DE69724151T2

DE69724151T2 - Spiralförmig gewickelte extraktionskartusche

Info

Publication number: DE69724151T2
Application number: DE69724151T
Authority: DE
Inventors: E. Eric WISTED; H. Susan LUNDQUIST
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2017-05-24
Also published as: WO1998035738A1; JP4389020B2; AU3141097A; DE69724151D1; CA2278762A1; CA2278762C; EP0959974B1; JP2001511697A; US5897779A; EP0959974A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein spiralförmig gewickeltes Filterelement für eine Kartusche zum Entfernen eines Analyten aus einem Fluid und ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
Die Verwendung von Filtern für die Entfernung von Schwebepartikeln aus Fluiden ist allgemein bekannt und wurde ausführlich in der Literatur beschrieben. Im allgemeinen verwenden diese Vorrichtungen einen Größenausschluß, um die Verschmutzungsstoffe zu entfernen. Insbesondere weist ein gegebenes Filter, welches Partikel, Bahnen oder Papiere aufweisen kann, Poren innerhalb eines spezifischen Größenbereichs auf. Partikel größer als die Poren werden von dem Filter aufgefangen und aus dem Fluid entfernt. Partikel kleiner als die Poren können durch das Filter hindurchtreten.
Anders als Filtration beruht eine Sorption auf einer chemischen oder physikalischen Wechselwirkung der sorbierenden Spezies und der zu absorbierenden Spezies (d. h., den Verschmutzungsstoffen), um die letzteren aus einem Fluid zu entfernen. (Demzufolge kann Sorption zur Entfernen sowohl gelöster als auch suspendierter Spezies verwendet werden). Sorption wird am häufigsten in Säulen ausgeführt, welche mit porösem Granulat gepackt sind. Vom außen nach innen dieser Granulate führend liegen Poren vor, welche enthalten, was als aktive Stellen bezeichnet werden kann, d. h., reaktive Gruppen, welche mit dem Granulat verbunden sind oder auf dessen Oberfläche vorhanden sind. Optimalerweise sollte der Abstand von des Außenseite des Granulates bis zu der aktiven Stelle, welcher der Verschmutzungsstoff zurücklegen muß, so klein wie möglich sein. Eine Möglichkeit dieses zu erreichen besteht in der Minimierung der Granulatgröße. Jedoch ist die minimale Größe derartiger Granulate durch die nachstehenden Faktoren begrenzt: die Größe der Öffnungen in dem Sieb, welcher zur Unterstützung des Granulats in der Säule verwendet wird, und den Druckabfall, welcher von Fluiden entwickelt wird, welche durch die Säule hindurchtreten. Daher weist Säulen-Packgranulat eine minimale Größe auf, unterhalb welcher eine Säulensorption unzweckmäßig wird.
Eine bekannte Vorrichtung ist ein Kreppapier-Filterelement in einer aufgewickelten Konfiguration, die in dem U.S. Patent Nr. 3,759,391 beschrieben wurde. Das Kreppapier ist in eine V-förmige Konfiguration gefaltet, und zwei klebend befestigte Abstandstreifen werden beschrieben.
Ferner offenbart die EP-A-0 130 418 eine Chromatographiesäule zur Durchführung einer chromatographischen Trennung von wenigstens zwei Komponenten einer Probe, die durch die Säule strömt. Die Säule weist ein Gehäuse und mindestens eine feste stationäre Phase in dem Gehäuse auf. Die stationäre Phase hat eine chromatographische Funktionalität und ist zur chromatographischen Trennung wirksam. Ferner ist eine Einrichtung zur radialen Verteilung der Probe durch die stationäre Phase und zum Sammeln der Probe, nachdem die Probe durch die stationäre Phase geflossen ist, vorhanden. Die stationäre Phase weist eine quellbare faserige Matrix in Bahn- bzw. Schichtform auf, die chromatographische Funktionalität besitzt und zur chromatographischen Trennung wirksam ist. Die Matrixbahn ist spiralförmig um die Längsachse der festen Phase gewickelt, um eine Mehrzahl von Schichten um die Achse zu bilden.
Außerdem weist die stationäre Phase eine Distanzeinrichtung zwischen jeder Schicht auf, um ein kontrolliertes Quellen der Matrix zu erlauben und die Verteilung der Probe, die radial durch die stationäre Phase fließt, zu verstärken.
Die EP-A-0 130 418 liegt dem einleitenden Teil von Anspruch 1 zugrunde.
Die Erfindung wird in den Ansprüchen beschrieben.
Der Schichtverbund in seiner spiralförmigen (gewickelten) Konfiguration stellt ein sorptives oder reaktives Element bereit, welches eine oder mehrere partikelbeladene Membranen, wovon eine oder mehrere mit einer oder mehreren verstärkenden Abstandsbahnen verschachtelt sind, aufweist. Die verstärkende Abstandsbahn ist in der partikelbeladenen Membrane eingebettet. Bevorzugt ist sie ein Sieb oder ein Netz. Die Verwendung einer derartigen verstärkenden Abstandsbahn trägt in überraschender Weise zu einem niedrigeren Rückdruck, geringeren Druckabfall und zu einem erhöhten Extraktionswirkungsgrad des Extraktionsprozesses bei.
In dieser Anmeldung:
bedeutet "Analyt" eine chemische Substanz (z. B. einen Komplex, ein Molekül, ein Ion), die in einem Fluid gelöst ist;
bedeutet "binden" oder "gebunden" sorbieren (oder sorbiert) oder chemisch reagieren (oder reagiert) mit einem Analyten;
bedeutet "sorbieren" oder "Sorption" oder "sorptiv" eine Adsorption oder Absorption;
bedeutet "Sieb" ein poröses Verstärkungsmaterial mit einem regelmäßigem geometrischen Muster von Fäden, welche polymerisch, glasartig oder metallisch sein können usw.;
bedeutet „Gaze" bzw. „Netz" ein poröses Vlies, dessen Fasern nicht in einem regelmäßigen geometrischen Muster angeordnet sind, und welche polymerisch, glasartig oder metallisch sein können;
bedeutet "Bettvolumen" das Gesamtvolumen der Membrane in einer Kartusche;
bedeutet "Kapazität bei 50% Durchbruch" die Gesamtmenge des von der partikelbeladenen Membrane zu dem Zeitpunkt sorbierten Analyten, wenn der Effluent 50% der anfänglichen Analyteingabe enthält;
werden "Partikel" und "partikelförmig" vertauschbar in dieser Beschreibung verwendet;
bedeuten "Membrane" oder "Bahn" ein poröses Material, welches ein Faservlies oder ein gewebtes Bahnenmaterial sein kann, einschließlich einer naßgelegten Bahn, hergestellt durch einen Papierherstellungsprozeß aus einer faserhaltigen Pulpe, oder kann eine feste (z. B. Polymer- oder Zellulose-) Bahn mit Poren darin sein; und
bedeutet "Kohlenwasserstoff" (wenn es in Verbindung mit Bindern verwendet wird) ein organisches Material, das viele Heteroatome (z. B. O, S, N, F, usw.) enthalten kann, welches aber mindestens 50% seines Gewichts aus Wasserstoff und Kohlenstoff ableitet.
Der Bahnenverbund wird als ein Schichtaufbau mit einer verstärkenden Abstandsbahn über der partikelbeladenen porösen Membrane hergestellt. Der Lagenaufbau wird dann spiralförmig um einen Kartuschenkern und um sich selbst gewickelt, und das Ende optional gegen sich selbst abgedichtet.
Die Verwendung einer verstärkenden Abstandsbahn gemäß der vorliegenden Erfindung in dem spiralförmig gewickelten Schichtbahnenverbund bietet den Vorteil eines niedrigeren Rückdruckes im Vergleich zu spiralförmig gewickelten Kartusche ohne verstärkende Abstandsbahn und zeigt gleichzeitig eine höhere Extraktionseffizienz.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht, welche eine Ausführungsform einer spiralförmig gewickelten Kartuschenvorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt, welche eine verstärkende Abstandsbahn aufweist.
2 ist eine Querschnittansicht der Kartuschenvorrichtung von 1 entlang einer Linie 2-2.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines spiralförmig gewickelten Elementes der vorliegenden Erfindung, welches zwei Schichtbahnenverbundstoffe darstellt, welche verstärkende Abstandsbahnen aufweisen.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines spiralförmig gewickelten Elementes der vorliegenden Erfindung, welches zwei Bahnenverbundstoffe darstellt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 stellt eine Querschnittansicht einer Kartuschenvorrichtung 10 dar, welche einen schichtartigen Bahnenverbund 14 aufweist, welcher spiralförmig aufgewickelt ist. Die Kartuschenvorrichtung 10 weist einen Hohlkern 16 mit Öffnungen 15 darin, eine obere Endkappe 18 mit einen Ausgangsanschluß 13 darin und eine untere Endkappe 19 auf. Die obere Endkappe 18 weist O-Ringe 17 auf, welche die Kartuschenvorrichtung 10 in einem (nicht dargestellten) Kartuschengehäuse abdichten. Das Kartuschengehäuse kann aus einem polymerischen oder einem metallischen Material bestehen. Der Kern 16 und die Endkappen 18 und 19, welche polymerisch oder metallisch sein können, sind bevorzugt aus einem Metall, wie z. B. einem rostfreien Stahl oder einem Polymer, wie z. B. Polypropylen oder Nylon aufgebaut. Wenn der Hohlkern 16 und die Endkappen 18, 19 aus Metall aufgebaut sind, können sie aneinander mit einem Kleber befestigt werden, wie z. B. einem Epoxidkleber. Wenn alles polymerisch ist, können sie mittels Klebung oder durch Schmelzverbindung verbunden werden. Abhängig von dem zum Abdichten des Kerns 16 an den Endkappen 18 und 19 verwendeten Verfahren kann das Vorhandensein von kleinen (nicht dargestellten) Aussparungen oder Vertiefungen in den Endkappen 18 und 19 (zum Aufnehmen des Kerns 16) erwünscht sein. O-Ringe 17 werden an der oberen Endkappe 18 angebracht, bevor die Kartuschenvorrichtung 10 in ein (nicht dargestelltes) Gehäuse eingesetzt und einem Fluidstrom ausgesetzt wird. Die Endkappen 18 und 19 sind (bevorzugt durch Siegeln oder Verkleben) mit seitlichen Enden 11 des spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbundes 14 und mit dem Hohlkern 16 so verbunden, so daß kein Fluid den beschichteten schichtartigen Bahnenverbund 14 während eines Extraktionsprozesses umgeht. In dieser Ausführungsform verläßt das Fluid den Hohlkern 16 durch den Ausgangsanschluß 13 in der oberen Endkappe 18. In anderen (nicht dargestellten) Ausführungsformen kann das Fluid den Hohlkern 16 sowohl durch die obere Endkappe 18 als auch die unteren Endkappe 19 verlassen, wo eine andere Einrichtung zum Befestigen der Kartuschenvorrichtung an dem Gehäuse geeignet sein kann.
Ein typisches Kartuschengehäuse, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist im Handel von Memtec America Corp. (Timonium, MD) unter der Bezeichnung Modell LMO-VS-10503/4 erhältlich.
Der schichtartige Bahnenverbund 14 hat eine partikelbeladene poröse Membrane 21 mit darin eingeschlossenen (nicht dargestellten) aktiven Partikeln und eine verstärkende Ab standsbahn 22. Bevorzugte Ausführungsformen der verstärkenden Abstandsbahn 22 umfassen Siebe; welche metallisch oder polymerisch sein können, und Gazen d. h., nicht gewebte faserige Bahnen, bevorzugt hergestellt aus Materialien, wie z. B. Nylon, Polypropylen und Zellulose. Die verstärkende Abstandsbahn 22 ist in der partikelbeladenen porösen Membrane 21 eingebettet. Die partikelbeladene poröse Membrane 21 weist bevorzugt einen Dicke in dem Bereich von 0,1 bis 15 mm, bevorzugter einen Bereich von 0,1 bis 10 mm und am meisten bevorzugt einen Bereich von 0,1 bis 5,0 mm auf. Beide Ränder der verstärkenden Abstandsbahn 22 und der (spiralförmig um den Kern 16) gewickelten partikelbeladenen porösen Membrane 21 können optional, bevorzugt durch Klebung an den Innen- und Außenoberflächen des schichtartigen Bahnenverbundes 14 abgedichtet werden. Das Verfahren zur Herstellung von partikelbeladenen porösen Membrane 21 ist beispielsweise in den U.S. Patenten Nr. 3,971,373, 5,071,610, 5,328,758, 5,026,456 und 5,082,720 beschrieben. Weitere Verfahren zur Herstellung von partikelbeladenen Membranen werden nachstehend diskutiert. In dieser Ausführungsform kann die verstärkende Abstandsbahn 22 eine Gaze sein, welche aus einer Vliespolypropylenbahn, erhältlich beispielsweise von AMOCO Fabrics & Fibers Co. (Atlanta, GA) erhältlich ist. Jede poröse Gaze oder jeder Sieb, der gegenüber dem den Analyten enthaltenden Fluid stabil ist, kann jedoch als eine Verstärkungseinrichtung verwendet werden.
In anderen Ausführungsformen kann die verstärkende Abstandsbahn 22 Nitex^TM 37 Nylon (TETKO, Inc., Rolling Meadows, IL), Naltex^TM LWS Filtrationsnetzmaterial (Nalle Plastics, Inc. Austin. TX), Monodier^TM Nylon 475 und 850 Siebe (Industrial Fabrics Corp., Minneapolis, MN), Celestra^TM und PBN II^TM Vliesbahnen (Fiberweb, Inc., Pensacola, FL), Brookings^TM Vliesbahnen (Minnesota Mining and Manufacturing Co., St. Paul, MN), Typar^TM und 4dpf^TM Straight Vliesbahnen (Reemay, Inc., Old Hickory, TN), Coverstock^TM Vliesbahnen (Bonar Fabrics, Greenville, SC) und RFX^TM-Vliesbahnen (AMOCO Fibers and Fabrics, Inc., Atlanta TA) sein.
Die in dem Verbundartikel der vorliegenden Erfindung verwendete verstärkende Abstandsbahn ist zumindest etwas porös, bevorzugt sehr porös (d. h., mindestens 50% Hohlräume), so daß sie die Porösität der Membrane nicht stark beeinträchtigt. Diese verstärkende Abstandsbahn ist in der porösen Membrane eingebettet. In derartigen Ausführungsformen scheint die poröse Membrane tatsächlich an der verstärkenden Einrichtung anzuhaften oder sich daran zu verankern.
Der spiralförmig gewickelte schichtartige Bahnenverbund 14 ist optional innerhalb einer porösen Schutzumhüllung 12 eingeschlossen, welche metallisch oder polymerisch sein kann und von einer Vielzahl von Quellen erhältlich ist. Die Schutzumhüllung 12 kann von der Form rohrförmig sein und umgibt das Äußere des spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbunds 14. Die Umhüllung 12 trägt dazu bei, den schichtartigen Bahnenverbund 14 während der Handhabung und der Benutzung zu schützen. Jedes poröse, bevorzugt gitterartige Material kann verwendet werden, vorausgesetzt, daß der vorstehend erwähnte Schutz bereitgestellt wird und daß es gegenüber dem den Analyten enthaltenden Fluid stabil ist. Bevorzugte Materialien umfassen polymerische Netze, insbesondere solche, die aus Polypropylen bestehen, welche beispielsweise von Nalle Plastics, Inc. (Austin, TX) und Conwed Plastics (Minneapolis, NM) erhältlich sind.
In der vorliegenden Erfindung verwendbares aktives Partikelmaterial umfaßt jedes Partikelmaterial, das in irgend einer faserigen Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Membrane, einer Gewebe- oder Vliesmembrane, wie z. B. in einer schmelzgebla senen Matte, einer naßgelegten (Pulpe-) Membrane oder einer lösungsgegossenen porösen Membrane, immobilisiert werden kann und das die interessierenden Analyte binden kann.
Zu repräsentativen Beispielen von aktiven Partikeln, welche in die Festphasen-Extraktionsschicht der vorliegenden Erfindung eingebaut werden können zählen diejenigen, welche durch Ionenaustausch, Chelation, kovalente Bindungsformung, Größenausschluß oder Sorptionsmechanismus Moleküle und/oder Ionen aus Fluiden binden oder entfernen können, in welchen sie gelöst oder eingeschlossen sind. Partikel, welche chemischen Reaktionen durchmachen, einschließlich Oxidation und/oder Reduktion sind eine besonders wertvolle Klasse. Repräsentative Beispiele umfassen Siliziumtitanate, wie z. B. Ionsiv^TM, kristallines Siliziumtitanat (UOP, Mount Laurel, NJ), Natriumtitanat (Allied Signal Corp., Chicago, IL), anionische Sorptionsmittel, wie z. B. abgeleitete Styroldivinylbenzole (Anex^TM organischer anionisches Sorptionsmittel, Sarasep Corp., Santa Clara, CA), kationische Sorptionsmittel, wie z. B. sulfonierte Styroldivinyylbenzole (Diphonix^TM organischer kationisches Sorptionsmittel, Eichrom Industries, Chicago, IL), anorganische Oxide, wie z. B. Siliziumoxid, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid und Abkömmlinge davon. Zu nützlichen Abkömmlingen zählen polymerische Beschichtungen und organische Einheiten (wie z. B. C₁₈- oder C₈-Alkylketten, Chelat-bildende Liganden und makrozyklische Liganden), welche kovalent an ein anorganisches Oxidpartikel, wie z. B. Siliziumoxid gebunden sind. Für eine Übersicht über derartige Partikel und abgeleitete Partikel, siehe z. B. US-Patente Nr. 5,393,892, 5,334,326, 5,316,679, 5,273,660, 5,244,856, 5,190,661, 5,182,251, 5,179,213, 5,175,110, 5,173,470, 5,120,443, 4,084,430, 5,078,978, 5,078,891, 5,039,419, 4,996,277, 4,975,379, 4,960,882, 4,959,153, 4,952,321 und 4,943,375.
Zu weiteren nützlichen aktiven Partikeln zählen polymerische, organische Harze, wie z. B. Styroldivinylbenzol und Derivate davon. Die Partikel können Ionenaustausch-, Chelat- oder Chiraltrennungs-Eigenschaften haben. Hydrophobe Zeolithe, wie z. B. solche, welche unter der Handelsbezeichnung Silicalite^TM (UOP) vertrieben werden, sind insbesondere in einer Aramidfaserschicht zum Isolieren flüchtiger organischer Verbindungen nützlich, da beide Komponenten bei hohen Temperaturen stabil sind. Kohlenstoff (entweder in aktivierter oder in nicht aktivierter Form) kann als ein sorptives Partikelmaterial im bestimmten Anwendungen nützlich sein. Hydrophobe Molekularsiebe können zur Sorption von organischem Materialien, wie z. B. Schadstoffen nützlich sein. Mit elementarem Gold beschichtetes Aluminiumoxid ist ein nützliches reaktives Partikelmaterial im bestimmten Oxidations/Reduktions-Reaktionen und für die Isolierung von elementarem Quecksilber durch Amalgambildung nützlich. Chitin kann ebenfalls ein nützliches Partikelmaterial sein.
Inaktive Verdünnungspartikel, welche in die SPE-Schicht eingebaut werden können, umfassen Eisenoxid, inaktives Titandioxid und dergleichen. Derartige Partikel können eine positive Auswirkung auf die Schichtfestigkeit und Handhabbarkeit haben.
Das Partikelmaterial kann von regelmäßiger (flacher, sphärischer, kubischer, stab- oder faserartigen usw.) oder unregelmäßiger Form sein. Durchschnittliche Durchmesser (größter Durchmesser) nützlicher Partikel liegen in dem Bereich von 0,1 bis 150 μm, bevorzugter innerhalb des Bereiches von 1 bis 100 μm und am meisten bevorzugt innerhalb des Bereiches von 5 bis 30 μm. Der effektive durchschnittliche Durchmesser der Partikel ist bevorzugt mindestens 125 mal kleiner als die nicht kalandrierte Dicke der Schicht, bevorzugter mindestens 175 mal kleiner als die nicht kalandrierte Dicke der Schicht und am meisten bevorzugt mindestens 200 mal kleiner als die nicht kalandrierte Dicke der Schicht. Ein derartiges Partikelmaterial kann direkt in die Membran 121 eingebaut sein. Die Membrane hält das eingebrachte Material durch Einschluß oder Adhäsion innerhalb der Matrix fest, und das eingebrachte Material widersteht Abstreifen.
Da die Kapazität und Effizienz der SPE-Bahn von der Menge der darin eingeschlossenen aktiven Partikel abhängt, ist eine hohe Partikelbeladung erwünscht. Die relative Menge von Partikeln in einer gegebenen SPE-Bahn der vorliegenden Erfindung liegt bevorzugt bei mindestens etwa 50% (Gewichtsanteile), bevorzugter bei mindestens etwa 70% (Gewichtsanteile) und am meisten bevorzugt bei mindestens etwa 80% (Gewichtsanteile) bis zu 97,5% (Gewichtsanteile). Bevorzugt sind ein Großteil dieser Partikel aktive Partikel.
Das Partikelmaterial ist im allgemeinen gleichmäßig in der Membrane 21 verteilt und Membranen, welche Kombinationen von Partikelmaterial enthalten, können erzeugt werden. Alternativ können Schichten, welche unterschiedliches Partikelmaterial enthalten, in nur eine einzige Membrane mit unterschiedlichen Einzelschichten des Partikelmaterials kalandriert werden. Derartige mehrschichtige Verbundstoffe zeigen eine minimale Grenzbereichsvermischung (zwischen den verschiedenen Partikelmaterialien) und weisen eine gute Gleichmäßigkeit innerhalb jeder Schicht auf. Unabhängig davon, ob in heterogener oder in homogener Form, kann dieser Membranentyp einen oder mehrere Analyte zur Entfernung aus einem Fluid bilden.
Unabhängig von dem Typ oder der Menge der in der Festphasenextraktionsbahn der vorliegenden Erfindung verwendeten Partikel sind diese bevorzugt mechanisch in die polymerischen Fasern der porösen polymerischen Pulpe eingeschlossen oder damit verhakt. Mit anderen Worten, die Partikel sind bevorzugt nicht kovalent mit den Fasern verbunden.
Die Membrane 21 kann aktives Partikelmaterial in einer Menge von wenigsten 10% (Gewichtsanteile) aufweisen, weist bevorzugt aktives Partikelmaterial mit einer Menge von wenigstens 50% (Gewichtsanteile) und am meisten bevorzugt aktives Partikelmaterial mit einer Menge von wenigstens 80% (Gewichtsanteile) auf. Die Membrane 21 kann Partikelmaterial in einer Menge von bis zu 97,5 (Gewichtsanteile) aufweisen, obwohl Partikelmaterialanteile in dem Bereich von 85 bis 90% (Gewichtsanteile) zur Erzeugung stabilerer Membrane neigen. Eine hohe Beladung mit aktiven Partikelmaterial ist erwünscht, um die sorptive Kapazität der Membrane 21 zu steigern. Wenn die Kartuschenvorrichtung 10 zur Entfernung eines Metalls aus einer Lösung verwendet werden soll, bindet das Teilchenmaterial bevorzugt dieses Metall oder ein Komplex oder ein Salz davon. In bevorzugten Ausführungsformen, in welchen verschiedene Metallionen (sowohl Anionen, als auch Kationen), wie z. B. Perrhenate, Pertechnetate, Perchromate, Cäsium, Strontium oder Blei aus einem Fluid entfernt werden sollen, können abgeleitete Styroldivinylbenzolpartikel (Anex^TM -Harz, Sarasep Corp., Santa Clara, CA) verwendet werden, um die anionische Spezies aus dem Wasser zu entfernen, und kristalline Siliziumtitanatpartikel (UOP, Mount Laurel, NJ) können für die Entfernung von Kationenspezies verwendet werden. Organische Verbindungen, wie z. B. polychloriertes Biphenyle ("PCB's") und Dioxine können aus kontaminierten Wasser durch Verwendung von Aktivkohle entfernt werden.
Der schichtartige Bahnenverbund 14 kann an der oberen Endkappe 18 und der unteren Endkappe 19 durch eine beliebige Anzahl von Techniken befestigt werden, so lange eine fluid undurchlässige Verbindung erzielt wird. Geeignete Techniken umfassen eine Klebebefestigung, eine Warmschweißung, Reibungsschweißen, mechanische oder thermomechanische Befestigung und Ultraschallschweißen. Diese fluiddichte Versiegelung stellt sicher, daß durch die Kartuschenvorrichtung 10 strömendes Fluid durch den schichtartigen Bahnenverbund 14 hindurchtreten muß, insbesondere durch die partikelbeladene poröse Membrane 21. Wenn das Fluid durch die poröse Membrane 21 hindurchtritt, bindet das darin eingeschlossene Partikelmaterial bevorzugt den zu entfernenden Analyten. Typischerweise tritt das Fluid in die Kartuschenvorrichtung 10 durch den schichtartigen Bahnenverbund 14 im wesentlichen senkrecht zu der Außenoberfläche des spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbundes ein und tritt durch die Innenoberfläche des schichtartigen Bahnenverbundes 14 und Öffnungen 15 in den zentralen Kern 16 und durch den Auslaßanschluß 13 in der oberen Endkappe 18 aus, obwohl auch eine entgegengesetzte Strömungsanordnung möglich ist.
2 stellt einen Querschnitt der Kartuschenvorrichtung 10 von 1 entlang der Linie 2-2 dar. Der durch Klebung an den Endkappen 18 und 19 befestigte Zentralkern 16 ist von dem spiralförmig gewickelten Bahnenverbund 14, welcher die partikelbeladene poröse Membrane 21 und die verstärkende Abstandsbahn 22 aufweist, umgeben. Der Außenrand des spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbundes 14 kann mit sich selbst an einer nicht dargestellten Versiegelung verbunden sein. Das Fluid tritt in die Kartuschenvorrichtung 10 durch den spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbund 14 ein, welcher die poröse Membrane 21 aufweist, welche das aktive Partikelmaterial darin eingeschlossen hat. Das durch die verstärkende Abstandsbahn 22 hindurchtretende Fluid führt dieses in einer sektional sich nicht unterscheidenden Weise aus. Mit anderen Worten, das Fluid tritt im wesentlichen gleichmäßig durch jeden Abschnitt der verstärkenden Abstandsbahn 22 hindurch. Der spiralförmig gewickelte Bahnenverbund 14 wird optional durch eine Schutzgitterumhüllung 12 geschützt.
Falls gewünscht, können zusätzliche Schichten partikelbeladener poröser Membranen und verstärkenden Abstandsbahnen verwendet werden, indem diese gestapelt und dann spiralförmig aufgewickelt wird (wobei jede zusätzliche poröse Membrane optional von jeder vorhergehenden partikelbeladenen porösen Membrane durch mindestens eine verstärkende Abstandsbahn getrennt ist) oder unterschiedliche partikelbeladene poröse Membrane der Reihe nach aneinandergefügt werden und dann spiralförmig zu einer Spule gewickelt werden. Diese zusätzlichen Schichten von partikelbeladenen porösen Membranen können aktives Partikelmaterial aufweisen, das für eine andere Art von Spezies als der in der ersten schichtartigen Bahnenverbund verwendeten selektiv ist. Auf diese Weise oder in Ausführungsformen, in welchen mehr als eine Art von Partikelmaterial in einer Membrane eingebracht ist, können mehrere unterschiedliche Spezies durch nur eine Kartuschenabsorbervorrichtung entfernt werden. Ein spiralförmig gewickelter partikelbeladener schichtartiger Bahnenverbund mit einer verstärkenden Abstandsbahn kann wie folgt erzeugt werden.
Ein Segment einer aktiven Membrane wird zugeschnitten (die Länge des Segments ist von dem Analyten abhängig). Ein Abschnitt der verstärkenden Abstandsbahn wird anschließend auf eine Länge zugeschnitten, welche mindestens um die Länge des Außenumfangs des Kerns länger als das Segment der aktiven Membrane ist. Die verstärkende Abstandsbahn wird ausgelegt und die aktive Membrane auf die Oberseite der verstärkenden Abstandsbahn so gelegt, daß das zusätzliche verstärkende Abstandsbahnenmaterial über beide Ränder der aktiven Membrane übersteht. Der Mittenkern wird auf den Anfangsrand der verstärkenden Abstandsbahn gelegt. Eine einzelne Umwicklung der verstärkenden Abstandsbahn wird auf dem Mittenkern aufgebracht und der vordere Rand der aktiven Membrane an dem Kern befestigt. Die aktiven Membrane wird auf den Mittenkern gewickelt, die überstehende verstärkende Abstandsbahn so zurückgeschnitten, daß etwa ein Zentimeter der verstärkenden Abstandsbahn über den hinteren Rand der aktiven Membrane hinausragt. Der externe Saum wird beispielsweise mit einem Epoxidharzkleber versiegelt. Das Epoxid kann dann härten. Die zwei Endkappen werden in ihrer Lage an beiden Rändern des schichtartigen Bahnenverbundes und den Enden des Hohlkerns gesichert, und das Epoxid oder ein anderer Kleber kann über Nacht aushärten, bevor die Kartusche verwendet wird.
3 stellt einen spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbund 30 der vorliegenden Erfindung dar, der aus mehreren schichtartigen Bahnenverbunden 34 hergestellt ist, wobei jeder schichtartige Bahnenverbund 34 eine partikelbeladene poröse Membran 31 verschachtelt mit einer verstärkenden Abstandsbahn 32 aufweist, wobei die mehreren schichtartigen Bahnenverbunde 34 um einen Hohlkern 36 gewickelt sind.
4 stellt ein spiralförmig gewickeltes Element der Erfindung 40 dar. Bahnenverbundstoffe 41 sind zusammen um einen Hohlkern 46 gewickelt. Es kann nur eine Verbundlage 41 verwendet werden, wenn nur ein Typ von Partikelmaterial gewünscht ist.
Wie gerade diskutiert, können die Partikel in den in der Erfindung nützlichen partikelbeladenen porösen Membranen unterschiedlich sein, um so unterschiedliche Analyte aus einem Fluid zu entfernen. Die Anzahl der Spiralwicklungen und die Enge der Wicklungen des Bahnenverbundes hängen von der Menge und dem Typ aktiver Partikel und der Art des kontaminierten Fluids ab. Typischerweise werden zwei bis 20 Wicklungen verwendet, wobei alle Lagen in Kontakt miteinander stehen und bevorzugt einander an mehreren Stellen berühren. Die spiralförmig gewickelten Bahnenverbundstoffe der Erfindung können jeden gewünschten Durchmesser abhängig von der Anwendung aufweisen. Ein besonders nützlicher Durchmesser für einen spiralförmig gewickelten schichtartigen Bahnenverbund der Erfindung liegt in dem Bereich von 60 bis 80 mm. Eine Prägung des Bahnenverbundes kann vor der Wicklung erzielt werden, oder kann aufgrund der optionalen Gaze- oder Gitterpressung gegen die partikelbeladene poröse Membrane abhängig von der Festigkeit der Wicklung erreicht werden. Eine Prägung ist nicht erforderlich.
In der Praxis hängt die Durchflußrate des den zu bindenden Analyten enthaltenden Fluids von der Art des Bindepartikels, der Binderate des Analyten sowie den Druckaufbau in der Vorrichtung als ein Folge des Durchflusses ab. Analyten, welche sich rasch binden, ermöglichen höhere Fluiddurchflußraten. Das Verhalten der Kartusche kann ermittelt werden, indem die Konzentration der zu bindenden Spezies an dem Einlaß zu und an dem Auslaß aus dem Kartuschenabsorber überwacht werden.
Das in einer spezifischen Bahn zu verwendende Partikelmaterial hängt von der zu bindenden Spezies ab. Beispielsweise ist, wenn die zu absorbierende Spezies eine organische Verschmutzung ist, ein bevorzugtes Partikelmaterial Aktivkohle. Wenn das Kohlenpartikelmaterial so viel Verschmutzungsstoff wie möglich gebunden hat, wird der Kartuschenabsorber vorteilhaft leicht ausgewechselt.
Wenn die gebundene Spezies von einem gewissen Wert ist, kann sie aus dem bindenden Partikelmaterial durch Eluieren dieser mit einer Abziehlösung herausgelöst werden. In diesem Prozeß wird die partikelbeladenen poröse Membrane mit einer Flüssigkeit gewaschen, welche das Partikelmaterial regeneriert. Diese Art eines Binde/Abzieh-Regenerationsprozesses kann für eine Anzahl von Zyklen fortgesetzt werden. Mit anderen Worten, wenn eine Kartusche mit der gebundenen Spezies voll beladen ist, kann sie durch eine andere ersetzt werden, während die gebundene Spezies auf der ersten Kartusche eluiert wird. Wenn die zweite Kartusche voll beladen ist, wird der Prozeßablauf umgedreht. Die Verwendung regenerierbarer Kartuschenabsorbervorrichtungen bietet umwelttechnische und wirtschaftliche Vorteile.
In einer Ausführungsform kann die Membrane (Bahn) die gefasertes Polytetraflurethylen (PTFE) mit darin eingeschlossenen sorptiven oder reaktiven Partikelmaterialien sein. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Membrane (Bahn) eine lösungsgegossene poröse Membrane oder ein Vlies, bevorzugte eine polymerische makro- oder mikrofaserige Bahn sein, in welcher die Fasern aus einer Gruppe ausgewählt werden können, welche aus Polyamid, Polyolefin, Polyacrylamid, Polyester, Polyurethan, Glasfaser, Polyvinylhalid oder einer Kombination davon besteht. (Wenn eine Kombination von Polymeren verwendet wird, kann eine Bikomponentenfaser erhalten werden). Wenn ein Polyvinylhalid verwendet wird, weist es bevorzugt höchstens 75% Fluor (Gewichtsanteile) und bevorzugter höchstens 65% (Gewichtsanteile) auf. Die Hinzufügung eines Tensids zu solchen Bahnen kann erwünscht sein, um die Benetzbarkeit der Komponentenfasern zu verbessern.
Insbesondere umfassen in der vorliegenden Erfindung nützliche Membranen:
1. Gefaserte PTFE-Bahnen
Wenn die poröse Matrix PTFE ist, kann der Herstellungsprozeß der Bahnen, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden so sein, wie er beispielsweise in den U.S. Patenten Nr. 4,153,661 und 5,071,610 offenbart ist. Insbesondere wird der PTFE-Verbundstoffartikel der Erfindung durch Mischen des Partikelmaterials oder einer Kombination von verwendeten Partikelmaterialien, PTFE und Schmiermittel, bis ein gleichmäßiges Gemisch erhalten wird, hergestellt. Das PTFE und das Schmiermittel können als eine PTFE-Harzemulsion zugesetzt werden, welche im Handel von DuPont (Wilmington, DE) erhältlich ist. Es hat sich herausgestellt, daß zur Optimierung der Trenntechniken in dem sich ergebenden Artikel ein Schmiermittel in dem Gemisch oder anschließend hinzugefügtes Schmiermittel, d. h., Wasser oder wasserbasierendes Lösungsmittel oder organisches Lösungsmittel ausreichend nahe an oder die Schmiermittelsorptionskapazität der Partikel überschreitend, bevorzugt mit wenigstens 3 Gewichtsprozent bis zu 200 Gewichtsprozent vorhanden sein sollte. Dieser Bereich kann zur Erzielung der gewünschten mittleren Porengröße für unterschiedliche Arten von Ionen sorbierenden Partikeln und zur Durchführung unterschiedlicher Trennungsarten optimiert werden. PTFE-Fasern können ein Durchmesser in dem Bereich von 0,025 bis 0,5 μm und einen mittleren Durchmesser kleiner als 0,5 μm aufweisen.
Nützliche Schmiermittel sowie Verschnitt-, Misch- und Kalandrierungsprozeduren sind beispielsweise in den U.S. Patenten Nr. 4,153,661 und 5,071,610 offenbart.
2. Makrofasern
Makrofaserbahnen können thermoplastische, schmelzextrudierte Fasern mit großem Durchmesser aufweisen, welche mechanisch kalandriert, luftgelegt oder als Spinnvlies erzeugt wurden. Diese Fasern haben mittlere Durchmesser im allgemeinen Bereich von 50 μm bis 1000 μm.
Derartige Vliesbahnen mit Fasern mit großen Durchmessern können durch einen Spinnvlies-Prozeß erzeugt werden, welcher im Fachgebiet allgemein bekannt ist (siehe z. B. U.S. Patente Nr. 3,338,992, 3,509,009 und 3,528,129). Wie es in diesen Dokumenten beschrieben ist, wird ein Bahn-Verfestigungsschritt nach dem Faserspinnvorgang (z. B. ein Kalandrieren) erforderlich, um eine selbsttragende Bahn zu erzeugen. Spinnvliesbahnen sind im Handel von beispielsweise AMOCO, Inc. (Naperville, IL) erhältlich.
Vliesbahnen bestehend aus Stapelfasern mit großen Durchmessern können auch auf Streich- oder Luftlege-Maschinen (wie z. B. einer Rando-Webber^TM, Model 12BS, hergestellt von Rando Machine Corporation., Macedon, NY) hergestellt werden, wie es im Fachgebiet bekannt ist. Siehe beispielsweise die U.S. Patente Nr. 4,437,271, 4,893,439, 5,030,496 und 5,082,720.
Ein Binder wird normalerweise verwendet, um selbsttragende Bahnen zu erzeugen, welche durch Luftlege- und Streichprozesse erzeugt werden, und ist optional, wenn der Spinnvliesprozeß verwendet wird. Solche Binder können die Form von Harzen annehmen, welche nach der Bahnausbildung aufgebracht werden, oder die von Binderfasern, welche in die Bahn während des Luftlegeprozesses eingebracht werden. Beispiele derartiger Harze umfassen Phenolharze und Polyurethane. Beispiele üblicher Binderfasern umfassen ausschließliche Klebertypfasern, wie z. B. Kodel^TM 43UD (Eastman Chemical Products, Kingsport, TN) und Bikomponentenfasern, welche entweder in nebeneinanderliegender Form (z. B. von Chisso ES Fibers, Chisso Corp. Osaka, Japan) oder in Umhüllungskernform (z. B. Melty^TM Fiber Type 4080, Unitika Ltd., Osaka, Japan) erhältlich sind. Die Anwendung von Wärme und/oder Strahlung auf die Bahn "härtet" jeden Bindersystemtyp und verfestigt die Bahn.
Im allgemeinen besitzen Makrofasern aufweisende Vliesbahnen relativ große Hohlräume, bevorzugt mit einer mittleren Porengröße in dem Bereich von 5,0 bis 50 μm. Demzufolge besitzen derartige Bahnen einen niedrigen Festhaltewirkungsgrad für Partikelmaterial mit kleinem Durchmesser (sorptive oder reaktive Unterstützungen), welches in die Bahn eingeführt wird. Trotzdem kann das Partikelmaterial in die Vliesbahnen auf mindestens vier Arten eingebracht werden. Erstens kann, wenn relativ großes Partikelmaterial verwendet wird, dieses direkt der Bahn zugesetzt werden, welche dann kalandriert wird und tatsächlich das Partikelmaterial in der Bahn (sehr ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen PTFE-Bahnen) zu verankern. Zweitens kann das Partikelmaterial in den (vorstehend diskutierten) primären Binder eingebracht werden, welcher auf die Vliesbahn aufgebracht wird. Die Härtung dieses Binders befestigt das Partikelmaterial in klebender Weise auf der Bahn. Drittens kann ein sekundärer Binder die Bahn eingebracht werden. Sobald das Partikelmaterial der Bahn hinzu gesetzt ist, wird der sekundäre Binder (unabhängig von dem primären System) gehärtet, um das Partikelmaterial in klebender Weise in die Bahn einzubauen. Viertens kann, wenn eine Binderfaser in das Vlies während des Luftlegungs- oder Streichprozesses eingeführt wurde, eine derartige Faser über ihre Erweichungstemperatur erwärmt werden. Dieses hält klebend das in die Bahn eingebrachte Partikelmaterial fest.
Von diesen Nicht-PTFE-Makrofasern enthaltenden Verfahren sind diejenigen, welche einen Binder verwenden, im allgemeinen die effektivsten bei dem Festhalten von Partikelmaterial. Kleberanteile, welche eine Punktkontakthaftung fördern, werden bevorzugt.
Sobald das Partikelmaterial (sorptive oder reaktive Träger) hinzugesetzt ist, werden die beladenen Bahnen typischerweise mittels eines Kalandrierungsprozesses weiter verfestigt. Dieser verankert das Partikelmaterial zusätzlich innerhalb der Bahnstruktur.
Bahnen, welche Fasern mit größerem Durchmesser (d. h., Fasern mit einem Durchmesser zwischen 50 μm und 1000 μm) aufweisen, haben relativ hohe Durchflußraten, da sie eine relativ große mittlere Hohlraumgröße aufweisen.
3. Mikrofasern
Wenn die Faserbahn Vlies-Mikrofaser aufweist, können diese Mikrofasern thermoplastisches, schmelzgeblasenes polymerisches Material mit darin verteiltem aktiven Partikelmaterial bereitstellen. Zu bevorzugten polymerischen Materialien zählen solche Polyolefine, wie z. B. Polypropylen und Polyethylen, welche bevorzugt weiter ein Tensid, wie z. B. das in den U.S. Patent Nr. 4,932,229 beschriebene aufweisen. Alternativ kann ein Tensid auf eine geblasene Mikrofaser-(BMF)-Bahn anschließend an die Bahnherstellung aufgebracht werden. Das Partikelmaterial kann in BMF-Bahnen, wie in dem U.S. Patent Nr. 3,971,373 beschrieben, eingebracht werden. Glas- und Keramikvliesbahnen sind bekannt und Partikel können in solche Bahnen, wie im Fachgebiet bekannt, eingebracht werden; siehe beispielsweise WO 93/01494.
Mikrofaserbahnen der vorliegenden Erfindung weisen einen mittleren Faserdurchmesser bis zu 50 μm, bevorzugt von 2 μm bis 25 μm und am meisten bevorzugt von 3 μm bis 10 μm auf. Da die Hohlraumgrößen in solchen Bahnen von 0,1 μm bis 10 μm, bevorzugt bis 0,5 μm bis 5 μm reichen, ist der Durchfluß durch diese Bahnen nicht so groß wie ein Durchfluß durch die vorstehend diskutierten makroporösen Bahnen.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der partikelbeladene Faserartikel, welcher bevorzugt ein Mikrofaserpartikel sein kann, komprimiert werden, um dessen Dichte zu erhöhen und Zwischenraumporösität zu verkleinern und weist in den Bereich von 30 bis 70 Volumenprozent Fasern und Partikelmaterial auf, bevorzugt 40 bis 60 Volumenprozent Fasern und Partikelmaterial, und 70 bis 30 Volumenprozent Luft, bevorzugt 60 bis 40 Volumenprozent Luft. Im allgemeinen sind gepreßte bahnenartige Artikel mindestens 20%, bevorzugt 40%, bevorzugter 50% oder am meisten bevorzugt 75% in der Dicke im Vergleich zu nicht gepreßten Artikeln reduziert. Der Artikel weist Poren mit einer mittleren Porengröße in dem Bereich von 0,1 bis 10 μm, bevorzugt 0,5 bis 5 μm auf.
Geblasene Faserbahnen sind durch eine extreme Verwicklung der Fasern gekennzeichnet, welche einem Artikel Kohärenz und Festigkeit verleiht und auch die Bahn dafür anpaßt, Partikelmaterial zu enthalten und festzuhalten. Das Aspektverhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) von Glasfasern geht gegen unendlich, obwohl berichtet wurde, daß die Fasern nicht zusammenhängend sind. Die Fasern sind lang und ausreichend verwickelt, so daß es im allgemeinen unmöglich ist, eine vollständige Faser aus der Masse von Fasern zu entfernen, oder eine Faser vom Anfang bis zum Ende zu verfolgen.
4. Lösungsgegossene poröse Membrane
Lösungsgegossene poröse Membranen können durch im Fachgebiet bekannte Verfahren erzeugt werden. Solche polymerische poröse Membranen können beispielsweise Polyolefin, einschließlich PTFE und Polypropylen, und Polyamid, Polyester, Polyvinylacetat und Polyvinylchloridfasern sein. Membranen, welche ionensorbierende Partikel enthalten, weisen ausreichend Porösität auf, um den Durchtritt von Fluiden zu ermöglichen.
5. Faserpulpen
Wenn die poröse Matrix eine Polymerpulpe ist, können Bahnenmaterialien erzeugt werden, indem die Polymerpulpe(n) im allgemeinen mit Partikelmaterial, bevorzugt unter Verwendung einer Mischvorrichtung bei Vorhandensein eines geeigneten Flüssigkeit, bevorzugt Wasser oder wasserlösliches organisches Lösungsmittel, wie z. B. Alkohol oder Wasser-Alkohol, hergestellt werden. Die Dispersion wird durch ein feines Sieb bevorzugt mit Poren von etwa 0,14 mm (100 Mesh) gegossen, um eine nasse Bahn zu erzeugen, welche dann gepreßt werden kann, um zusätzliche Flüssigkeit zu entfernen. Die Bahn wird dann getrocknet, bevorzugt durch Erwärmen, um eine trockene Bahn, bevorzugt mit einer mittleren Dicke in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis weniger als 10 mm, bevorzugter 0,2 mm bis 9 mm und am meisten bevorzugt 0,3 mm bis 5 mm und sogar noch bevorzugter 0,4 mm bis 3 mm zu erzeugen. Bis zu 100 der Flüssigkeit kann entfernt werden, bevorzugt bis zu 90%. Eine Kalandrierung kann angewendet werden, um eine zusätzliche Pressung oder Verschweißung bereitzustellen, falls dies gewünscht ist. Dieses allgemeine Verfahren wird in dem U.S. Patent Nr. 5,026,456 bereitgestellt. Die Bahn ähnelt porösem, nicht satinierten Papier, das eine Farbe abhängig von seinen Komponenten aufweisen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bahnenmaterial zum Entfernen einer oder mehrerer in einem Fluid gelöster oder eingeschlossener chemischer Spezies eine poröse polymerische Pulpe aus Fasern, wobei 75% der Fasern eine Länge von mindestens etwa 4 mm haben; etwa 3 bis 7 Gewichtsprozent eines polymerischen Kohlenwasserstoffbinders; und in der Pulpe eingeschlossenen Partikel auf, wobei einige von den Partikeln mindestens eine von reaktiven und sorptiven Eigenschaften gegenüber der chemischen Spezies haben, die Partikel in einer Menge vorhanden sind, daß das Gewichtsverhältnis der Partikel zu dem Binder wenigstens 13 : 1 ist; die Bahn eine mittlere, nicht kalandrierte Dicke von bis zu etwa 5 mm, ein Basisgewicht von etwa 600 bis etwa 2000 g/m² und eine spezifische Dichte von mindestens etwa 0,35 g/cm³ aufweist.
Im allgemeinen können die Fasern, welche die poröse polymerische Pulpe der SPE-Bahn der vorliegenden Erfindung bilden, jede aufschließbare Faser (d. h., jede Faser die zu einer porösen Pulpe gemacht werden kann) sein. Bevorzugte Fasern sind diejenigen, welche stabil gegen Strahlung und/oder eine Vielzahl von pH-Werten sind, insbesondere sehr große pH-Werte (z. B. pH = 14) und sehr niedrige pH-Werte (z. B, pH = 1). Beispiele umfassen Polyamidfasern und diejenigen Polyolefinfasern, welche in eine Pulpe umgeformt werden können, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Polyethylen und Polypropylen. Aromatische Polyamidfasern und Aramidfasern werden insbesondere bevorzugt, wenn eine Stabilität sowohl gegen Strahlung, als auch stark ätzende Fluide gewünscht ist. Beispiele von nützlichen, aromatische Polyamidfasern sind diejenigen aus der Nylonfamilie.
Geeignete Pulpen zur Erzeugung der Bahnenmaterialien der vorliegenden Erfindung umfassen Aramidpulpen, bevorzugt Poly (p-Phenylenetherphtalamid) (Kevlar^TM, DuPont) und Polyacrylonitril (PAN) und Derivate davon. Kevlar^TM-Faserpulpen sind kommerziell in drei Graden auf der Basis der Länge der Fasern erhältlich, welche die Pulpe bilden. Gemische mit Polyolefinpulpen, wie z. B. mindestens einer aus Polypropylen und Polyethylen können verwendet werden, um die physikalischen und sorptiven Eigenschaften des Bahnenmateriales zu optimieren. Die Verhältnisse von Aramidpulpen zu Polyolefinpulpen können in dem Bereich von 1 bis 100 Gewichtsprozent bis 99 zu 0 Ge wichtsprozent, bevorzugt 10 bis 90 Gewichtsprozent bis 90 zu 10 Gewichtsprozent liegen.
Unabhängig von dem Typ der Faser(n), welche zur Herstellung der Pulpe gewählt werden, reicht der relative Anteil der Faser in der sich ergebenden SPE-Bahn (in getrocknetem Zustand) von etwa 12,5 bis etwa 30% (Gewichtsanteile), bevorzugt von etwa 15 bis 25% (Gewichtsanteile).
Bevorzugt weisen, wenn Schwermetallionen zu entfernen sind, die in der Erfindung nützlichen Faser-SPE-Bahnen polymerische Pulpen, mindestens einen Binder und Ionenaustausch oder chelatbildende Materialien auf. Ein Binder wird verwendet, um der Faser-SPE-Bahn Bindefestigkeit zu verleihen, sobald sie durch irgend eine von den Anzahl allgemeiner nassgelegter (d. h., Papierherstellungs-) Prozesse erzeugt wird.
Nützliche Binder in der SPE-Bahn der vorliegenden Erfindung, sind diejenigen Materialien, die über einen großen Bereichen von pH-Werten (insbesondere hohen pH-Werten) stabil sind und welche nur wenig oder keine Wechselwirkung (d. h., chemische Reaktion) entweder mit den Fasern der Pulpe oder den darin eingeschlossenen Partikeln zeigen. Polymerische Kohlenwasserstoffmaterialien, ursprünglich in der Form von Latex haben sich als insbesondere nützlich erwiesen. Zu allgemeinen Beispielen nützlicher Binder zählen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Naturkautschuke, Neopren, Styrol-Butadienkopolymer, Acrylatharze und Polyvinylacetat. Bevorzugte Binder umfassen Neopren und Styrol-Butadienkopolymer. Unabhängig von dem Typ des verwendeten Binders liegt die relative Menge des Binders in der sich ergebenden SPE-Bahn (in getrocknetem Zustand) bei etwa 3 bis etwa 7 Gewichtsprozent, bevorzugt bei etwa 5 Prozent. Es hat sich herausgestellt, daß die bevorzugte Menge Bahnen mit nahezu derselben physikalischen Integrität erzeugt, wie Bahnen, die etwa 7 Gewichtspro zent Binder enthalten, wobei sie eine größtmögliche Partikelbeladung ermöglichen. Es kann erwünscht sein, der Faserpulpe ein Tensid zuzusetzen, bevorzugt in kleinen Mengen bis 0,25 Gewichtsprozent des Verbundmaterials.
Der Gewichtsprozentsatz der Partikel in der sich ergebenden SPE-Bahn ist mindestens 13 mal größer als der Gewichtsprozentsatz des Binders, bevorzugt mindestens 14 mal größer als der Gewichtsprozentsatz des Binders, bevorzugter mindestens 15 mal größer als der Gewichtsprozentsatz des Binders. Die Gewichtsverhältnisse von Partikeln zu Binder können bis zu 28 : 1 betragen, wenn der minimale Anteil von Binder (3 Gewichtsprozent) verwendet wird.
Unabhängig von dem Typ oder der Menge der in der SPE-Bahn der vorliegenden Erfindung verwendeten Partikel werden sie mechanisch in dem polymerischen Fasern der porösen polymerischen Pulpe eingeschlossen oder verankert. Mit anderen Worten, die Partikel sind bevorzugt nicht kovalent mit den Fasern verbunden.
Die SPE-Bahn der vorliegenden Erfindung kann auch einen oder mehrere Hilfsstoffe enthalten. Nützliche Hilfsstoffe umfassen diejenigen Substanzen, welche als Prozeßhilfen wirken und diejenigen Substanzen, welche so wirken, daß sie das Gesamtverhalten der sich ergebenden SPE-Bahn verbessern. Beispiele der ersteren Kategorie umfassen Natriumaluminat und Aluminiumsulfat (allgemein als Alaun bekannt), welche dazu beitragen, den Binder in der Pulpe abzuscheiden, und Dispersionsmittel oder Tenside, wie z. B. Tamol^TM 850 Dispersionsmittel (Rohm & Haas Co., Philadelphia, PA). Beispiele der letzteren Kategorie umfassen Vernetzungsmittel, wie z. B. Zinkoxid für bestimmte Binder, wie z. B. Neopren. Wenn sie verwendet werden, reichen die relativen Mengen derartiger Hilfsmittel von mehr als 0 bis etwa 0,5% (Gewichtsanteil), obwohl deren Anteile bevorzugt so niedrig wie möglich gehalten werden, so daß sie nicht die Menge der Partikel vermindern, welche hinzugesetzt werden können.
Erwünschtermaßen liegt die mittlere Korngröße des gleichmäßig porösen Bahnenmaterials in dem Bereich von 0,1 bis 10 μm. Hohlraumvolumina in dem Bereich von 20 bis 80% können nützlich sein, bevorzugt 40 bis 60%. Die Porösität der aus Polymerpulpe erzeugten Bahnenmaterialien kann modifiziert (vergrößert) werden, indem hydrophile oder hydrophobe Hilfsstoffasern, wie z. B. Polyacrylonitril, Polypropylen- oder Polyethylenfasern mit größerem Durchmesser oder Steifigkeit, welche dem zu verschneidenden Gemisch hinzugefügt werden, eingesetzt werden. Die Fasern können eine mittlere Größe (Durchmesser) von bis zu 20 μm aufweisen, und bevorzugt weisen mindestens 75 Gewichtsprozent der Fasern eine durchschnittliche Länge von wenigstens etwa 4 mm auf; bevorzugt sind alle beispielsweise zur Steuerung der Porösität zugesetzten Hilfsstoffasern nicht sorptiv.
Details zur Herstellung des spiralförmig gewickelten Filterelements der Erfindung werden in den nachstehenden Beispielen gegeben.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann für eine Vielfalt von Zwecken, einschließlich der Entfernung von Schwermetallen aus einer Menge von Wasser oder einer organischen Flüssigkeit, und der Entfernung des Umweltverschmutzungsstoffen aus Luft oder Flüssigkeit verwendet werden. Die Analyte können Metallionen oder organische Verbindungen einschließlich Reste von Kraftstoffen, Sprengstoffen, Arzneimitteln oder Pestiziden sein. Die Kartusche der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Sammlung eines interessierenden oder werthaltigen Analyten.
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden ausführlicher in den nachstehenden Beispielen dargestellt. Die speziellen Materialien und deren Mengen sowie andere Bedingungen und Details, welche in diesen Beispielen angegeben werden, sollen keine ungewollte Einschränkung dieser Erfindung darstellen.
Beispiele:
Beispiel 1

A. Gefaltete bzw. Zigzag-Kartusche (Vergleichsbeispiel). Einer gerührten Aufschlämmung von 10 Gramm Kevlar^TM 1F306 getrockneter Aramidfaserpulpe (E.I. Dupont, Inc., Wilmington, DE 19898 ) und 2500 ml Wasser in einem Waring-Mischer wurden 0,25 Gramm Tamol^TM 850 Dispersionsmittel (Rohm und Haas, Philadelphia, PA) zugesetzt. Nach Mischen bei einer niedrigen Geschwindigkeitseinstellung für 30 Sekunden wurden 113,3 Gramm einer 33% (Gewichtsanteil) wässrigen Aufschlämmung von Partikeln aus Calgon^TM-PCB Grade Carbon (Keystone Filler and MFG, Co. Muncy PA, 17756) unter fortgesetztem Mischen zugesetzt. Anschließend wurden 6,25 g (2,5 g Trockengewicht) Goodrite^TM 1800 X 73 Styrol-Butadien-Latexbinderaufschlämmung (B.F. Goodrich Co., Cleveland, OH) zugesetzt und die Mischung für 15 Sekunden bei niedriger Drehzahl fortgesetzt. Diesem Gemisch wurde eine Lösung von 25 Gramm einer Lösung von 25 Gewichtsprozent Alaun in Wasser zugesetzt und die Mischung fortgesetzt, bis sich der Binder auf der Pulpe und dem Teilchenmaterial absetzte. Eine Hand(muster)bahn wurde aus dem Gemisch hergestellt und für fünf Minuten bei 620 kPa gepreßt. Das Verfahren zur Herstellung der gefalteten Kartusche ist in der Patentanmeldung U.S. S.N. 08/590,978 beschrieben.

Die aktive Membrane gemäß vorstehender Beschreibung wurde auf eine Breite von 22 cm zugeschnitten und auf einem Ra bovsky Faltgerät (Gerard Daniel & Co., Inc., New Rochelle, NY) gefaltet. Die gefaltete Bahn wurde in Längsrichtung mit. einem DP-100^TM schnell härtenden Epoxidharz (3M; ST: Paul, MN) in Längsrichtung versiegelt. Ein Zentralkern und eine Endkappe eines Filterkartuschengehäuses (Arcor Inc., Chicago; IL) wurde auf einem Gestell aufgesetzt, und die Endkappe mit Epoxidharz abgedeckt. Die gefaltete verstärkte Bahn wurde über den Zylinder gelegt. Das Ende der Bahn wurde vollständig in das vorstehend erwähnte Epoxidharz eingetaucht. Ein Naltex^TM 3408 (Nalle Plastics, Inc.) Schutznetz in Schlauchform wurde über die gefaltete Bahn geschoben. Die andere Endkappe wurde über der gefaltete Schicht und dem Netz plaziert, welche dann in beide Endkappen mit Epoxid eingegossen wurden.

B. eine spiralförmig gewickelte Kartusche (ohne Gaze – Vergleichsbeispiel) wurde in der nachstehenden Weise erzeugt: (Spezifische Kartuschenspezifikationen werden am Ende dieses Beispiels gegeben).

Ein Segment einer aktiven Membrane, hergestellt wie vorstehend beschrieben, wurde auf Länge (siehe nachstehend) zugeschnitten. Der Mittenkern (Arcor Inc.; Chicago; IL) wurde auf dem vorderen Rand der aktiven Membrane gelegt. Die aktive Membrane wurde dann auf den Mittenkern gewickelt. Der Außensaum wurde mit Epoxidharz versiegelt, welcher für zehn Minuten härten konnte, bevor mit der Herstellung der Kartusche fortgefahren wurde. Epoxidharz wurde zur Versiegelung der zwei Endkappen (Arcor, Inc.; Chicago, IL) in ihrer Lage verwendet und das Harz konnte über Nacht aushärten, bevor die Kartusche verwendet wurde.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	Calgon – PCB Grade Carbon, Keystone Filler and Mfg. Co., Muncy, PA 17756
Membrandicke	1,3 mm
Gerade Membranlänge	254 cm
Membranbreite	22 cm
Gesamtkohlenstoffinhalt	290 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	3,8 L/min
Gesuchter Analyt	2-Nitrophenol
Analytspeisekonzentration	10 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 2
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membrane war wie im Beispiel 1 beschrieben. In der Formulierung wurde anstelle von Calgon – PCB Grade Carbon, (Keystone Filler and Mfg. Co., Muncy, PA 17756) eine wässrige Aufschlämmung von SuperLig^TM 304 (IBC Advanced Technologies Inc., American Fork, UT) von 320 g mit 6,25 Gewichtsprozent verwendet.

Die Basiskartuschenherstellung wurde wie im Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, d. h., eine gefaltete Kartusche (Vergleichsbeispiel) und eine spiralförmig gewickelte Kartusche ohne Gaze (Vergleichsbeispiel) wurden hergestellt. Die einzige Modifikation war, daß die Membranbreite auf 16 cm anstelle von 22 cm geschnitten wurde.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	SuperLig^TM 304
Membrandicke	1,5 mm
Gerade Membranlänge	84 cm
Membranbreite	16 cm
Gesamtinhalt SuperLig^TM 304	100 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	1,1 L/min
Gesuchter Analyt	Cu⁺²
Analytspeisekonzentration	20 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 3
Das Verfahren zur Herstellung der Aktivmembrane war wie im Beispiel 1 beschrieben.
Die spiralförmige Kartusche ohne verstärkende Abstandsbahn wurde im Beispiel 1 beschrieben und die Herstellung der spiralförmigen Kartusche mit verstärkender Abstandsbahn (Naltex^TM LWS-Filtrationsnetz (Nalle Plastics Inc., Austin, TX)) wird wie folgt beschrieben: (Spezifische Kartuschenbeschreibungen erfolgen am Ende dieses Beispiels).

Ein Segment der aktiven Membranen wurde auf Länge zugeschnitten. Ein Abschnitt der verstärkenden Abstandsbahn wurde anschließend auf Länge zugeschnitten, die länger als das Segment der aktiven Membrane war. Die verstärkende Abstandsbahn wurde ausgelegt und die aktive Membrane wurde auf die Oberseite der verstärkenden Abstandsbahn aufgelegt, so daß das zusätzliche verstärkende Abstandsmaterial an beiden Rändern der aktiven Membrane überstand. Der Mittenkern des Kartuschengehäuses (Arcor, Inc.; Chicago, IL) wurde auf dem Anfangsrand der verstärkenden Abstandsbahn gelegt. Eine einfache Umwicklung der verstärkenden Abstandsbahn wurde auf den Mittenkern aufgebracht und der Anfangsrand der aktiven Membrane auf den Kern befestigt. Die aktive Membrane wurde auf den Mittenkern aufgewickelt. Die überstehende verstärkende Abstandsbahn wurde zurückgeschnitten, so daß etwa 1 cm des verstärkenden Abstandsmaterial über den hinteren Rand der aktiven Membrane überstand. Der externe Saum wurde mit Epoxidharz versiegelt und das Epoxid konnte für minimal 10 Minuten härten. Epoxidharz wurde zur Versiegelung der zwei Endkappen (Arcor, Inc.; Chicago, IL) in ihrer Lage verwendet und das Epoxid konnte über Nacht härten, bevor die Kartusche verwendet wurde.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	Calgon – PCB Grade Carbon
Membrandicke	1,3 mm
Gerade Membranlänge	254 cm
Membranbreite	22 cm
Gesamtkohlenstoffinhalt	290 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	3,8 L/min
Gesuchter Analyt	2-Nitrophenol
Analytspeisekonzentration	10 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 4
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membran war wie im Beispiel 1 beschrieben. In der Formulierung wurde Calgon – PCB – Grade Carbon durch 30 g Anex^TM-Partikel (Sarasep Inc., Santa Clara, CA 95054) ersetzt.

Die Kartuschenherstellung, spiralförmig gewickelt, ohne Gaze (Vergleichsbeispiel) und mit Gaze, war wie in den Beispielen 1 und 3 beschrieben.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	Anex
Membrandicke	3,0 mm
Gerade Membranlänge	38,1 cm
Membranbreite	16 cm
Gesamtinhalt Anex	58,4 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	3,8 L/min
Gesuchter Analyt	ReO₄ ^–1
Analytspeisekonzentration	2,5 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 5
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membran war wie im Beispiel 1 beschrieben. In der Formulierung wurde Calgon – PCB – Grade Carbon (Keystone Filler and Mfg. Co., Muncy, PA 17756) durch 22,5 g Kaliumkobalthexacyanferrat (KCoHex^TM hergestellt wie in dem US Patent Nr. 3,296,123 ersetzt.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	KCoHex
Membrandicke	1,4 mm
Gerade Membranlänge	124,5 cm
Membranbreite	16 cm
Gesamtinhalt KCoHex	157,5 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	3,8 L/min
Gesuchter Analyt	Cs⁺¹
Analytspeisekonzentration	3,0 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 6
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membran war wie im Beispiel 1 beschrieben. In der Formulierung wurde Calgon – PCB – Grade Carbon (Keystone Filler and Mfg. Co., Muncy, PA) durch 37,5 g gemischte Salze aus Titanaluminiumnitrat (ATSPartikel, Engelhard Inc., Seneca, SC 28678) ersetzt.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	ATS-Partikel, Engelhard Inc., Seneca SC 28678
Membrandicke	2,2 mm
Gerade Membranlänge	71,1 cm
Membranbreite	16 cm
Gesamtinhalt ATS	175,2 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	1,8 L/min
Gesuchter Analyt	Sr⁺²
Analytspeisekonzentration	0,3 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 7
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membran war wie im Beispiel 1 beschrieben. In der Formulierung wurde Calgon – PCB – Grade Carbon (Keystone Filler and Mfg. Co., Muncy, PA 17756) durch 37,5 g ATS-Partikel (Engelhard Inc., Seneca SC28678) und 10 g Kevlar^TM 1F306 getrocknete Aramidfaserpulpe (E.I. Dupont Inc., Wilmington DE 19898 ) mit hoch dichter Polyethylenpulpe (Microfiber Inc., Johnson City, TN) ersetzt.

Die Kartuschenherstellung, spiralförmige Wicklung mit Gaze, war wie in dem Beispiel 3 beschrieben.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	ATS-Partikel, Engelhard Inc., Seneca SC 28678
Membrandicke	2,2 mm
Gerade Membranlänge	71,1 cm
Membranbreite	16 cm
Gesamtinhalt ATS	175 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	3,8 L/min
Gesuchter Analyt	Sr⁺²
Analytspeisekonzentration	0,3 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 8
Das Verfahren zur Herstellung der aktivem Membrane war das in dem U.S. Patent Nr. 5,071,610, Beispiel 1 beschriebene Verfahren.
In diesem Falle kontrollierten wir sorgfältig den Anteil des Schmiermittels (1 Teil Wasser/1 Teil Isopropylalkohol), um die Membrane herzustellen.
Insbesondere wurden 10 g Anex-Partikel (Sarasep Inc., Santa Clara, CA 95054) in einem 100 ml Becher plaziert. 1,6 g einer Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Harzemulsion (Teflon 30B, E.I. Dupont, Inc., Wilmington, Del.) wurde schrittweise in drei Portionen unter intermittierenden starken Rühren zugefügt. 10,5 g Schmiermittel wurden schrittweise in drei Portionen unter intermittierenden starken Rühren zugefügt. Nach dem diese Zutaten sorgfältig gemischt waren, war eine semikohärentes Material mit ausreichend physikalischer Festig keit, um die gesamte Masse des Bechers als eine Einzelmasse zu entfernen, hergestellt. Die vorstehende Masse wurde zwischen zwei auf einer Temperatur von 50°C gehaltenen und in etwa 0,5 cm Abstand angeordneten Walzen durchgeführt, um einen Streifen zusammenhängenden Materials zu erzeugen. Der sich ergebende Streifen wurde auf drei Dicken gefaltet und dann durch die Walzen nach einer 90 Grad Drehung zu dem vorherigen Durchlauf hindurchgeführt. Der zyklische Prozeß der Faltung und Neuwalzung in einer 90 Grad Richtung im Bezug auf den vorherigen Durchlauf wurde mehrere Male wiederholt, so daß sich ein starkes, festes, flaches Materialstück ergab. Das Material wurde dann entlang der Achse über eine Reihe von Walzendurchläufen kalandriert, wobei der Walzenabstand auf zunehmend kleinere Abstände angepaßt wurde, um ein zusammenhängendes Band zu erhalten. Das Band wurde gefaltet, um ein mehrlagiges Stück zu ergeben, welches dann wie zuvor entlang der 90 Grad Achse im Bezug auf die zuvor verwendete Kalandrierungsrichtung kalandriert wurde. Die kalandrierte Schicht des Materials konnte dann in Luft für 48 Stunden trocknen.

Eine spiralförmig gewickelte Kartusche ohne verstärkende Abstandsbahn (Vergleichsbeispiel) wurde wie im Beispiel 1 beschrieben hergestellt und eine spiralförmig gewickelte Kartusche mit verstärkender Abstandsbahn wurde wie im Beispiel 3 beschrieben hergestellt.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	Anex Sarasep, Inc., Santa Clara, CA 95054
Membrandicke	0,5 mm
Gerade Membranlänge	63,5 cm
Membranbreite	22 cm
Gesamtinhalt Anex	25,7 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	0,95 L/min
Gesuchter Analyt	Cr₂O₄ ^–2
Analytspeisekonzentration	10 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 9
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membran war wie im Beispiel 8 beschrieben, außer daß die Anex-Partikel (Sarasep Inc., Santa Clara, CA 95054) durch 10 g C₁₈-gebundenes Siliziumoxid (Varian, Inc., Harbor City, CA) ersetzt wurden.

Die Kartuschenherstellung, spiralförmige Wicklung ohne Gaze (Vergleichsbeispiel) und mit Gaze war wie in den Beispielen 1 und 3 beschrieben.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	C₁₈-gebundenes Siliziumoxid
Membrandicke	0,7 mm
Gerade Membranlänge	66,0 cm
Membranbreite	22 cm
Gesamtinhalt C₁₈-gebundenes Siliziumoxid	58,8 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	1,9 L/min
Gesuchter Analyt	2-Nitrophenol
Analytspeisekonzentration	10 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 10
Das Verfahren zur Herstellung der aktivem Membrane war wie in dem U.S. Patent Nr. 5,328,758, Beispiel 1 beschrieben.
Ein blasmikrofaserbahnartiger Artikel wurde aus Polypropylen Typ 34950^TM (Exxon Corp., Baytown, TX) wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Schmelzblasvorrichtung, wie in dem Patent beschrieben hergestellt. Die Partikel in diesem Beispiel waren Darco^TM G60 Carbon (Norit Americas Inc., Atlanta, GA 30338). Der partikelbeladene Mikrofaserartikel hat ein Gewicht von 230 g/m² für einen Beladungsprozentsatz von 64 Gewichtsprozent und eine Dicke von etwa 0,4 mm.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	Darco^TM G60 Carbon
Membrandicke	0,4 mm
Gerade Membranlänge	172,7 cm
Membranbreite	22 cm
Gesamtinhalt Carbon	8,0 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	1,9 L/min
Gesuchter Analyt	2-Nitrophenol
Analytspeisekonzentration	10 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 11

Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membrane spiralförmig gewickelt, ohne Gaze (Vergleichsbeispiel) und mit Gaze, war wie in dem Beispiel 10 beschrieben. Darco-G60 Carbon (Norit Americas Inc., Atlanta GA 30338) wurde durch ATS-Partikel (Engelhard Inc., Seneca SC 29678) ersetzt. Der partikelbeladene Mikrofaserartikel hatte ein Gewicht von 215 g/m² für einen Beladungsprozentsatz von 86 Gewichtsprozent und eine Dicke von etwa 0,4 mm.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	ATS, Engelhard Inc., Seneca SC 29678
Membrandicke	0,4 mm
Gerade Membranlänge	106,6 cm
Membranbreite	22 cm
Gesamtinhalt ATS	42,6 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	1,9 L/min
Gesuchter Analyt	Sr⁺²
Analytspeisekonzentration	3,0 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 12
In diesem Beispiel wurde eine Einzelkartusche aufgebaut aus zwei aktiven Membranen mit unterschiedlichen Partikeln: 39 g ATS-Partikeln (Engelhard Inc., Seneca, SC 29678) und 31,0 g Anex-Partikeln (Sarasep Inc., Santa Clara, CA 95054). Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membrane war wie im Beispiel 1 beschrieben.
Die spiralförmige Kartusche mit verstärkender Abstandsbahn (Naltex LWS-Filtrationsnetz, Nalle Plastics Inc., Austin, TX)) wurde in der nachstehenden Weise hergestellt: (spezifische Kartuschenbeschreibungen werden am Ende dieses Beispiels gegeben).

Ein Segment von beiden aktiven Membranen wurde auf Länge zugeschnitten. Ein Abschnitt der verstärkenden Abstandsbahn wurde anschließend auf eine Länge zugeschnitten, welche länger als die kombinierte Länge beider Segmente der aktiven Membrane war. Die verstärkende Abstandsbahn wurde flach ausgelegt und beide aktiven Membrane wurde auf die Oberseite der verstärkenden Abstandsbahn so aufgelegt, daß der vordere Rand der zweiten aktiven Membrane eng an dem hinteren Rand der ersten aktiven Membrane anstieß. Die aktiven Membranen werden so positioniert, daß die zusätzliche verstärkende Abstandsbahn von dem vorderen Rand der ersten Membrane und dem hinteren Rand der zweiten aktiven Membrane hervorstand. Der Mittenkern einer Gehäusekartusche (Arcor Inc., Chicago, IL) wurde auf den vorderen Rand der verstärkenden Abstandsbahn gelegt. Eine einzelne Umwicklung der verstärkenden Abstandsbahn wurde auf den Mittenkern aufgebracht und der vordere Rand der ersten aktiven Membrane auf dem Kern befestigt und beide aktiven Membranen wurden auf den Mittenkern gewickelt. Die überstehende verstärkende Abstandsbahn wurde so zurückgeschnitten, daß etwa 1 cm der verstärkenden Abstandsbahn hinter dem hinteren Rand der zweiten aktiven Membrane überstand. Der äußere Saum wurde mit Epoxidharz versiegelt und das Epoxid konnte für ein Minimum von 10 Minuten trocknen. Epoxidharz wurde zum Ankleben der zwei Endkappen (Arcor Inc.; Chicago, IL) in ihrer Lage verwendet und der Kleber konnte über Nacht aushärten, bevor die Kartusche zur Extraktion von Wasser verwendet wurde.

Kartuscheneigenschaften Aktive Partikel	ATS Anex
Membrandicke
ATS	2,2 mm
Anex	2,4 mm
Gerade Membranlänge
ATS	40,6 cm
Anex	40,6 cm
Membranbreite
ATS	17 cm
Anex	17 cm
Gesamtpartikelinhalt
ATS	76,1 g
Anex	61,4 g
Wasserextraktionsbedingungen Durchflußrate der Kartusche	3,8 L/min
Gesuchte Analyte
ATS	Sr⁺²
Anex	ReO₄ ^–1
Analytspeisekonzentrationen
Sr⁺²	1,0 ppm
ReO₄ ^–1	3,0 ppm

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Beispiel 13
In diesem Beispiel wurde eine Einzelkartusche aufgebaut aus zwei aktiven Membranen mit unterschiedlichen Partikeln: 39 g ATS-Partikeln (Engelhard Inc., Seneca, SC 29678) und 31,0 g Anex-Partikeln (Sarasep Inc., Santa Clara, CA 95054).
Das Verfahren zur Herstellung der aktiven Membrane war wie im Beispiel 1 beschrieben. Die spiralförmige Kartusche mit verstärkender Abstandsbahn (Naltex LWS-Filtrationsnetz, Nalle Plastics Inc., Austin, TX)) wurde in der nachstehenden Weise hergestellt: (spezifische Kartuschenbeschreibungen werden am Ende dieses Beispiels gegeben).

Segmente beider aktiven Membranen wurde auf dieselbe Länge zugeschnitten. Zwei Abschnitte verstärkender Abstandsbahnen wurden anschließend auf eine Länge zugeschnitten, welche länger als die Länge beider Segmente der aktiven Membrane war. Die verstärkende Abstandsbahn wurde flach ausgelegt und die erste aktive Membran wurde auf die Oberseite der verstärkenden Abstandsbahn so aufgelegt, daß die verstärkende Abstandsbahn von beiden Rändern der aktiven Membrane hervorstand. Der zweite Abschnitt der verstärkenden Abstandsbahn wurde wieder auf die Oberseite der ersten aktiven Membrane so aufgelegt, daß die zusätzliche verstärkende Abstandsbahn von beiden Rändern der aktiven Membrane hervorstand. Die zweite aktive Membran wurde auf die Oberseite der verstärkenden Abstandsbahn aufgelegt und auf der Oberseite ersten aktiven Membrane zentriert. Der Mittenkern einer Gehäusekartusche (Arcor Inc., Chicago, IL) wurde auf die vorderen Ränder der verstärkenden Abstandsbahn gelegt. Eine einzelne Umwicklung der verstärkenden Abstandsbahnen wurde auf den Mittenkern aufgebracht und die vordere Ränder der aktiven Membranen auf dem Kern befestigt. Beide aktiven Membranen wurden auf den Mittenkern gewickelt. Die überstehende verstärkende Abstandsbahn wurde so zurückgeschnitten, daß etwa 1 cm des verstärkenden Abstandsbahnenmaterials über dem hinteren Rand der aktiven Membranen überstand. Der äußere Saum wurde mit Epoxidharz versiegelt und das Epoxid konnte für ein Minimum von 10 Minuten trocknen. Epoxidharz wurde zum Ankleben der zwei Endkappen (Arcor Inc.; Chicago, IL) in ihrer Lage verwendet, und der Kleber konnte über Nacht aushärten, bevor die Kartusche zur Extraktion von Wasser verwendet wurde.

Siehe nachstehende Tabelle 1 bezüglich der Daten.

Tabelle 1
Die Daten der Tabelle 1 zeigen die überlegenen Eigenschaften eines niedrigeren Rückdrucks und eine höheren Kapazität bei 50% Durchbruch (d. h., einen höheren Extraktionswirkungsgrad) von spiralig gewickelten Kartuschen mit Gaze im Vergleich zu spiralig gewickelten Kartuschen ohne Gaze.
Verschiedene Modifikationen und Änderungen, welche nicht von dem Schutzumfang und dem Erfindungsgedanken dieser Erfindung abweichen, werden für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein. Diese Erfindung soll nicht auf die hierin beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt sein.

Claims

Kartuschenvorrichtung zum Entfernen von Verschmutzungsstoffen aus einer Flüssigkeit, mit: a) einem Hohlkern, welcher eine rohrartige Struktur mit einem internen Hohlraum, eine Außenoberfläche, Öffnungen für den Durchtritt von Flüssigkeit durch den Kern von der Außenoberfläche in den Hohlraum oder von dem Hohlraum zu der Außenoberfläche und einen Flüssigkeitsauslaß aufweist, b) einem schichtartigen Bahnenverbund, welcher aufweist: (1) eine poröse Membrane mit einem faserartigen Bahnenmaterial; und (2) eine poröse verstärkende Abstandsbahn, wobei die verstärkende Abstandsbahn zwischen benachbarten überlappenden Abschnitten der porösen Membrane so angeordnet ist, daß durch die verstärkende Abstandsbahn hindurchtretende Flüssigkeit dieses in einer abschnittsweise unabhängigen Weise macht; wobei die verstärkende Abstandsbahn und die poröse Membrane einen schichtartigen Bahnenverbund bereitstellen; wobei der schichtartige Bahnenverbund in eine spiralförmige Konfiguration um den Kern herum geformt ist, wobei der schichtartige Bahnenverbund um sich selbst gewickelt wird, und wobei die Windungen von ausreichender Kompaktheit sind, daß kein Raum zwischen benachbarten Lagen des Bahnenverbundes vorliegt; c) zwei Endkappen, die über dem Kern angeordnet sind und wovon mindestens eine offen ist, und d) eine Einrichtung zum Befestigen der Endkappen an dem. Kern, wobei die Endkappen auch an den seitlichen Enden des spiralig gewickelten Bahnenverbundes befestigt sind; wobei die Kartuschenvorrichtung durch die Merkmale gekennzeichnet ist, dass das faserartige Bahnenmaterial der porösen Membrane darin untergebrachte Metallion(en)bindende Partikel oder Umweltverschmutzungsstoffebindende Partikel aufweist, welche in der Lage sind, das/die Ion(en) oder Umweltverschmutzungsstoffe aus der Flüssigkeit zu entfernen, und wobei die poröse verstärkende Abstandsbahn in die poröse Membrane eingebettet ist, wobei die Kartuschenvorrichtung zum Entfernen von einem oder mehreren Metallionen oder Umweltverschmutzungsstoffen aus der Flüssigkeit verwendbar ist.
Kartuschenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die poröse Membrane aufweist: eine fibrillierte Polytetrafluorethylenbahn, eine Gewebe- oder Vliesbahn, eine nass-gelegte Matte und/oder eine feste Bahn mit Poren darin.
Kartuschenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikel aus der aus Aktivkohle, anorganischem Oxid oder Derivaten davon, Styroldivinylbenzol oder Derivaten davon, Ionenaustauschharzen, Chitin und einem anorganischen Oxid mit damit verbundenen organischen Einheiten bestehenden Gruppe ausgewählt werden, wobei der Bahnenverbund der Kartuschenvorrichtung optional ferner inaktive Verdünnungspartikel aufweist.
Kartuschenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Partikelmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Partikeln besteht, die mittels Ionenaustausch, Chelatbildung, kovalente Bindungserzeugung, Größenausschluß und Sorption binden.
Kartuschenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die verstärkende Abstandsbahn ein Sieb oder eine Gaze ist.
Kartuschenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Sieb aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Polymer-, Glas- und Metallsieben besteht, und die Gaze aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Polymer-, Glas- und Metallgazen besteht.
Kartuschenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der spiralig gewickelte Bahnenverbund innerhalb einer porösen Schutzumhüllung eingeschlossen ist.
Verfahren zum Entfernen von einem oder mehreren Metallionen, oder Umweltverschmutzungsstoffen aus einer Flüssigkeit mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Kartuschenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, b) Durchleiten der das/die Metallion(en) oder den/die Umweltverschmutzungsstoff(e) enthaltenden Flüssigkeit durch den spiralig gewickelten Bahnenverbund der Kartuschenvorrichtung im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Bahnenverbundes, um so das/die Metallion(en) oder den/die Umweltverschmutzungsstoff(e) an das Partikelmaterial der partikelmaterialbeladenen porösen Membrane zu binden, wobei die Flüssigkeit in das spiralig gewickelte Element im wesentlichen senkrecht zu der Außenoberfläche des spiralig gewickelten Bahnenverbundes ein tritt und durch die Innenoberfläche des Bahnenverbundes austritt oder die Flüssigkeit in das spiralig gewickelte Element im wesentlichen senkrecht zu der Innenoberfläche des spiralig gewickelten Bahnenverbundes eintritt und durch die Außenoberfläche des Bahnenverbundes austritt.
Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner den Schritt der Eluierung des/der gebundenen Metallion(en) oder des/der Umweltverschmutzungsstoffs/Umweltverschmutzungsstoffe aus dem Bahnenverbund mit einer Abtrennlösung aufweist.