mitsubishi Kasei Corporation erhältlich. Doppelmorphologie-Ionenaustauschharze sind oben beschrieben worden. Doppelmorphologie-Anionenaustauschharze sind in US 5.397.447 beschrieben, das dem Patentinhaber gehört und auf das hiermit als weiterer technisch relevanter Hintergrund Bezug genommen wird.
Alle Adsorptivharzgrundsubstanzen, die oben im Hinblick auf Kationenaustauschmaterial beschrieben sind, sind zur Verwendung im Anionenaustauschmaterial geeignet. Das Anionenaustauschmaterial kann ein stark basisches oder ein schwach basisches Anionenaustauschmaterial, vorzugsweise ein stark basisches Material sein. Es wird bevorzugt, daß das Anionenaustauschmaterial auf der Filtrieroberfläche in Hydroxid- , Chlorid- oder Sulfatform, vorzugsweise in Hydroxidform vorliegt. Wenn der Flüssigkeitsstrom ein Wasserstrom ist, ist das Anionenaustauschmaterial hydratisiert.
Das Ionenaustauschmaterial ist ein fein verteilter Feststoff, zum Beispiel rundliche Partikel, kantige Körnchen oder stabförmige Fasern. In jedem Fall wird die größte Ausdehnung der Form als Größe angenommen. Hierin ist die mediane Massen-Durchschnittsgröße einer aus Partikeln bestehenden Probe als die Partikelgröße definiert, für die die Masse größerer Partikel und kleinerer Partikel, die in der Probe vorhanden sind, gleich ist.
Vorzugsweise weist das Ionenaustauschmaterial eine mediane Massen-Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 10 bis etwa 200 Mikrometer auf, bevorzugterweise im Bereich von etwa 20 bis etwa 100 Mikrometer. Ionenaustauschermaterialien, die eine vergleichsweise größere Größe aufweisen, können auf eine geeignetere Größe zerkleinert und bei der Erfindung genutzt werden. Ionenaustauschmaterial, das eine wie oben beschriebene Größe aufweist, stellt eine wünschenswert große Oberfläche pro Einheitsvolumen bereit, die die Adsorption der Korrosionsprodukte steigert.
Ein besonders bevorzugtes Flächenfilterelement ist gefaltet und besteht aus zwei oder mehreren porösen Schichten, vorzugsweise aus drei Schichten, die miteinander kalandriert worden sind. Mindestens eine kalandrierte Schicht definiert vorzugsweise Poren, die eine mittlere Größe von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometern, bevorzugterweise von etwa 0,3 bis etwa 1, Mikrometern aufweisen. Die kalandrierte Schicht oder Schichten, von denen erwartet wird, daß sie eine bedeutende Menge eines Ionenaustauschmaterials bekannter Größenverteilung zurückhalten, definieren eine Filtrieroberfläche oder -Oberflächen und werden als Filtriermedium-Schichten bezeichnet. Zusätzliche poröse Schichten, die vergleichsweise größere Poren aufweisen, sind vorzugsweise stromaufwärtig und stromabwärtig der Filtriermedium-Schichten angeordnet, um eine Nachfiltrierung, Drainage oder mechanische Verstärkung während des Rückwaschens und dem normalen Betrieb bereitzustellen. Ein besonders bevorzugtes Flächenfilterelement ist kommerziell von der Graver Company unter dem Handelsnamen Aegis AFA-Filter erhältlich.
Das Ionenaustauschmaterial wird vorzugsweise auf die Filtrieroberfläche oder -Oberflächen aufgetragen, wobei hierbei der Filter durch Durchleiten einer Aufschlämmung, die das Ionenaustauschmaterial enthält, durch den Filter behandelt wird. Vorzugsweise wird die Aufschlämmung durch den Filter in derselben Richtung umgewälzt, in der der Wasserstrom während des normalen Betriebs fließt. Wenn mehrere poröse Schichten, einschließlich Filtriermedium-Schichten in Reihe eingesetzt werden, kommt das lonenaustauschmaterial auf und in den Schichten in variierenden Mengen zur Ruhe. Die Menge und Größe des Ionenaustauschmaterials auf jeder Schicht hängt in erster Linie von der Größenverteilung der Poren unter den Schichten ab. Das Ionenaustauschmaterial kann zu jeder Zeit aufgetragen werden, wird jedoch vorzugsweise aufgetragen, bevor der Filter in Betrieb genommen wird. Alternativ wird das Ionenaustauschmaterial durch "Substanzzuführung" des Ionenaustauschmaterials stromaufwärtig des Filters zu einem flüssigen Verfahrensstrom aufgetragen, während der Filter während des normalen Betriebs in Betrieb ist. Die Substanzzuführung des Ionenaustauschmaterials kann kontinuierlich, unterbrochen oder einmalig stattfinden.
Die Erfindung kann mit einer Mischung eines Ionenaustauschmaterials, das eine Oberflächenladung aufweist, und eines weiteren Materials, das eine entgegengesetzte Oberflächenladung aufweist, wie einem entgegengesetzt geladenen Ionenaustauschmaterial oder einem entgegengesetzt geladenen Filterhilfsmaterial eingesetzt werden. Die entgegengesetzte Ladung kann dem Filterhiflsmaterial durch eine chemische Behandlung verliehen werden. In diesem Fall erzeugt eine verbreitet bekannte Erscheinung, die als "Zusammenballung bezeichnet wird, eine Volumenzunahme, die zuvor mit einer Abnahme der hydraulischen Druckdifferenz durch verhältnismäßig dicke Schichten, wie Filter-Vorbeschichtungsschichten in Zusammenhang gebracht worden ist. Alternativ kann das lonenaustauschmaterial der vorliegenden Erfindung mit Filterhilfsmaterialien eingesetzt werden, die gleichartige oder neutrale Oberflächenladungen aufweisen.
Vorzugsweise stellt eine Behandlung des Filters mit Materialien, die gleichartige Oberflächenladungen aufweisen, wie eine Art von lonenaustauschmaterial, entweder ein Anionenaustauschmaterial oder ein Kationenaustauschmaterial, für viele Anwendungen einen Vorteil bereit. Erstens erzeugt eine Behandlung des Filters mit den verhältnismäßig kleinen Mengen des oben beschriebenen Ionenaustauschmaterials während des Anfangsbetriebes eine vergleichsweise geringe Druckdifferenz quer zum Filter. Auch neigt die Adsorptiv-Wirkung dazu, die Poren der Filtrieroberfläche vor der Verunreinigung während des folgenden Betriebes zu schützen. Als Ergebnis besteht nur ein geringer Anreiz, den Druckabfall quer zum lonenaustauschmaterial weiter zu reduzieren, indem zum Beispiel auf eine Zusammenballung zurückgegriffen wird, die durch entgegengesetzte Oberflächenladungen erzeugt wird.
Zweitens gibt es viele Anwendungen, bei denen es wichtig ist, die Menge des auf die Filtrieroberfläche aufgetragenen Materials zu minimieren. Wenn zum Beispiel die vorliegende Erfindung genutzt wird, um das Kondensat eines Kernkraftwerks aufzubereiten, können Metallkorrosionsprodukte, die auf dem Filter zurückgehalten werden, radioaktiv sein und spezielle Handhabungs- und Entsorgungstechniken erfordern. Das auf die Filtrieroberfläche aufgetragene Ionenaustauschmaterial wird notwendigerweise mit solchen radioaktiven Korrosionsprodukten vermischt und trägt zur Masse und zum Volumen des Materials bei, das eine spezielle Handhabung und Entsorgung benötigt. In dieser Hinsicht sei angemerkt, daß die Verwendung von zusammenballenden Filtrierhilfen dazu neigt, das Entsorgungsvolumen des gebrauchten Filterhilfsmaterials zu vergrößern.
Drittens ist beobachtet worden, daß das Auftragen eines aus Partikeln bestehenden Materials, das eine einzige gemeinsame Oberflächenladung aufweist, dazu neigt, verglichen mit zusammenballendem aus Partikeln bestehendem Material, eine einheitlichere Auftragung zu erzeugen. Zum Deispiel können bestimmte gefaltete Filter, die üblicherweise als schwierig einheitlich mit zusammenballenden Filterhilfen vorzubeschichten betrachtet worden sind, erfolgreich mit einem Kationenaustauschharz behandelt werden.
Folglich wird es bei Anwendungen, bei denen das Minimieren der Entsorgungsmasse und -Volumens wichtig ist, bevorzugt, daß der Flächenfilter durch Auftragen eines Ionenaustauschmaterials behandelt wird, das ein Kationenaustauschharz, aber im wesentlichen kein Anionenaustauschharz enthält. Alternativ wird bei in solchen Anwendungen bevorzugt, daß das Ionenaustauschmaterial ein Anionenaustauschharz umfaßt, jedoch im wesentlichen kein Kationenaustauschharz. Zum Beispiel erzeugt ein Siedewasserreaktor-Kernkraftwerk einen Kondensatstrom mit etwa pH 7,0, der radioaktive Korrosionsprodukte mit sich führt. Ein solcher Strom wird vorzugsweise mit einem Filter behandelt, der mit einem Kationenaustauschharz und im wesentlichen keinem Anionenaustauschharz behandelt ist. Als weiteres Beispiel würde ein Anionenaustauschharz mit im wesentlichen keinem Kationenaustauschharz zur Behandlung eines Eisen und Zink enthaltenden Abwasserstroms geeignet sein, der einen pH im Bereich von etwa 10 bis etwa 11 aufweist.
Ein verhältnismäßig niedriger anfänglicher Druckunterschied und eine vergleichsweise Verunreinigungsfreiheit erlauben, daß der erfindungsgemäße Flächenfilter bei günstig hohen Fließgeschwindigkeiten und Rückhaltewirkungsgraden und für längere Betriebslaufzeiten betrieben wird. Während der längeren Laufzeiten können größere Mengen von Korrosionsprodukten an dem Filter zurückgehalten werden, verglichen mit herkommlichen Filtern. Wünschenswert hohe Durchflußgeschwindigkeiten von mehr als etwa 8,13 l, vorzugsweise mehr als etwa 16,26 l pro Minute pro m² (0,2, vorzugsweise mehr als etwa 0,4 Gallonen pro Minute pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche können bei kommerziell angewandten Druckdifferenzen quer zum Filter von weniger als etwa 1,4kg/cm², vorzugsweise weniger als etwa 2,1kg/cm² und am bevorzugtesten weniger als etwa 0,84kg/cm² (20, vorzugsweise weniger als etwa 30, und am bevorzugtesten weniger als etwa 12 psi) aufrecht erhalten werden. Während dieses Betriebes werden mehr als etwa 90 Massenprozent, vorzugsweise mehr als etwa 95 Massenprozent der Korrosionsprodukte im Wasserstrom auf dem Filter zurückgehalten, bis die Masse der zurückgehaltenen Korrosionsprodukte mindestens etwa gleich oder größer, vorzugsweise mindestens etwa das Dreifache der Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials ist. Bevorzugterweiser wird der Filterbetrieb in dieser Weise fortgesetzt, bis die Masse des zurückgehaltenen Korrosionsprodukts mindestens etwa das Fünffache der Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials beträgt.
Die Filterstandzeit ist üblicherweise beendet, wenn der Differenzdruck quer zum Filter eih vorherbestimmtes Maximum überschreitet oder, alternativ, wenn das lonenaustauschmaterial im wesentlichen mit adsorbierten Korrosionsprodukten gesättigt ist. Man glaubt, daß beim Wasserbehandlungsbetrieb die oben beschriebenen Doppelmorphologie-Ionenaustauschermaterialien verhältnismäßig mehr Korrosionsprodukte pro Masse des Ionenaustauschmaterials adsorbieren, bevor sie sich ihrer Sättigung nähern, verglichen mit herkömmlichen Ionenaustauschermaterialien. Hierbei gilt die Sättigung dann als erreicht, wenn ein lonenaustauschmaterial etwa 90 Massenprozent oder mehr der maximalen theoretischen Menge adsorbiert hat, die das Material zu adsorbieren vermag.
Nach der Betriebslaufzeit wird das behandelte Flächenfilterelement wahlweise der Entsorgung zugeführt. Vorzugsweise wird das Filterelement gereinigt, erneut behandelt und wieder in Betrieb zurückgeführt. Bevorzugterweise wird der Filter durch Rückwaschen gereinigt, wobei Verfahrensweisen angewendet werden, die in der Wasserbehandlungsindustrie wohlbekannt sind.
Obwohl der Erfolg der Erfindung von keiner Theorie abhängt, wird vermutet, daß die Adsorptivsperre dazu dient, die Filtrieroberfläche vor der Verunreinigung durch den verhältnismäßig feinen Anteil der Korrosionsprodukte zu schützen. Die verhältnismäßig kleine Menge des eingesetzten Ionenaustauschmaterials sorgt für eine vergleichsweise geringe Verweilzeit zur Wechselwirkung mit den Korrosionsprodukten. Es wird angenommen, daß während der kurzen Verweilzeit feine Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der harzartigen Grundsubstanz des Ionenaustauschmaterials zurückgehalten werden.
Es wird ferner angenommen, daß die Gegenionen und die verankerten Ionen des Ionenaustauschmaterials eine vorteilhafte elektrische Ladung auf den Ionenaustauschmaterial-Partikeln induzieren, die die geladenen Partikel dabei unterstützt, sich der Oberfläche der harzartigen Grundsubstanz zu nähern. Daher wird bevorzugt, daß die Adsorptivsperre aus Ionenaustauschmaterial-Partikeln besteht, die Austauschplätze aufweisen, die an eine Grundsubstanz gebunden sind, die aus einem harzartigen Material besteht. Zum Reinigen von Wasserströmen wird es besonders bevorzugt, daß das lonenaustauschmaterial ein Doppelmorphologie-Austauschmaterial ist, wie oben beschrieben, das verglichen mit herkömmlichen Ionenaustauschermaterialien dazu neigt, mehr geladene Partikel zu adsorbieren, bevor es gesättigt ist.
Die Adsorptivsperre ist im wesentlichen auf der Filtrieroberfläche angeordnet. Der verhältnismäßig grobkörnige Anteil der geladenen Partikel wird zu großem Teil auf oder nahe der Filtrieroberfläche zurückgehalten. Die Adsorption des feinen Anteils verhindert, verglichen mit herkömmlichen Filtriertechniken, im wesentlichen für eine vergleichsweise längere Zeitdauer, daß die verhältnismäßig feinen geladenen Partikel in das Filtermedium eindringen und es dadurch verunreinigen. Die Adsorption des feinen Anteils verbessert auch den Entfernungswirkungsgrad.
Unter einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ein Flächenfilter zum Entfernen geladen"er Partikel. Wenn solche Partikel in einem Flüssigkeitsstrom vorhanden sind, weisen sie häufig einen verhältnismäßig breiten Bereich von Partikelgrößen auf. Nun bezugnehmend auf Fig. 1, weist ein besonders bevorzugter erfindungsgemäßer Flächenfilter ein Flächenfilterelement 100 auf, das eine poröse innere Filtriermedium-Schicht 140 aufweist, die eine stromaufwärtige Filtrieroberfläche 144 definiert, die geeignet zur mechanischen Filterung von aus Partikeln bestehenden Metallkorrosionsprodukten aus einem Wasserstrom ist. Die Poren der inneren Filtriermedium-Schicht 140 weisen vorzugsweise eine mediane Größe von 0,1 bis etwa 20 Mikrometer auf, bevorzugterweise von etwa 0,3 bis etwa 1 Mikrometer. Der Filter umfaßt auch ein herkömmliches Gehäuse, das in Fig. 1 nicht gezeigt ist, das im wesentlichen das Filterelement 100 umgibt.
Das Flächenfilterelement 100 weist Kunststoffenddichtungen 110 und eine äußere Stützstruktur 120 auf, die Poren definiert, die größer sind als die Partikel, für deren Zurückhaltung die innere Filtrieroberfläche 144 gestaltet ist, und vorzugsweise größer als ein oben beschriebenes aus Partikeln bestehendes Ionenaustauschmaterial. Unter der äußeren Stützstruktur befindet sich eine poröse äußere Filtriermedium-Schicht 130. Die Poren der äußeren Filtriermedium-Schicht 130 sind kleiner als die Poren der äußeren Stützstruktur 120, aber großer als die meisten der Poren der inneren Filtriermedium-Schicht 140. Vorzugsweise beträgt die Größe der Poren der äußeren Vorfiltriermedium- Schicht 130 etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer, bevorzugterweise etwa 30 bis etwa 50 Mikrometer. Das Filterelement 100 weist auch eine Drainage-Schicht 150 und einen inneren perforierten Zentralkern 160 auf, die stromabwärtig zur inneren Filtriermedium-Schicht 140 angeordnet sind. Der innere perforierte Zentralkern 160 weist Poren auf, die größenmäßig gleich oder größer als die Poren der äußeren Filtriermedium- Schicht 130 sind.
Die innere Filtermedium-Schicht 140 besteht vorzugsweise aus einem Polymermaterial. Obwohl jedes Polymermaterial, das ein Filtermedium mit einheitlicher Porosität bereitzustellen vermag, akzeptabel ist, ist das bevorzugte Filtermedium-Material Polyester. Die innere Filtriermedium-Schicht 140 ist wie ein Akkordeon in Falten 170 gelegt und ist zylindrisch um die Drainage-Schicht 150 und den Zentralkern 160 gewickelt. Die innere Filtriermedium-Schicht 140 ist auf die äußere Filtriermedium-Schicht 130 und auf die Drainage-Schicht 150 kalandriert. Vorzugsweise sind die Enden der inneren Filtriermedium-Schicht 140 zum Beispiel thermisch verklebt, epoxiert oder miteinander ultraschallverschweißt und an den Enddichtungen 110 befestigt.
Die Tiefe und Länge der Falten 170 bestimmt die Filteroberfläche pro Einheitslänge des Flächenfilterelements 100. Vorzugsweise ist die Größe der Falten 170 derart, daß es mindestens 0,279 m² (drei Quadratfuß) der Filtrieroberfläche 144 pro 25,4 cm (10 Zoll) Länge des Filterelements 100 gibt. Für eine optimale Filterleistung gibt es vorzugsweise weniger als 0,650 m² (sieben Quadratfuß) der Filtrieroberfläche 14,4 pro 25,4 cm (10 Zoll) Länge des Filterelements 100.
Das Flächenfilterelement muß in der Lage sein, unter den verschiedenen Prozeß- und Rückwaschbedingungen zu arbeiten, da die Vorrichtung, in der es enthalten ist, dazu bestimmt ist, für verschiedene Verfahren geeignet zu sein. Der Druck des Verfahrensstroms, der durch den Filter geht, kann zwischen 3,5kg/cm² und 42kg/cm² variieren (50 Pfund pro Quadratzoll (psi) bis 600 psi) . Die Temperatur kann zwischen 0ºC und 65ºC (32º bis 150ºF) variieren.
Das Flächenfilterelement muß auch fähig sein, verschiedene Rückwaschbedingungen auszuhalten. Wie vorhergehend erwähnt, wird das Filterelement rückgewaschen, um die Partikel zu entfernen, die sich auf dem Element ange.sammelt haben, wenn der Druckabfall des Verfahrensstroms durch den Filter auf etwa 5 bis etwa 20 psi zunimmt. Obwohl das Filterelement vorzugsweise unter Verwendung einer Kombination von Luft und Wasser rückgewaschen wird, kann das Filterelement unter alleinigeü Verwendung von Wasser rückgewaschen werden, wenn Luft nicht verfügbar ist.
Die Rückwaschbedingungen variieren abhängig vom Verfahren, bei dem die Vorrichtung verwendet wird. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, um Verunreinigungen aus Dampfkesselspeisewasser in einem Druckwasser-Kernkraftwerk oder alternativ in einem mit fossilem Brennstoff (Öl oder Kohle) befeuerten Dampfkraftwerk zu entfernen, beträgt die Durchflußgeschwindigkeit von Luft durch die Vorrichtung während des Rückwaschens etwa 304,7 l pro Minute bis etwa 461,4 l pro Minute pro m² (1 bis etwa 1,5 Normalkubikfuß pro Minute (scfm) pro Quadratfuß) der Filterelementoberfläche. Die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers durch die Vorrichtung während des Rückwaschens beträgt etwa 40,65 l bis etwa 61,00 l pro Minute pro m² (1 bis etwa 1,5 Gallonen pro Minute (gpm) pro Quadratfuß) der Filterelementoberfläche. Vorzugsweise wird die Vorrichtung mit Wasser und Luft gleichzeitig für eine Zeitspanne von etwa 2 bis etwa 12 Minuten rückgewaschen, um die aus Partikeln bestehenden Produkte aus den Filterelementen darin zu entfernen. Alle Rückwasch-Durchflußgeschwindigkeiten beziehen sich auf die Oberfläche des Zylinders, der durch das Äußere des Filtere lements definiert wird.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung v&rwendet wird, um Partikel aus dem Dampfkesselspeisewasser in einem Siedewasserkernkraftwerk zu entfernen, beträgt die Durchflußgeschwindigkeit von Luft während des Rückwaschens vorzugsweise etwa 461,4 l/min pro m² (1,5 scfm pro Quadratfuß) der Filterfläche. Die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers beträgt vorzugsweise etwa 20,32 l bis etwa 40,65 l pro Minute pro m² (0,5 bis etwa 1 gpm pro Quadratfuß) der Filteroberfläche. Dieser Rückwaschzyklus dauert vorzugsweise etwa 14 Minuten. Wieder wird der Filter gleichzeitig mit Luft und Wasser rückgewaschen.
Das Filterelement kann auch unter Verwendung eines Air Surge -Rückwaschzyklus rückgewaschen werden. Wasser fließt während des Luftstoß, Rückwaschzyklus kontinuierlich durch die Vorrichtung, und Stöße von Hochdruckluft werden periodisch bereitgestellt. Das Wasser fließt mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,69 per m² (0,25 pro Quadratfuß) der Filterelement- Oberfläche. Die Luft-Durchflußgeschwindigkeit während des Luftstoßes beträgt etwa 3656 l pro Minute pro m² (12 scfm pro Quadratfuß) der Filterelement-Oberfläche. Die Luft steht unter einem Druck von etwa 3,5 kg/cm² bis etwa 7 kg/cm² (50 psi bis etwa 100 psi). Der Luftstoß ist etwa achtmal während des 14- minütigen Rückwaschzyklüs vorgesehen, wobei jeder Stoß annähernd zwei Sekunden dauert.
Eine (nicht gezeigte) absorbierende Sperre, die aus wie oben beschriebenen aus Partikeln bestehendem Ionenaustauschmaterial besteht, ist auf der inneren Filtrieroberfläche 144 und auf der äußeren Filtrieroberfläche 134 in einer Menge von etwa 2,43 g bis etwa 365,32 g (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund) , bevorzugterweise etwa 24,3 g bis etwa 243,5 g (0,005 bis etwa 0,05 Pfund) des Ionenaustauschmaterials pro m² (Quadratfuß) der Filtrieroberfläche 134 verteilt. Alles Ionenaustauschmaterial, das auf irgendeinem Teil des Filters zurückgehalten wird, trägt zur Masse des Ionenaustauschmaterials zu Berechnungszwecken bei. Jedoch wird beim Berechnen der Menge nur die Fläche der stromaufwärtigen Oberfläche einer der Filtriermedium-Schichten (130 oder 140) berücksichtigt. Zum Beispiel wird nur die stromaufwärtige Oberfläche der äußeren Filtriermedium-Schicht 130 berücksichtigt, wenn sich auf der äußeren Filtriermedium-Schicht 130 mehr des Ionenaustauschmaterials ansammelt, als auf der inneren Filtriermedium-Schicht 140. Die absorbierende Sperre ist im wesentlichen dazu bestimmt, einen verhältnismäßig feinen Anteil der Korrosionsprodukte abzutrennen, bevor der feine Anteil in die Filtriermedium-Schicht 140 eindringen und sie dadurch verunreinigen kann.
Die folgenden Beispiele werden angeführt, um die Erfindung weiter zu beschreiben. Die Beispiele sind keineswegs dazu bestimmt, die Erfindung auf irgendeine Art einzuschränken.

Beispiel 1:

Ein Pilotanlagentest wurde durchgeführt, der die Leistung eines Flächenfilterelements handelsüblichen Ausmaßes unter Anlagenbetriebsbedingungen in einem Siedewasserreaktor- Kernkraftwerk anzeigte. Ein einfließender Kondensat-Wasserstrom für die Pilotanlagen-Testeinheit wurde aus dem Auslaß der Hauptkondensatpumpen des Kraftwerks entnommen. In diesem Beispiel wurde als ein Kontrollexperiment ein Filter, der geeignet zur Verwendung bei der vorliegende Erfindung ist, ohne Ionenaustauschmaterial-Behandlung eingesetzt.
Die Eisenpartikelpegel im einfließenden Strom lagen im Bereich von 20 bis 25 Massenteile pro Milliarde, was bedeutend mehr als typische Speisewassereisenpartikelpegel war, die etwa von 5 bis etwa 10 ppb reichen. Entsprechend war ein großer Teil der aus Partikeln bestehenden Substanz aus Eisenkorrosionsprodukten zusammengesetzt, die am wahrscheinlichsten vom Kohlenstoffstahlextraktionsdampf und von der Heizvorrichtungs-Entwässerungsrohrleitung stammten. Das Kraftwerk war mit einem Tiefbett-Perlharz- Kondensataufbereitungssystem ausgestattet, das etwa 70 Prozent der aus Partikeln bestehenden Stoffe entfernte, die in das Tiefbettsystem eintraten. Das Kraftwerk wies eine kürzlich eingeführte Wasserstoff-Wasserchemie und spritzte abgereichertes Zink ein.
Unter jetziger Bezugnahme auf Fig. 2, wurde der einfließende Strom durch ein Leitungsrohr 10, das mit einem Durchflußanzeiger 12 und einem Sperrventil 14 ausgestattet war, zu einem Filtergehäuse 20 transportiert. Während des ersten Zyklus wurde der einfließende Strom auf eine Durchflußgeschwindigkeit von etwa 34,11 l pro Minute eingeregelt (9,0 Gallonen pro Minute (gpm)). Das Filtergehäuse 20 enthielt ein gefaltetes, zur Verwendung beim vorliegenden Verfahren geeignetes Filterelement, wie das in Fig. 1 gezeigte Filterelement 100. Das verwendete Flächenfilterelement ist kommerziell von The Graver Company unter dem Handelsnamen Aegis AFA-Filter erhältlich. Jedoch war das Flächenfilterelement im Gehäuse 20 nicht durch Auftragen eines Ionenaustauschmaterials behandelt worden und stellte folglich ein vorbekanntes Abtrennverfahren dar.
Das Filterelement wurde in das Gehäuse 20 eingebaut, so daß der einfließende Strom aus dem Leitungsrohr 10 von außen in das Filterelement eintrat, radial durch das Filterelement hindurchtrat, und während des normalen Betriebs longitudinal aus einem Ende des Filterelements austrat. Ein Differenzdruckanzeiger 16 war vorgesehen, um den Differenzdruck quer zum Filterelement zu messen.
Ein gereinigter Kondensatstrom trat aus dem Gehäuse 20 über ein Leitungsrohr 30 heraus, das mit einer Entlüftungsverbindung 32, einem Abschaltventil 34 und einem Durchflußanzeiger 36 ausgestattet war. Das Leitungsrohr 30 endete in einer Verbindung 38, die sich in Fluidverbindung mit einem Ausflußleitungsrohr 40 und einer Probenleitung 50 befand. Das Ausflußleitungsrohr 40 führte den Großteil des gereinigten Kondensatstroms zu einem Perlharz-Kondensataufbereitungsabschnitt des Kraftwerks.
Die Probenleitung 50 war mit einem Abschaltventil 52, einem Probenentnahmefilter 54, einem Druckregelventil 56 und einem Durchflußanzeiger 58 ausgestattet. Ein Probenstrom, der aus dem gereinigten Kondensatstrom an der Verbindung 38 entnommen wurde, ging durch den Probenentnahmefilter 54 hindurch und trat dann zur Entsorgung hinüber.
Der Probenentnahmefilter 54 enthielt 0,45 Mikrometer starkes Filterpapier. Das Filterpapier wurde vor und nach der Probenentnahme gewogen, und die Konzentration der aus Partikeln bestehenden Korrosionsprodukte, die durch den Filter hindurchgetreten waren, wurde berechnet. Eine ähnliche Anordnung wurde stromaufwärtig des Filtergehäuses eingesetzt, um die Konzentration von aus Partikeln bestehenden Korrosionsprodukten in dem einfließenden Strom zu bestimmen. Durch Differenzbildung wurde der Abtrennwirkungsgrad berechnet.
Das Flächenfilterelement wurde in brandneuem Zustand eingebaut und der erste Testzyklus wurde durch Einleiten des einfließenden Stroms in das Filtergehäuse 20 begonnen. Die Temperatur des einfließenden Stroms lag annährend 100º über dem ersten Zyklus. Es wurde beobachtet, daß ein Differenzdruck, wie er von der Differenzdruckanzeige 16 angezeigt wurde, über einen Zeitraum bis auf etwa 0,84kg/cm² (12 psi) anstieg. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Rückwaschprozedur durchgeführt. Wie es beim Testen von rückwaschbaren Filtern üblich ist, wurden Daten vom ersten Zyklus des Filterelements nicht beachtet, da der erste Zyklus normalerweise nicht kennzeichnend für die Langzeitleistung ist.
Das Flächenfilterelement wurde durch Öffnen eines Ventils 64 und Durchleiten von etwa 461,4 l Luft pro Minute pro m² (1,5 Normalkubikfuß pro Quadratfuß) der Filteroberfläche durch ein Luft-Leitungsrohr 60 rückgewaschen. Das Luft-Leitungsrohr 60 ist mit einem Durchflußanzeiger 62 ausgestattet. Gleichzeitig wurden etwa 28,46 l (0,7 Gallonen) pro Minute Rückwaschwasser pro m² (Quadratfuß) Filteroberfläche in das Leitungsrohr 60 an der Verbindung 64 eingeleitet. Folglich lief eine Mischung aus Luft und Rückwaschwasser longitudinal längs der Mitte des Filterelements entlang und trat dann radial durch die Filtermedien nach außen, wodurch aus Partikeln bestehende Stoffe, die in oder auf den Filtermedien zur Ruhe gekommen waren, vertrieben wurden.
Die Rückwaschflüssigkeit wurde aus dem Filtergehäuse 20 durch ein Leitungsrohr 80 entfernt, das mit einem Ventil 82 und einer Verbindung 88 ausgestattet war. Die Verbindung 88 stand intermittierend mit dem Filtergehäuse 20 über eine Abflußleitung 84 und ein Ventil 86 in Verbindung.
Verbrauchte Luft vom Rückwaschen wurde aus dem Filtergehäuse 20 durch ein Abluft-Leitungsrohr 90 über eine Verbindung 98 entfernt. Das Leitungsrohr 90 stand intermittierend mit dem Filtergehäuse 20 durch drei Entlüftungsventile 92, 94 und 96 in Verbindung.
Um einen zweiten Zyklus zu beginnen, wurde dasselbe Filterelement wieder mit dem einfließenden Strom beaufschlagt, der radial nach innen durch das Filterelement bei etwa 33,73 l/min bis etwa 34,11 l/min hindurchtrat (8,9 bis etwa 9,0 gpm). Für den zweiten Zyklus wurde kein lonenaustauschmaterial auf den Filter aufgetragen, bezw. keine Behandlung vorgenommen. Intervallweise wurde die Differenzdruckanzeige 16 genutzt, um den Differenzdruck quer zum Filterelement zu bestimmen. Druckabfalidaten für den zweiten Zyklus sind als eine Funktion der Betriebstage unten in Fig. 3 durch Dreiecke dargestellt.
Als der Druck im zweiten Zyklus bis auf etwa 0,84kg/cm² (12 Pfund pro Quadratzoll) angestiegen war, wurde der zweite Zyklus durch Rückwaschen des Filters beendet. Die Rückwaschprozedur war dieselbe, wie sie am Ende des ersten Zyklus benutzt worden war. Der Entfernungswirkungsgrad für Eisen betrug gemittelt etwa 90 Prozent.

Beispiel 2:

Nach dem zweiten Rückwaschen wurde das oben beschriebene Fächenfilterelement für einen dritten Betriebszyklus durch Behandlung des Filterelementes vorbereitet. Bevor der dritte Zyklus begonnen wurde, wurde das Filterelement durch Hindurchleiten einer wäßrigen Aufschlämmung, die 45 Gramm eines fein verteilten Kationenaustauschharzes enthielt, in Normalflußrichtung durch das Filterelement behandelt. Das Katiqnenaustauschharz ist kommerziell von der Mitsubishi Kasei Corporation of Tokyo, Japan unter dem Handelsnamen Diaiontm PK212L erhältlich. Das Kationenaustauschmaterial wurde auf eine mediane Massendurchschnitts-Partikelgröße von etwa 60 Mikrometer, bei etwa 10 Gewichtsprozent von weniger als 20 Mikrometer vermahlen. Die Partikelgröße 4 und die Masse des verwendeten Kationenaustauschharzes entsprachen etwa 1 Monolage für die Filtrieroberfläche des Filters, der getestet wurde.
Anschließend wurde der einfließende Strom radial nach innen durch das Filterelement bei einem Fluß von etwa 33,73 1/min bis etwa 34,11 l/min geleitet (8,9 bis etwa 9,0 Gallonen pro Minute). Die Druckabfalldaten für den dritten Zyklus sind unten in Fig. 3 als Sternchen dargestellt.
Eine Untersuchung der Daten in Fig. 3 ergibt, daß der behandelte Filter unter direkt vergleichbaren Betriebsbedingungen aufweist einen bedeutend kleineren Druckabfall als der unbehandelte Filter aufweist. Der Druckabfall des unbehandelten Filters betrug anfänglich 0,056kg/cm² (0,8 Pfund pro Quadratzoll (psi)) und erhöhte sich in 30 Betriebstagen annähernd linear auf 0,833kg/cm² (11,9 psi). Im Gegensatz dazu kam der behandelte Filter beim Anfangsstrom auf 0,042k9/cmh2 (0,6 psi) Druckabfall und wies nur 0,805kg/cm² (11,5 psi) Druckabfall nach 65 Betriebstagen auf. Bezeichnenderweise wurde diese Verbesserung des Druckabfalls beim drittenn Betriebszyklus beobachtet, nachdem das Filterelement zwei Betriebs- und Rückwaschzyklen erfahren hatte. Die Daten in Fig. 3 zeigen, daß eine verhältnismäßig geringe Auftragung eines Ionenaustauschmate&sub1;rials einen unerwartet niedrigen Druckabfall und eine längere nutzbare Betriebstandzeit verglichen mit dem herkömmlichen Betrieb erzeugen. Zusätzlich wurde eine verbesserte Eisenentfernung festgestellt. Der Eisenentfernungswirkungsgrad lag in der Größenordnung von 99 Prozent.
Die Erfindung stellt, wenn sie wie beschrieben durchgeführt wird, einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie des Abtrennens von Metallkorrosionsprodukten aus Wasserströmen dar.

Claims

1. Verfahren zum Abtrennen geladener Partikel aus einem Flüssigkeitsstrom, das folgende Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines Flächenfilters, der ein Filtriermedium aufweist, das eine Filtrieroberfläche definiert, die Poren aufweist, die in Kontakt mit einem Flüssigkeitsstrom stehen;

Behandlung des Flächenfilters durch Auftragen auf die Filtrieroberfläche eines Ionenaustauschmaterials, das fähig zum Adsorbieren geladener Partikel ist;

Hindurchleiten des Flüssigkeitsstromes durch den Flächenfilter, um einen wesentlichen Anteil der geladenen Partikel aus dem Flüssigkeitsstrom abzutrennen, dadurch gekennzeichnet,

daß die Poren in der Filtrieroberfläche eine mediane Durchschnittsgröße von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometer aufweisen;

und daß das Ionenaustauschmaterial in einer Durchschnittsmenge von etwa 2,43 g bis etwa 365,32 g pro m² (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund pro Quadratzoll) auf die Filtrieroberfläche aufgetragen wird;

und dadurch daß ferner der Flüssigkeitsstrom eine Durchflußgeschwindigkeit von etwa 8,13 Liter pro Minute pro m² (0,2 Gallonen pro Minute pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche bei einem Differenzdruck quer zum Filter von weniger als etwa 1,4 kg/cm2 (20 Pfund pro Quadratzoll) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner das Zurückhalten von mehr als etwa 90 Gewichtsprozent der geladenen Partikel in dem Flüssigkeitsstrom auf dem Filter umfaßt, bis die Masse der zurückgehaltenen geladenen Partikel mindestens etwa gleich der Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial ein Kationenaustauschmaterial einschließt, aber im wesentlichen kein Anionenaustauschmaterial einschließt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kationenaustauschmaterial stark sauer ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kationenaustauschmaterial schwach sauer ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kationenaustauschmaterial in einer Ionenform vorliegt, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Wasserstofform, einer Morpholinform und einer Ammoniakform besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ionenaustauschmaterial ein Doppelmorphologie-Kationenmaterial einschließt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial ein Anionenaustauschmaterial einschließt, aber im wesentlichen kein Kationenaustauschmaterial einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anionenaustauschmaterial stark basisch ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anionenaustauschmaterial schwach basisch ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anionenaustauschmaterial in Hydroxidform vorliegt.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ionenaustauschmaterial ein Doppelmorphologie-Anionenaustauschmaterial einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial, in der Form von Partikeln vorliegt, die eine mediane Massen- Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 200 Mikrometer aufweisen.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Filtermedium gefaltet ist und durch eine innere Filtriermediumschicht gebildet wird, die zusammen mit einer äußeren Filtriermediumschicht kalandriert ist, wobei jede der kalandrierten Schichten Poren definiert, die eine Größe von mindestens etwa 0,1 Mikrometer aufweisen.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial in einer Menge von etwa 24,3 g bis etwa 243,5 g pro m² (0,005 bis etwa 0,05 Pfund pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche aufgetragen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Rückwaschen des Filters umfaßt, um das aufgetragene Ionenharzmaterial und die zurückgehaltenen Partikel im wesentlichen zu entfernen.

17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geladenen Partikel im wesentlichen aus Eisenoxiden zusammengesetzt sind.

18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Behandlung der Flächenfilter die Substanzzuführung eines wesentlichen Anteils des Ionenaustauschmaterials einschließt, während der Flüssigkeitsstrom durch den Flächenfilter hindurchtritt.

19. Verfahren nach Anspruch 1, zum Abtrennen von Eisenoxidkorrosionsprodukten aus einem Wasserstrom, indem die Korrosionsprodukte im wesentlichen auf dem Flächenfilter zurückgehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das lonenaustauschmaterial in der Form von Partikeln aufgetragen wird, die eine mediane Massen-Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 200 Mikrometer aufweisen, wobei die mediane Massen-Durchschnittsgröße als die Partikelgröße definiert wird, für die die Masse von größeren Partikeln und kleineren Partikeln, die in der Probe vorhanden sind, gleich ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Behandlung das Auftragen des Ionenaustauschmaterials in einer Durchschnittsmenge von etwa einem Fünftel bis etwa dem Zwanzigfachen der Menge umfaßt, die einer Monolage der Partikel entspricht.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Hindurchleiten des Flüssigkeitsstroms durchgeführt wird, während auf dem Flächenfilter mehr als etwa 90 Gewichtsprozent der Korrosionsprodukte im Wasserstrom zurückgehalten werden, bis die Masse der zurückgehaltenen Korrosionsprodukte auf dem Flächenfilter mindesten gleich der Masse des aufgetragenen Ionenaustauschmaterials ist.

22. Filter zum Trennen geladener Partikel, die einen verhältnismäßig breiten Bereich von Partikelgrößen aufweisen, aus einem Flüssigkeitsstrom, der folgendes umfaßt:

ein Flächenfilterelement, das ein Filtriermedium aufweist, das eine stromaufwärtige Filtrieroberfläche definiert, die geeignet ist, einen Flüssigkeitsstrom im wesentlichen zu filtern, der geladene Partikel mitführt, und die Poren definiert, und

eine Adsorbtivsperre, die aus einem aus Partikeln bestehenden lonenaustauschmaterial besteht, das fähig ist, die geladenen Partikel zu adsorbieren, die auf der Filtrieroberfläche verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

die Poren in der Filtrieroberfläche eine mediane Größe von etwa 0,1 bis etwa 25 Mikrometer aufweisen und daß das lonenaustauschmaterial auf der Filtrieroberfläche in einer Durchschnittsmenge von etwa 2,43 g bis etwa 365,32 g pro m² (0,0005 bis etwa 0,075 Pfund pro Quadratfuß) der Filtrieroberfläche verteilt ist.

23. Filter nach Anspruch 22, wobei das lonenaustauschmaterial in der Form von Partikeln vorliegt, die eine mediane Massen- Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 10 bis etwa 200 Mikrometer aufweisen.

24. Filter nach Anspruch 22, wobei das &sub1;lonenaustauschmaterial ein Doppelmorphologie-Ionenaustauschmaterial einschließt.

25. Filter nach Anspruch 22, wobei die Filtriermediumschicht gefaltet ist und durch eine innere Filtriermediumschicht ausgebildet wird, die zusammen mit einer äußeren Filtriermediumschicht kalandriert ist, wobei jede der kalandrierten Schichten Poren definiert, die eine mediane Größe von mindestens etwa 0,1 Mikrometer aufweisen.

26. Filter nach Anspruch 25,, wobei die innere Filtriermediumschicht Poren definiert, die eine mediane Größe von etwa 0,1 bis etwa 20 Mikrometer aufweisen, und die äußere Filtriermediumschicht Poren definiert, die eine mediane Größe von etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer aufweisen.