DE69735692T2

DE69735692T2 - Filterelement

Info

Publication number: DE69735692T2
Application number: DE69735692T
Authority: DE
Inventors: c/o Kitz Corporation Masaharu Kitakoma-gun Watanabe; c/o Kitz Corporation Eiji Kitakoma-gun Suda
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2017-01-10
Also published as: JPH09290138A; EP0803281A1; US6224765B1; DE69735692D1; KR100455263B1; JP3077020B2; TW430573B; EP0803281B1; KR970069106A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Filterelement für die Verarbeitung eines Fluids durch die Verwendung einer Umkehrosmosemembran, einer Ultrafiltermembran, einer Präzisionsfiltermembran oder einer Gastrennmembran als Trennmembran für verschiedene Fluide, die in verschiedenen Industrien verwendet werden, die sich auf die Herstellung von elektronischen Produkten, Lebensmitteln, Getränken, Medikamenten, Fermentationsprodukten, optischen Produkten, therapeutischen Produkten und Präzisionsprodukten spezialisieren.
Bei der Verarbeitung verschiedener Fluide durch die Verwendung von funktionalen vakuummolekularen Membranen, die von den oben genannten Trennmembranen repräsentiert werden, ist es im Allgemeinen erforderlich, dass die funktionalen makromolekularen Membrane modulare Einheiten sind. Die Trennmembrane werden in flache Platten, Röhren, Hohlfasern etc. ausgebildet und bei deren modularen Einheiten sind deren Formen von der Form einer relevanten Trennmembran bestimmt.
Die Module von Trennmembranen des flachen Plattentyps sind zum Beispiel in JP-UM-B-55-49076 und JP-P-B-63-28654 offenbart. Das erstere Modul ist in einer solchen Form, wie sie erhalten wird, indem aus einer Trennmembran vom flachen Plattentyp eine Scheibe ausgestanzt und die Scheibe unmittelbar an Ort und Stelle an einem Halter angeordnet wird. Das letztere Modul ist in einer solchen Form, wie sie erhalten wird, indem in vergleichbarer Weise eine Scheibe gestanzt wird, wobei die Scheibe entlang ihres Umfangs mit einer Halterung verbunden wird, wodurch eine Einheit gebildet wird, und eine Mehrzahl solcher Einheiten über einander angeordnet werden. JP-P-A-60-58208 offenbart ebenfalls ein Modul, das in einer solchen Form ist, wie sie erhalten wird, indem eine Trennmembran vom flachen Plattentyp gefaltet wird, die gegenüber liegenden Kanten der Membran verbunden werden, wenn die Membran in eine röhrenförmige Membran umgearbeitet wird, und die gegenüber liegenden offenen Enden der röhrenförmigen Membran mit einem Dichtmaterial verschlossen werden.
Die Module, die Trennfilter vom Hohlfasertyp verwenden (im Folgenden als "Filterelementmodule" bezeichnet) sind zum Beispiel in JP-UM-A-05-56227 und JP-P-A-06-170179 offenbart. Sie sind in einer solchen Form, wie sie erhalten wird, indem eine Mehrzahl von Trennmembranen vom Hohlfasertyp gebündelt wird und ein offenes Ende oder beide offenen Enden des Bündels mit einem Dichtmaterial wasserdicht verschlossen werden. Die Filterelementmodule dieses Typs können eine große verfügbare Membranoberfläche pro Volumeneinheit eines Moduls einnehmen, weil sie keine Abstützung für die Membran benötigen. Insbesondere können sie ihre inneren Oberflächen der Membran sauber halten, weil die inneren Oberflächen nicht dem Freien ausgesetzt sind. Sie können auch in hohem Maß in der Lage sein, das unter Verarbeitung befindliche Fluid zu reinigen, indem ihre inneren Oberflächen der Sekundärseite der Fluidbearbeitung verwendet werden. Sie erlauben ferner eine einfache Herstellung von Modulen des Querflusstyps.
Die Filterelementmodule besitzen, verglichen mit den Modulen, die Trennmembrane vom flachen Plattentyp oder vom röhrenförmig Typ verwenden, neben den oben genannten verschiedene Merkmale. Bei deren Herstellung müssen die Primärseiten und die Sekundärseiten derselben relativ zu dem Fluss des unter Verarbeitung befindlichen Fluids in den offenen Endteilen des Bündels gegenseitig wasserdicht isoliert sein. Zu diesem Zweck müssen die Zwischenräume zwischen den benachbarten Trennmembranen vom Hohlfasertyp unfehlbar abgedichtet sein. Dieses Abdichten ist bisher erreicht worden, indem die Zwischenräume mit einem solchen Vergussmaterial, wie zum Beispiel Polyurethan oder Epoxidharz, vergossen werden, das eine hohe Fließfähigkeiten an den Tag legt, und, wenn es mit einem anderen Harz gemischt wird, eine Aushärtreaktion zeigt. Wenn das der Filterung unterworfene Fluid eine stärker aktive chemische Substanz ist, wie zum Beispiel eine Säure oder ein Alkali, Alkohohl, Keton, Ester, aromatischer Kohlenwasserstoff oder ein chlorhaltiges Lösungsmittel, und wenn solche physikalischen oder mechanischen Arbeitsbedingungen, wie zum Beispiel Temperatur und Druck, rau sind, sind die Module jedoch für physikalisches und chemisches Ein dringen anfällig. Wenn das Vergussmaterial ungeeignet ist oder die Verbindungsfestigkeit gering ist, neigen die abgedichteten Teile dazu, zu reißen oder sich abzulösen. Die Filterelementmodule haben daher das Problem, dass sie den Anwendungsbereich bezüglich eines der Verarbeitung unterworfenen Fluids und des Verwendungszustands einschränken, weil sie hinsichtlich der Haltbarkeit ungenügend sind.
Die Filterelementmodule, die in JP-P-A-01-164405 und JP-P-A-01-281104 vorgeschlagen sind, um das oben genannte Problem zu lösen, sind derart, dass die abgedichteten Teile aus einem thermoplastischen Harz hergestellt sind, das entweder mit dem Material für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp identisch oder mit diesem kompatibel ist. In diesem Fall werden die Trennmembrane vom Hohlfasertyp in den abgedichteten Teilen jedoch bis zu dem Grad thermisch verschlechtert oder der Porosität beraubt, dass sie schließlich Flexibilität verlieren. Um genau zu sein, werden, während der wasserdichte Kontakt zwischen den Trennmembranen vom Hohlfasertyp und den abgedichteten Teilen an Vollendung gewinnen, die Teile der Trennmembrane vom Hohlfasertyp, die in die abgedichteten Teile eingebettet sind, bis zu einem Punkt versprödet, wo sie dazu neigen, einem chemischen und physikalischen Eindringen nachzugeben und einen Riss entwickeln. Weil die abgedichteten Teile bei den herkömmlichen Modulen keinen Platz haben, um Expansion oder Kontraktion aufzufangen, haben sie ferner das Problem, einen Riss in den abgedichteten Teilen selbst oder in den Trennmembranen vom Hohlfasertyp zu entwickeln.
US 5284584 beschreibt die Herstellung solcher Vorrichtungen durch die Extrusion geschmolzener thermoplastischer Harze als Rohrböden, die auf die Oberfläche der Hohlfasermembrane gerichtet sind. WO 9601143 beschreibt ebenfalls einen analogen Ansatz, bei dem die Temperatur des geschmolzenen Harzes oberhalb des Schmelzpunkts der Fasermembrane liegt.
Diese Erfindung ist als Ergebnis vieler Studien entwickelt worden, die zu dem Zweck betrieben wurden, die Probleme zu überwinden, unter denen, wie oben beschrieben, der Stand der Tech nik leidet. Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Filterelement bereitzustellen, das eine große Widerstandsfähigkeit besitzt, um verschiedenartigen chemischen und physikalischen Eindringen zu widerstehen.
Gemäss der Erfindung (ist) ein Verfahren (bereitgestellt), um ein Filterelement herzustellen, das umfasst
ein Bündel von asymmetrischen Trennmembranen vom Hohlfasertyp, die aus einem natürlichen oder synthetischen makromolekularen Material hergestellt sind, das eine entsprechende Schmelz- oder Zersetzungstemperatur aufweist, wobei die Membrane eine glatt Hautschicht auf einer inneren Oberfläche derselben und eine leicht unebene Trägerschicht auf einer äußeren Oberfläche derselben aufweisen, wobei das Bündel eine Öffnung in wenigstens einem Abschlussteil desselben aufweist; und
einen wasserdicht abgedichteten Teil, der aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist, das an das Bündel gebunden ist, wobei das Harz aus einem Material besteht, das eine niedrigere Schmelztemperatur als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur des makromolekularen Materials hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst:
Anordnen sowohl des makromolekularen Materials als auch des thermoplastischen Harz in einer Umgebung bei einer Schmelztemperatur, die nicht höher als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur des makromolekularen Materials ist und die höher als die Schmelztemperatur des thermoplastischen Harzes ist, so dass ein Eintritt des geschmolzenen thermoplastischen Harzes in die erwärmte, aber nicht geschmolzene leicht unebene Trägerschicht unterstützt wird;
und
Kühlen der Materialien, um diese aneinander zu binden, wodurch der wasserdicht abgedichtete Teil gebildet wird.
Die Erfindung wird besser verstanden und Aufgaben, Merkmale und Charakteristika derselben, die sich von dem oben Ausgeführten unterscheiden, werden ersichtlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung derselben berücksichtigt wird, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:
1 eine schematische Vorderansicht ist, die ein Beispiel eines Filterelements gemäß dieser Erfindung zeigt;
2 eine schematische Vorderansicht ist, die ein weiteres Beispiel eines Filterelements gemäß dieser Erfindung zeigt;
3 ein Photomikrograf ist, der den offenen Anschlussteil des Filterelements von 1 bei 100facher Vergrößerung zeigt;
4 ein Photomikrograf ist, der den offenen Anschlussteil des Filterelements von 2 bei 200facher Vergrößerung zeigt;
5 ein teilweise geschnittener Querschnitt ist, der ein Beispiel einer Kartusche zeigt, die das Filterelement von 1 aufnimmt und schützt;
6 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung ist, die darin ein weiteres Beispiel einer Kartusche des Filterelements gemäß dieser Erfindung integriert; und
7 ein teilweise geschnittener Querschnitt ist, der ein Beispiel eines Moduls zeigt, das ein weiteres Beispiel des Filterelements gemäß dieser Erfindung aufnimmt und schützt.
Das von dieser Erfindung vorgesehene Filterelement, wie in 1 oder 2 gezeigt, umfasst eine Mehrzahl von Trennmembranen 1 vom Hohlfasertyp, die aus einem makromolekularen Material hergestellt sind, und einen abgedichteten Teil 2, der aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist, um die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp in einem halbgebundenen Zustand wasserdicht abzudichten, der keine Kompatibilität mit dem makromolekularen Material an den Tag legt und eine Dauerhaftigkeit der gegenseitigen Verbindungsgrenzflächen ermöglicht.
Die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp sind geeigneter Weise solche Trennmembrane vom Hohlfasertyp, wie Umkehrosmosemembrane, Ultrafiltermembrane oder Gastrennmembrane, die eine glatte Hautschicht auf einer inneren Oberfläche derselben und eine leicht unebene (nicht glatte) Trägerschicht auf der äußeren Oberfläche derselben aufweisen. Die Trennmembrane 1 haben geeigneter Weise eine mikroporöse Textur, die Poren von einem größten Durchmesser in dem Bereich von 0,01 bis 5 μm enthalten. Das Material für die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp ist geeigneter Weise eine flexible natürliche oder synthetische makromolekulare Zusammensetzung, wie zum Beispiel Zellulose, Zelluloseester, Polysulfon, Polyethersulfon, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid oder Polyacrylonitril. Es kann von anderer Art sein, wie zum Beispiel eine nicht organische Substanz, wie Metall, Glas oder eine keramische Substanz.
Das Material für den abgedichteten Teil 2 ist geeigneter Weise ein solches thermoplastisches Harz, das bei der Schmelztemperatur desselben ein perfektes Fließvermögen zeigt. Als konkrete Beispiele des vorteilhafter Weise hier verwendeten thermoplastischen Harzes können Olefinharze, wie zum Beispiel Polyethylen und Polypropylen, Copolymere von Tetrafluorethylen mit Polyfluoracrylester, die Polyethylen und Polypropylen in der molekularen Struktur ähnlich sind (im Folgenden als "PFA" bezeichnet), und solche Harze vom Fluortyp, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (im Folgenden als "PTFE" bezeichnet) und fluoreniertes Ethylenpropylen (im Folgenden als "FEP" bezeichnet) genannt werden. Es ist wesentlich, dass dieses Material einen Schmelzpunkt kleiner als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur des Materials für die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp besitzen sollte. Vorzugsweise ist der Unterschied zwischen den genannten Temperaturen der zwei Materialien nicht kleiner als 20°C. Die Wahl des Materials für den abgedichteten Teil 2 hängt von den chemischen Eigenschaften des unter Verarbeitung befindlichen Fluids und den Verwendungsbedingungen desselben ab.
Wenn zwei geformte Gegenstände, die thermoplastische Harze als Rohmaterialien verwenden, und durch das Formverfahren, wie zum Beispiel Spritzgussformen oder Extrusionsformen, erhalten werden, thermisch miteinander verschmolzen werden, ist es im Allgemeinen wesentlich, dass deren Rohmaterialien miteinander kompatibel sein sollten. In den meisten Fällen haben die asymmetrischen Trennmembrane, wie zum Beispiel Umkehrosmosemembrane oder Ultrafiltermembrane, die eine Hautschicht und eine Trägerschicht besitzen, eine relativ glatte Hautschicht auf der inneren Oberfläche derselben und nichtsdestotrotz eine leicht unebene Trägerschicht auf der äußeren Oberfläche derselben. Die mikroporösen Präzisionsfiltermembrane weisen in vergleichbarer Weise eine leicht unebene äußere Oberfläche auf. Diese Filtermembrane vermögen daher physikalisch durchgehend wasserdicht abzudichten, aufgrund der Ankerwirkung, die von dem Eintritt des geschmolzenen Elements in die leicht unebene äußere Oberfläche hinein auch beim Fehlen einer Kompatibilität mit dem geschmolzenen Bauteil herrührt.
Indem das Rohmaterial für den abgedichteten Teil 2 selektiv geschmolzen wird und nachfolgend der abgedichtete Teil 2 gebildet wird, während eine Dauerhaftigkeit einer definierten Bindungsgrenzfläche zwischen den Trennmembranen 1 vom Hohlfasertyp und dem abgedichteten Teil 2 ermöglicht wird, anstelle ein thermoplastisches Harz zu verwenden, das mit dem Rohmaterial für die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp identisch oder mit diesen kompatibel ist, und eine gründliche gegenseitige Verschmelzung zu erreichen, können daher bei den offenen Anschlussteilen der gebündelten Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp die Verschlechterung der Teile der Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp, die in den abgedichteten Teil 2 und aufgrund des Wärmeeinflusses in die Umgebung der Basis des abgedichteten Teils eingebettet sind, auf den kleinstmöglichen Umfang verringert und gleichzeitig erreicht werden, dass die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp die inhärente Flexibilität unversehrt beibehalten. Daher ist das hergestellte Filterelement fest genug, um einem chemischen und physikalischen Eindringen zu widerstehen, und vermag eine unfehlbare Verbindung zwischen den offenen Anschlussteilen der gebündelten Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp und dem abgedichteten Teil zu gewährleisten.
Die Verfahren, die für die Herstellung des abgedichteten Teils 2 verfügbar sind, umfassen zum Beispiel (1) ein Verfahren, das umfasst, ein Gemisch zu präparieren, indem ein feines Pulver des Rohmaterials für den abgedichteten Teil 2 in Alkohohl suspendiert wird, die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp in das Gemisch eingetaucht werden, das Bündel in einer Umgebung mit einer Temperatur, die nicht höher als die Schmelztemperatur des Rohmaterials für die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp und nicht niedriger als die Schmelztemperatur des Rohmaterials für den abgedichteten Teil 2 ist, ausgehärtet wird und dann das ausgehärtete Bündel abgekühlt wird, (2) ein Verfahren, das umfasst, das Harz als das Rohmaterial für den abgedichteten Teil 2 in einem abgesenkten metallischen Formwerkzeug auf eine Temperatur zu schmelzen, die nicht höher als die Schmelztemperatur des Rohmaterials für die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp ist, die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp in die Schmelze des Rohmaterials für den abgedichteten Teil 2 einzubringen, um ein erstes Abdichten durchzuführen, die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp erneut in die Schmelze des Rohmaterials für den abgedichteten Teil 2 einzubringen, wobei die Schmelze auf einer Temperatur ist, die nicht höher als die Schmelztemperatur des Rohmaterials für die Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp 1, um ein zweites Abdichten durchzuführen, und dann das Bündel zu kühlen, und (3) ein Verfahren, das umfasst, Polyurethan oder Epoxidharz auf die gleiche Weise wie den herkömmlichen abgedichteten Teil zu schmelzen und die resultierende Schmelze des Rohmaterials für den abgedichteten Teil in eine vorgegebene Form einzubringen, während die Schmelze auf einer Temperatur ist, die nicht höher als die Schmelztemperatur des Rohmaterials für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp ist.
Die Auswirkungen, die sich durch den Unterschied von Eigenschaften der Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp beim Einbringen der Trennmembrane 1 vom Hohlfasertyp in die Schmelze eines thermoplastischen Harzes als das Rohmaterial für den abgedichteten Teil ergeben, sind unten unter Bezug auf die unten gezeigten Tabellen beschrieben.
Die flexible Verformung an dem freien Ende der Trennmembrane vom Hohlfasertyp unter ihrem eigenen Gewicht, wenn sie in Form eines Auslegers abgestützt sind, ist in Tabelle 1 gezeigt.
Das Verhältnis zwischen der Bruchfestigkeit der Trennmembrane vom Hohlfasertyp und dem Beschädigungszustand durch Einbringen der semipermeablen Membrane vom Hohlfasertyp ist in Tabelle 2 gezeigt.
Aus den oben angegebenen Ergebnissen ist es klar, dass die Anschlussteile der Trennmembrane vom Hohlfasertyp in einem perfekten Zustand in das thermoplastische Harz eingebracht werden können, wenn die Trennmembrane vom Hohlfasertyp unter ihrem eigenen Gewicht eine flexible Verformung von nicht mehr als 65 mm und eine Bruchfestigkeit von nicht weniger als 60 gf/Membran aufweisen. Die zu verwendenden Bedingungen zum Einbringen, wenn die flexible Verformung unter Gewicht 65 mm beträgt und die Bruchfestigkeit 60 gf/Membran beträgt, sind 50.000 bis 500.000 cp der Viskosität des thermoplastischen Harzes, eine Einbringgeschwindigkeit von 0,05 bis 5 mm/min und nicht weniger als 20°C als Unterschied zwischen den Schmelzpunkten des thermoplastischen Harzes und der Trennmembrane vom Hohlfasertyp.
Es ist daher geeignet, semipermeable Membrane 1 vom Hohlfasertyp einer Qualität zu wählen, so dass die flexible Verformung unter Gewicht nicht mehr als 65 mm an dem freien Ende eines 150 mm langen Auslegers beträgt und dass die Bruchfestigkeit nicht weniger als 60 gf/Membran beträgt.
Nun ist beispielshalber ein Verfahren für die Herstellung eines Filterelements, das die oben genannten Bedingungen erfüllt, im Folgenden beschrieben.
Trennmembrane vom Hohlfasertyp in einer Länge von 150 mm, die Polypropylenharz als das Rohmaterial verwenden und unter Gewicht eine flexible Verformung von 30 mm an dem freien Ende eines Auslegers und eine Bruchfestigkeit von 160 gf/Membran zeigen, werden so gebündelt, dass das Verhältnis des Querschnitts des abgedichteten Teils zu dem gesamten Querschnitt der gebündelten Trennmembrane vom Hohlfasertyp in den Bereich von 30 bis 65 % fallen kann, und die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane vom Hohlfasertyp werden abgedichtet.
Das Polyethylenharz als das Rohmaterial für den abgedichteten Teil wird bei einer Temperatur geschmolzen, die nicht höher als die thermische Schmelztemperatur oder die Zersetzungstemperatur des Polypropylenharzes als das Rohmaterial für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp ist und nicht niedriger als die Schmelztemperatur des Polyethylenharzes ist, und die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane vom Hohlfasertyp werden in die resultierende Schmelze eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt hat das Polyethylenharz eine Schmelzviskosität in dem Bereich von 50.000 bis 500.000 cp und die Trennmembrane vom Hohlfasertyp werden mit einer Rate in dem Bereich von 0,05 bis 5 mm/min eingebracht.
Nachfolgend wird das geschmolzene Polyethylenharz allmählich gekühlt und bei einer Temperatur von etwa 20°C niedriger als der Schmelzpunkt des Polyethylenharzes verfestigt, um einen abgedichteten Teil in einem halbgebundenen Zustand zu bilden, der keine perfekte Kompatibilität mit den Trennmembranen vom Hohlfasertyp zeigt und eine Dauerhaftigkeit einer klaren Bindungsgrenzfläche dazwischen zulässt. Dann werden die offenen Anschlussteile des Bündels einer Mehrzahl von Trennmembranen vom Hohlfasertyp, die in dem abgedichteten Teil wasserdicht abgedichtet sind, geöffnet, indem die vorderen Enden des abgedichteten Teils abgeschnitten oder thermisch geschmolzen werden.
Nun werden Betriebsbeispiele des Filterelementmoduls gemäß dieser Erfindung unten im einzelnen in Verbindung mit Vergleichsexperimenten beschrieben.
Vergleichsexperiment 1
Ein Filterelementmodul wurde hergestellt, indem 590 aus Polypropylen hergestellte Trennmembrane vom Hohlfasertyp mit einem maximalen Porendurchmesser von 0,1 μm, einem äußeren Durchmesser von 400 μm und einem inneren Durchmesser von 250 μm gebündelt wurden, das Bündel in eine äußere, aus Polycarbonat hergestellte Röhre eingebracht wurde und ein aus Polyurethan hergestellter, abgedichteter Teil durch das herkömmliche zentrifugale Gießverfahren hergestellt wurde. Dann wurde dieses Filterelement für 100 Tage bei Zimmertemperatur in Isopropylalkohol eingetaucht gehalten, für 48 Stunden bei 60°C getrocknet, erneut in Isopropylalkohol eingetaucht und durch das Standardverfahren für die Ermittlung des Blasenpunkts überprüft. Die Überprüfung konnte nicht vorgenommen werden, weil sich der abgedichtete Teil aus Polyurethan und die äußere Röhre aus Polycarbonat entlang der Bindungsgrenzfläche trennten.
Vergleichsexperiment 2
Ein Filterelementmodul wurde hergestellt, indem 800 aus Polysulfon hergestellt Trennmembrane vom Filtertyp mit einem maximalen Porendurchmesser von 0,1 μm, einem äußeren Durchmesser von 450 μm und einem inneren Durchmesser von 300 μm gebündelt wurden, das Bündel in eine äußere, aus Polycarbonat hergestellte Röhre eingebracht wurde und ein Epoxidharz hergestellter, abgedichteter Teil durch das herkömmliche zentrifugale Gießverfahren hergestellt wurde. Dann wurde dieses Modul für zwei Wochen bei 60°C in einer wässrigen alkalischen Reinigungslösung mit pH12 eingetaucht gehalten, mit Wasser gereinigt und zur Ermittlung des Blasenpunkts mit Wasser überprüft. Die Überprüfung konnte nicht durchgeführt werden, weil sich der abgedichtete Teil aus Epoxidharz und die äußere Röhre aus Polycarbonat entlang der Bindungsgrenzfläche trennten.
Vergleichsexperiment 3
Ein Versuch, ein Filterelementmodul gemäss dem in JP-P-A-01-164405 offenbarten Verfahren herzustellen, indem 600 aus Poly propylen hergestellte Trennmembrane vom Hohlfasertyp mit einem maximalen Porendurchmesser von 0,1 μm, einem äußeren Durchmesser von 400 μm und einem inneren Durchmesser von 250 μm gebündelt werden, eine Mischung zubereitet wird, indem feines Pulver aus Polypropylen in Methylalkohol suspendiert wird, das Gemisch auf die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane vom Hohlfasertyp aufgetragen wird, das Bündel in eine äußere, aus Polypropylen hergestellte Röhre eingebracht wird und ein abgedichteter Teil hergestellt wird, indem die Umgebung der offenen Anschlussteile der Trennmembrane vom Hohlfasertyp bei 180°C lokal erwärmt werden, schlug fehl, weil die Umgebung der Basis des abgedichteten Teils der Trennmembrane vom Hohlfasertyp geschmolzen wurde und gleichzeitig die Teile der Trennmembrane vom Hohlfasertyp, die in den abgedichteten Teil eingebettet sind, geschmolzen und vollständig aufgelöst wurden.
Die Herstellung eines Filterelementmoduls, das einem chemischen und physikalischen Eindringen zu widerstehen vermag, indem ein thermoplastisches Harz als das Material für den abgedichteten Teil verwendet wird, der in den offenen Anschlussteilen der gebündelten Trennmembrane vom Hohlfasertyp ausgebildet ist, wurde als teilweise in JP-P-A-01-164405 offenbart aufgefasst. Wie bei den Vergleichsexperimenten gezeigt, vermochte die Maßnahme, die darin besteht, als das Material für einen abgedichteten Teil ein thermoplastisches Harz nur wegen der Kompatibilität desselben mit den Trennmembranen vom Hohlfasertyp zu verwenden und dieses thermoplastische Harz thermisch zu schmelzen, tatsächlich den abgedichteten Teil nur mit einem Harz sehr schlechten Fließvermögens bei dem Schmelzpunkt auch dann zu bilden, wenn das Material für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp ein solches thermoplastisches Harz, wie PTFE, war, weil die Umgebung der Basis des abgedichteten Teils der Trennmembrane vom Hohlfasertyp und der in den abgedichteten Teil eingebettete Teil dazu neigten, zu schmelzen und sich zu zersetzen.
Beispiel 1
Ein Filterelementmodul wurde hergestellt, indem 620 aus Polypropylen hergestellte Trennmembrane vom Hohlfasertyp mit einem maximalen Porendurchmesser von 0,1 μm, einem äußeren Durchmesser von 400 μm und einem inneren Durchmesser von 250 μm gebündelt wurden, das Bündel in eine äußere, aus einem Polyethylen geringer Dichte hergestellte Röhre eingebracht wurde, ein Gemisch präpariert wurde, indem das Rohmaterial für einen abgedichteten Teil in Ethylalkohol dispergiert wurde, das Gemisch in die gegenüber liegenden offenen Anschlüsse der äußeren Röhre eingespritzt wurde, die so präparierte äußere Röhre in einem Ofen bei 120°C für 12 Stunden ausgehärtet wurde und die ausgehärtete äußere Röhre in dem Ofen belassen und dann gekühlt wurde. Dieses Modul wurde für 120 Tage bei Zimmertemperatur in Isopropylalkohol eingetaucht gehalten, für 48 Stunden bei 60°C getrocknet, erneut in Isopropylalkohol eingetaucht und hinsichtlich des Blasenpunkts überprüft. Es wurde folglich festgestellt, dass es einen Blasenpunktwert von 3,4 kg/cm² hat, ein normales Niveau.
Beispiel 2
Ein Filterelement wurde hergestellt, indem 780 aus Polysulfon hergestellte Trennmembrane vom Hohlfasertyp mit einem maximalen Porendurchmesser von 0,1 μm, einem äußeren Durchmesser von 450 μm und einem inneren Durchmesser von 300 μm gebündelt wurden, das Bündel in eine äußere, aus Polyethylen hoher Dichte hergestellte Röhre eingebracht wurde, das Polyethylen hoher Dichte bei 140°C in einem abgesenkten Metallformgebungswerkzeug vorab geschmolzen wurde, die offenen Anschlussteile der gebündelten Trennmembrane vom Hohlfasertyp in die Schmelze aus Polyethylen hoher Dichte eingebracht wurden und die benetzten offenen Anschlussteile allmählich abgekühlt wurden. Dann wurde dieses Modul für 15 Tage bei 60°C in einer wässrigen alkalischen Reinigungslösung mit einem pH von 12 eingetaucht gehalten, mit Wasser gereinigt und hinsichtlich des Blasenpunkts überprüft. Es wurde folglich festgestellt, dass es einen Blasenpunktwert von 3,8 kg/cm² hat, ein normales Niveau.
Beispiel 3
Ein Filterelementmodul wurde hergestellt, indem 50 aus Polysulfon hergestellte Ultrafiltermembrane mit einem äußeren Durchmesser von 1200 μm und einem inneren Durchmesser von 700 μm gebündelt wurden, das Bündel in eine äußere, aus Polypropylen hergestellte Röhre eingebracht wurde, das Rohmaterial für einen abgedichteten Teil in der Form eines Gemischs präpariert wurde, das ein feines in Ethylalkohol dispergiertes Pulver aus Propylen aufweist, vorbereitet wurde, die offenen Anschlussteile der Trennmembrane vom Hohlfasertyp in das Gemisch eingebracht wurden, nur die offenen Anschlussteile für 12 Stunden in einem Ofen bei 180°C erwärmt wurden und die warmen Anschlussteile allmählich in dem Ofen abgekühlt wurden. Dieses Modul wurde für sechs Wochen bei Zimmertemperatur in einer 5 % wässrigen verdünnten Hydrochlorsäurelösung eingetaucht gehalten, mit Wasser gereinigt und hinsichtlich einer Leckage mittels des Standardverfahrens überprüft, pneumatischen Druck ausgehend von der Primärseite auf das Modul auszuüben, während das Modul in Wasser eingetaucht wird. Es wurde folglich festgestellt, dass es keine Leckage aufweist.
Die Filterelemente, die hergestellt wurden, indem eine natürliche oder synthetische makromolekulare Zusammensetzung als das Rohmaterial für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp und ein thermoplastisches Harz als das Rohmaterial für einen abgedichteten Teil verwendet werden, die Temperatur für die Bildung des abgedichteten Teils auf einem Niveau festgelegt wurde, das nicht höher als die thermische Schmelztemperatur oder die Zersetzungstemperatur des Rohmaterials für die Bildung von Trennmembrane vom Hohlfasertyp ist und nicht niedriger als die thermische Schmelztemperatur des aus dem thermoplastischen Harz hergestellten, abgedichteten Teils ist, und die Trennmembrane vom Hohlfasertyp und der abgedichtete Teil in einen halbgebundenen Zustand gebracht wurden, der die Dauerhaftigkeit einer klaren Bindungsgrenzfläche dazwischen unter Bedingungen zulässt, so dass die physikalischen Eigenschaften der Teile der Trennmembrane vom Hohlfasertyp, die in den abgedichteten Teil eingebettet sind, und die freigelegten Teile derselben im Wesentlichen nicht variiert wurden, waren fest genug, einem chemischen oder physikalischen Eindringen zu widerstehen, wenn mit den Filterelementen verglichen, die durch das herkömmliche Verfahren hergestellt werden, das einen aus Polyurethan und Epoxidharz hergestellten, abgedichteten Teil verwendet.
Nun werden konkrete Beispiele der Kartuschen eines Filterelements und des Moduls desselben gemäss der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im folgenden beschrieben.
5 ist ein teilweise geschnittener Querschnitt, der ein Beispiel einer Kartusche eines Filterelements gemäss dieser Erfindung zeigt. In dem Diagramm steht 1 für semipermeable Membrane vom Hohlfasertyp, die aus einer natürlicher oder synthetischer makromolekularer Zusammensetzung hergestellt sind, 2 für einen abgedichteten Teil, der aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist, das eine Schmelztemperatur hat, die nicht höher als der thermische Schmelzpunkt oder die Zersetzungstemperatur des Rohmaterials für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp ist, 3 für ein Gehäuse, um ein Bündel einer Mehrzahl von semipermeablen Membrane 1 vom Hohlfasertyp unterzubringen und zu schützen, 3a für den Hauptkörper des Gehäuses, 3, 3b und 3c jeweils für die Kappe des Gehäuses 3 und 4 für einen O-Ring. Der abgedichtete Teil 2 dichtet die offenen Anschlussteile der gebündelten semipermeablen Membrane 1 vom Hohlfasertyp wasserdicht ab und haftet gleichzeitig wasserdicht durch Verschmelzen an der Innenwandoberfläche des offenen Anschlussteils des Hauptkörpers 3a des Gehäuses 3.
6 ist eine schematische Vorderansicht, die eine Vorrichtung zeigt, die ein weiteres Beispiel einer Kartusche eines Filterelements gemäß dieser Erfindung darin integriert. In dem Diagramm steht 5 für eine Kartusche eines Filterelements, 6 für einen Auslass für Fluid, 7 für einen Einlass für das Fluid, 8 für ein Gehäuse, 9 für ein Klemmband und 10 für ein Ventil zur Entlüftung.
7 ist ein teilweise geschnittener Querschnitt, der ein Beispiel eines Moduls eines Filterelements gemäß dieser Erfindung zeigt. In dem Diagramm steht 11 für semipermeable Membrane vom Hohlfasertyp, die aus einer natürlicher oder synthetischer makromolekularer Zusammensetzung hergestellt sind, 12 für einen abgedichteten Teil, der aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist, das eine Schmelztemperatur hat, die nicht höher als die thermische Schmelztemperatur oder die Zersetzungstemperatur des Rohmaterials für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp ist, 13 für ein Gehäuse, um ein Bündel einer Mehrzahl der semipermeablen Membrane 11 vom Hohlfasertyp unterzubringen und zu schützen, 13a für den Hauptkörper des Gehäuses 13, 13b und 13c jeweils für die Kappe für das Gehäuse, 13, 14 für einen O-Ring, 15 für ein Einlass für ein Fluid und 16 für einen Auslass für das Fluid. Der abgedichtete Teil 12 dichtet die offenen Anschlussteile der gebündelten semipermeablen Membrane 11 vom Hohlfasertyp wasserdicht ab und haftet gleichzeitig wasserdicht durch Verschmelzen an der Innenwandoberfläche des offenen Anschlussteils des Hauptkörpers 13a und des Gehäuses 13.
Aus der obigen Beschreibung ist es klar zu erkennen, dass, weil das Filterelement gemäß dieser Erfindung den abgedichteten Teil desselben in einem halbgebundenen Zustand mit den Trennmembranen vom Hohlfasertyp ausgebildet aufweist und folglich eine Dauerhaftigkeit einer Bindungsgrenzfläche dazwischen zulässt, die Trennmembrane vom Hohlfasertyp hinsichtlich eines chemischen und physikalischen Eindringens starken Widerstand bieten, ohne auf die inhärenten physikalischen Eigenschaften zu verzichten und ohne Möglichkeit, durch die Wärme aufgelöst oder verschlechtert zu werden, die während der Bildung der abgedichteten Teile verwendet wird. Ferner ist der abgedichtete Teil verschiedenen Fluiden gewachsen, weil das Rohmaterial für diesen nicht auf eine Substanz eingeschränkt ist, die mit dem Rohmaterial für die Trennmembrane vom Hohlfasertyp identisch oder mit diesen kompatibel ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Filterelements, wobei das Filterelement umfasst: ein Bündel von asymmetrischen Trennmembranen (1) vom Hohlfasertyp, die aus einem natürlichen oder synthetischen markomolekularen Material hergestellt sind, das eine entsprechende Schmelz- oder Zersetzungstemperatur aufweist, wobei die Membrane eine glatte Hautschicht auf einer inneren Oberfläche derselben und eine leicht unebene Trägerschicht auf einer äußeren Oberfläche derselben aufweisen, wobei das Bündel in wenigstens einem Anschlussteil desselben eine Öffnung aufweist; und einen wasserdicht abgedichteten Teil (2), der aus einem thermoplastischen Harz hergestellt ist, das an das Bündel gebunden ist, wobei das Harz aus einem Material besteht, das eine niedrigere Schmelztemperatur als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur des makromolekularen Materials hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Anordnen sowohl des makromolekularen Materials als auch des thermoplastischen Harzes in einer Atmosphäre bei einer Schmelztemperatur, die nicht höher als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur des makromolekularen Materials ist und die höher als die Schmelztemperatur des thermoplastischen Harzes ist, so dass ein Eintritt des geschmolzenen thermoplastischen Harzes in die erwärmte, aber nicht geschmolzene leicht unebene Trägerschicht unterstützt wird; und Kühlen der Materialien, um diese aneinander zu binden, wodurch der wasserdicht abgedichtete Teil (2) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schmelzpunkt des thermoplastischen Harzes nicht weniger als 20 Grad Celsius kleiner als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur des makromolekularen Materials ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend, das thermoplastische Harz als Gemisch vorzubereiten und das Gemisch mit den hohlen Fasermembranen vor dem Erwärmen zu kontaktieren.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, das Faserbündel in eine äußere Röhre einzubringen und das Gemisch mit den Fasern in Verbindung zu bringen, indem die Paste durch die äußeren Röhrenenden eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die asymmetrischen Membrane Umkehrosmosemembrane sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die asymmetrischen Membrane Ultrafiltermembrane sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die asymmetrischen Membrane Gastrennungsmembrane sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Trennmembrane vom Hohlfasertyp mikroporöse Trennmembrane vom Hohlfasertyp sind, die Poren eines größten Durchmessers in dem Bereich von 0,01 bis 5 μm enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das makromolekulare Material ein Mitglied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zellulose, Zelluloseester, Polysulfon, Polyethersulfon, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid und Polyacrylonitril besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem das thermoplastische Harz ein Mitglied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem polyolefinartigen Harz, einem Copolymer von Tetrafluorethylen mit Polyfluorakylethern und einem fluorartigen Harz besteht.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das polyolefinartige Harz ein Mitglied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen und Polypropylen besteht.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das fluorartige Harz ein Mitglied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polytetrafluorethylen und fluoriniertem Ethylenpropylen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei dem die Trennmembrane vom Hohlfasertyp eine Länge von 150 mm aufweisen, eine Durchbiegung von nicht mehr als 65 mm an einem freien Ende derselben unter ihrem eigenen Gewicht an den Tag legen, wenn sie in der Art eines Auslegers gehalten sind, und eine Bruchfestigkeit von nicht weniger als 60 gf/Membran zeigen.