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Die
Erfindung betrifft eine halbdurchlässige Kapillare, die eine röhrenförmige halbdurchlässige Wand
aus membranbildendem Material umfasst.
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Eine
solche halbdurchlässige
Kapillare ist in DE-A-22 36 226 offenbart. Darin wird eine Kapillare beschrieben,
die vollständig
aus einer gesponnenen Polymerlösung
besteht. Diese gesponnene Polymerlösung wird mit einer Koagulierflüssigkeit
in Kontakt gebracht. Je nach Fließrichtung der Koagulierflüssigkeit
durch die Wand wird auf der Innen- oder Außenseite eine sehr dichte Haut
gebildet, während
auf der anderen Seite eine poröse
Struktur gebildet wird. Die dichte Haut dient als halbdurchlässige Membranschicht,
und die poröse
Struktur als Stützmaterial.
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Ein
Nachteil dieser bekannten Kapillare ist, dass sie aufgrund des Fehlens
einer Verstärkung schwach
ist. Aufgrund dessen kann die halbdurchlässige Wand schnell beschädigt werden.
Um eine derartige Kapillare stärker
zu machen, kann die Wanddicke vergrößert werden, wobei dies jedoch
den Flusswiderstand merklich erhöht,
wodurch sich die Filtrationseigenschaften beträchtlich mindern.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verstärkte röhrenförmige halbdurchlässige Kapillare
bereitzustellen, bei der diese Nachteile beseitigt sind.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel gemäß Anspruch
1 dadurch erreicht, dass die Kapillare des Weiteren eine röhrenförmige Verstärkungsschicht aufweist,
die aus wenigstens einem länglichen
Band besteht, das zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeitet ist und bei dem wenigstens die Längskanten einander überlappen,
wobei die Verstärkungsschicht gleichzeitig
mit der Wand und den einander überlappenden
Bandabschnitten verbunden ist, die durch das membranbildende Material
zusammengefügt sind.
Die Kapillare umfasst daher vorteilhaft eine durch eine Verstärkungsschicht
verstärkte
halbdurchlässige
Wand. Um eine bestimmte Festigkeit zu erreichen, kann die Wanddicke
vorteilhaft gering bleiben, wodurch die Filtrationseigenschaften
hoch bleiben. Zusätzlich
zum Ausbilden der verstärkten
halbdurchlässigen
Wand hat das membranbildende Material noch eine andere Funktion,
nämlich,
die einander überlappenden
Bandabschnitte miteinander zu verbinden. Die erfindungsgemäße Kapillare
ist billig und schnell und einfach herzustellen.
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Das
Band der halbdurchlässigen
Kapillare gemäß der Erfindung
hat einen offenen zusammenhängenden
Aufbau, der vorzugsweise vollständig
im membranbildenden Material eingebettet ist. Der offene zusammenhängende Aufbau
der Verstärkungsschicht
dient als Verstärkung
des membranbildenden Materials. Die Verstärkungsschicht ist vollständig im membranbildenden
Material verankert, und aufgrund dessen ist die Verbindung zwischen
der Verstärkungsschicht
und der Wand sehr stark. Im Falle einer Verformung der Kapillare
löst sich
die Wand nicht schnell von der Verstärkungsschicht ab und wird nicht
schnell beschädigt.
Die starke Verbindung ist insbesondere beim Rückspülen im Gegenfluss vorteilhaft,
um die Kapillare zu reinigen, da die Flussrichtung der halbdurchlässigen Wand
und der Verstärkungsschicht
dann umgekehrt zur Einsatz-Flussrichtung
ist. Das Bandmaterial kann beispielsweise aus einem Streifen Fließmaterial,
gewebtem, gewirktem, oder geflochtenem Material bestehen.
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Da
erfindungsgemäß wenigstens
die Längskanten
des Bandes oder Bänder,
die in die röhrenförmige Gestalt
umgearbeitet sind, einander überlappen,
ist die Verbindung zwischen den einander überlappenden Bandabschnitten
vorteilhaft durch das membranbildende Material selbst ausgebildet.
Das Kleben oder Schweißen
der einander überlappenden Bandabschnitte
ist bei Kapillaren praktisch unmöglich,
da der zu diesem Zweck benötigte
Amboss, der in der röhrenförmigen Verstärkungsschicht
untergebracht sein muss, im Falle solch kleiner Röhrendurchmesser
eine zu geringe Masse hätte.
Außerdem
würde Kleben
oder Schweißen
die Produktionsgeschwindigkeit deutlich verlangsamen. Außerdem ist
im Falle der erfindungsgemäßen Verbindung
die Verbindungsnaht selbst auch halbdurchlässig, wodurch die wirksame
halbdurchlässige
Membranoberfläche
optimal bleibt und die Möglichkeit
gegeben wird, die Verbindungsnaht in breiter Form herzustellen,
um eine starke Verbindung zu erhalten. Dies steht im Gegensatz zu
Klebe- oder Schweißnähten, die
gewöhnlich
undurchlässig
sind und daher so schmal wie möglich
gehalten werden. Vorteilhaft ist der innere Durchmesser der Kapillare
kleiner oder gleich 5 mm. Daher kann für jeden m3 Volumen
eine sehr große
verstärkte
halbdurchlässige
Wandoberfläche
erhalten werden.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass GB-A-2 289 634 eine gestützte röhrenförmige halbdurchlässige Membran
offenbart. In diesem Fall umfasst die Membran eine röhrenförmige Stützschicht
aus einem Polyester-Fließmaterial
und eine daran aufgebrachte dünne
Membranschicht. In dieser Struktur ist die röhrenförmige Stützschicht aus einem länglichen
Band ausgebildet, wobei die Längskanten
mit Ultraschall-Schweißen
aneinander geschweißt
sind. In diesem Fall geht es nicht um eine Kapillare, und die in
dieser Schrift beschriebene Technik kann nicht einfach auf Kapillaren
angewandt werden.
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Des
Weiteren wird darauf hingewiesen, dass JP-A-54089980 und JP-A-54087681
röhrenförmige halbdurchlässige Membranen
offenbaren, bei denen ein membranbildendes Material in einem ersten Schritt
imprägniert
und koaguliert wird, während
in einem zweiten Schritt membranbildendes Material auf Bandkanten-Abschnitten
bereitgestellt wird, um sie zusammenzufügen. Dieses zweistufige Verfahren führt jedoch
an der Verbindungsstelle zu einer Diskontinuität.
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Des
Weiteren wird darauf hingewiesen, dass JP-A-55129108 und EP-A-0
362 917 röhrenförmige Membranen
offenbaren, die aus zwei Schichten aus verstärkenden Materialien ausgebildet
werden, die mit einem Material zusammengebondet sind, das auch eine
durchlässige
Membran bildet. Die beiden Schichten aus verstärkenden Materialien sind jedoch bereits
röhrenförmig, wenn
sie zusammengebondet werden.
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Die Überlappung
gemäß der vorliegenden Erfindung
ist größer oder
gleich 90°.
Daher wird zwischen den einander überlappenden Bandabschnitten eine
sehr starke Verbindung erreicht. Indem die Überlappung sogar noch größer gemacht
wird, insbesondere größer oder
gleich 360°,
wird nicht nur eine sehr starke Verbindung, sondern auch eine sehr steife
röhrenförmige Verstärkungsschicht
hervorgebracht, die aus einer Vielzahl von Schichten besteht.
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Es
ist auch möglich,
die halbdurchlässige Wand
mit einer obersten Schicht bereitzustellen, die Nanofiltrations-
und/oder Umkehrosmose-Eigenschaften aufweist. Ein mögliches
Verfahren hierfür besteht
darin, die halbdurchlässige
Kapillare wie oben beschrieben mit einer wässrigen Lösung eines angemessen gewählten Amins
zu befeuchten, worauf die Kapillare in Kontakt mit einem angemessen ausgewählten Säurechlorid
gebracht wird, das in einem organischen, nicht mit Wasser mischbaren
Lösungsmittel
wie beispielswei se Hexan gelöst
ist, um so eine oberste Schicht aus Polyamid zu bilden, die mittels
Grenzflächenpolimerisation
Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrations-Eigenschaften aufweist. Auf diese
Weise wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der verstärkten halbdurchlässigen Kapillare
erhalten, die es vermag, den während
der Nanofiltration oder der Umkehrosmose herrschenden Drücken standzuhalten.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer halbdurchlässigen Kapillare
gemäß einem
der Ansprüche
45, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
gemäß einem
der Ansprüche
6–8.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen näher
beschrieben, wobei:
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1 eine
Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer halbdurchlässigen Kapillare
gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine 1 entsprechende
Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
ist;
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3 eine 1 entsprechende
Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
ist;
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4 eine 1 entsprechende
Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
ist;
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5 diagrammatisch
eine Vorrichtung zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt;
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6 ein
Detail einer Variante der in 5 dargestellten
Vorrichtung in Vergrößerung darstellt.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße halbdurchlässige Kapillare,
die eine röhrenförmige Verstärkungsschicht
aufweist, die an der Innenseite eine aus membranbildendem Material
bestehende halbdurchlässige
Wand 2 aufweist. Die Verstärkungsschicht hat einen offenen,
zusammenhängenden Aufbau
und ist durch ein zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeitetes Band 1 gebildet. Das zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeitete Band 1 überlappt
sich über
einen Winkel von ungefähr
90° mit sich
selbst. Erfindungs gemäß ist der
offene zusammenhängende
Aufbau der Verstärkungsschicht
vollständig
in dem membranbildenden Material eingebettet, aus dem auch die halbdurchlässige Wand 2 ausgebildet
ist. Aufgrund der Einbettung werden nicht nur die Kapillare verstärkt und
eine starke Verbindung zwischen der Verstärkungsschicht und der halbdurchlässigen Wand 2 gebildet,
sondern es wird auch vorteilhaft gleichzeitig eine Verbindung zwischen
den einander überlappenden
Bandabschnitten geschaffen. Die halbdurchlässige Wand bildet daher mit
der Verstärkungsschicht
eine kontinuierliche Phase, mit dem Ergebnis, dass eine verstärkte Kapillare erhalten
wird.
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2 zeigt
eine der Kapillare aus 1 ähnliche Kapillare. Die Verstärkungsschicht
wird wieder aus einem zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeiteten Band 3 ausgebildet. Die Überlappung beträgt nun jedoch
ungefähr
360°, und
die halbdurchlässige
Wand 4 ist an der Außenseite
bereitgestellt. Aufgrund der großen Überlappung besteht die Verstärkungsschicht über den
gesamten Bereich aus zwei Schichten. Der offene zusammenhängende Aufbau
der Verstärkungsschicht
ist wiederum im membranbildenden Material eingebettet. So werden
eine sehr steife Kapillare und eine sehr starke Verbindung zwischen
den einander überlappenden Bandabschnitten
erzielt.
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Bei
der in 3 dargestellten Variante wird die Verstärkungsschicht
durch zwei Bänder 5, 6 gebildet,
die zusammen zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeitet wurden. Dieses Mal ist die halbdurchlässige Wand 7 an
der Außenseite
bereitgestellt. Die Überlappung
zwischen den beiden Bändern 5, 6 beträgt wiederum
ungefähr
90° für die beiden
Längskanten.
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4 zeigt
eine ähnliche
Kapillare wie diejenige in 3. Die Verstärkungsschicht
ist wiederum aus zwei zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeiteten Bändern 8, 9 ausgebildet.
Die Überlappung
ist nun jedoch vollständig,
und die halbdurchlässige Wand 10 ist
an der Innen- und Außenseite
bereitgestellt. Genau wie in 2 besteht
die Verstärkungsschicht über den
gesamten Abschnitt hinweg aus zwei Schichten.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele
der in den 1–4 gezeigten
Kapillare beschränkt.
Die Überlappung
kann beispielsweise kleiner oder größer sein, sollte jedoch größer oder gleich
90° sein.
Die Verstärkungsschicht
kann auch aus mehr als zwei Bändern
ausgebildet sein.
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Das
membranbildende Material besteht im Besonderen aus einer Polymerlösung, die
in einer Koagulierflüssigkeit
wie beispielsweise Wasser koaguliert, kann jedoch auch beispielsweise
aus einem Öl
enthaltenden Polymer bestehen, das aufgrund einer Temperaturverringerung
koaguliert. Die Polymerlösung
kann aus Polysulfon, Polyvinlyidenfluorid, Polyethersulfon oder
Polyacrylnitril, oder jedem anderen zum Ausbilden einer halbdurchlässigen Wand geeigneten
Polymer ausgebildet sein. Die Verstärkungsschicht ist aus mindestens
einem zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeiteten Band ausgebildet und kann aus einem Faserfließ-Material,
einem gewirkten Material, einem gewebten Material, oder einem geflochtenen
Material, oder jeglichem anderen zum Ausbilden der Verstärkungsschicht
geeigneten Material bestehen, das einen offenen zusammenhängenden
Aufbau hat. Der innere Durchmesser der Kapillaren gemäß der Erfindung
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 mm um 5 mm.
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5 zeigt
eine Vorrichtung, die zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen verstärkten halbdurchlässigen Kapillare,
bei der die Verstärkungsschicht
aus einem zu einer röhrenförmigen Gestalt
umgearbeiteten Band ausgebildet ist, das einen offenen zusammenhängenden
Aufbau aufweist, in einer Durchlaufanlage geeignet ist. In der Vorrichtung
wird Band 11 durch eine Formkammer 12 hindurchgeführt. Das
längliche
Band 11 wird von einer Rolle zugeführt, und wird in 5 oben
in Seitenansicht, das heißt,
entlang den Längskanten betrachtet,
dargestellt. Die Formkammer 12 umfasst einen konischen
Teil 13 und einen röhrenförmigen Teil 14.
Da das Band im konischen Teil 13 nach unten bewegt wird,
der immer schmaler wird, wird das anfänglich flache Band 11 in
röhrenförmige Gestalt
aufgerollt. Das Band 11 wird so in röhrenförmige Gestalt aufgerollt, dass
zumindest seine Längskanten
einander überlappen.
Während
des Aufrollens wird das Band 11 mit einem membranbildenden
Material 20 imprägniert.
Da diese Imprägnierung
zur selben Zeit stattfindet wie das Aufrollen, wird im Besonderen
das sich zwischen den einander überlappenden Bandabschnitten
befindliche membranbildende Material durch die offene zusammenhängenden
Struktur gezwängt,
mit dem Ergebnis, dass letztere damit gut und vollständig imprägniert ist.
Der konische Teil 13 ist zu diesem Zweck mit einem membranbildenden Material 20 gefüllt, das über eine
Leitung 21 zugeführt
wird. Vorteilhaft agiert das membranbildende Material 20 während des
Aufrollens des Bandes 11 als ein Schmiermittel. Die so
ausgebildete und mit membranbildendem Material imprägnierte
röhrenförmige Verstärkungsschicht wird
dann durch den röhrenförmigen Teil 14 geführt und
darin mit einer Koagulierflüssigkeit 25 in
Kontakt gebracht. Im Ergebnis koaguliert das membranbildende Material 20,
und je nach den Abmessungen des konischen Teils 13 und des
röhrenförmigen Teils 14 wird
auf der Innen- und/oder Außenseite
der röhrenförmigen Verstärkungsschicht
eine halbdurchlässige
Wand gebildet. Zusätzlich
wird zwischen den einander überlappenden
Bandabschnitten des Bands 11 eine sehr starke Verbindung
hergestellt, weil das membranbildende Material 20, das
sich in dem offenen zusammenhängenden
Aufbau des Bands 11, im Besonderen an der Stelle befindet,
wo die Bandabschnitte einander überlappen,
aushärtet.
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Bei
der in 5 gezeigten Vorrichtung wird die halbdurchlässige Wand
im Wesentlichen auf der Innenseite der röhrenförmigen Verstärkungsschicht bereitgestellt.
Dies wird herbeigeführt,
weil der innere Durchmesser dtube des röhrenförmigen Teils 14 dieselbe
Größe hat wie
der kleinste innere Durchmesser Dc,min des
konischen Teils 13. Das in röhrenförmiger Gestalt in dem den genannten
kleinsten Durchmesser zu bildenden konischen Teil 13 aufgerollte
Band 11 liegt im Ergebnis mit seiner Außenseite im Wesentlichen gegen
die innere Wand des röhrenförmigen Teils 14.
Aufgrund dessen bleibt an der Außenseite der röhrenförmigen Verstärkungsschicht
wenig oder gar kein Raum frei, wodurch die Bildung einer ungebrochenen
halbdurchlässigen
Schicht an dieser Stelle verhindert wird. Außerdem wird die Koagulierflüssigkeit 25 zunächst auf
der Innenseite der mit membranbildendem Material imprägnierten
röhrenförmigen Verstärkungsschicht
zugeführt.
Dies geschieht über
eine Leitung 26, die sich von konischen Teil 13 in
den oberen Teil des konischen Teils 14, und im Besonderen
bis in die geformte röhrenförmige Verstärkungsschicht
hinein erstreckt. Die Dicke der auszubildenden halbdurchlässigen Wand
ergibt sich aus der Differenz zwischen dem äußeren Durchmesser der Leitung 26 und
dem inneren Durchmesser der im konischen Teil 13 gebildeten
röhrenförmigen Verstärkungsschicht.
Im Ergebnis wird eine aus dem membranbildenden Material 20 bestehende
halbdurchlässige
Wand an der Innenseite der mit membranbildendem Material imprägnierten
röhrenförmigen Verstärkungsschicht
gebildet. Erst nachdem die röhrenförmige Verstärkungsschicht
aus dem röhrenförmigen Teil 14 herausgekommen
ist, kommt ihre Außenseite
in Kontakt mit der Koagulierflüssigkeit 25. Zu
diesem Zweck ist ein Gefäß 28,
das über
eine Leitung 27 mit Koagulierflüssigkeit 25 gefüllt ist,
unterhalb der Formkammer 12 angeordnet.
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Bei
der in 6 gezeigten Vorrichtung ist die halbdurchlässige Wand
im Wesentlichen auf der Außenseite
der röhrenförmigen Verstärkungsschicht bereitgestellt.
Dies wird dadurch erreicht, dass der innere Durchmesser dtube des röhrenförmigen Teils 14 von
größerer Bauweise
ist als der kleinste innere Durchmesser dc,min des
konischen Teils 13. Infolgedessen bleibt an der Außenseite
der röhrenförmigen Verstärkungsschicht
Raum frei, mit dem Ergebnis, dass sich an diesem Punkt eine kontinuierliche
halbdurchlässige
Wand ausbilden kann. Im Besonderen wird auf der Außenseite
der röhrenförmigen Verstärkungsschicht über eine
Zuführleitung 29 zusätzliches membranbildendes
Material 20 bereitgestellt. Die Leitung 26 hat
in diesem Fall einen äußeren Durchmesser,
der nahezu gleich dem inneren Durchmesser der im konischen Teil 13 ausgebildeten
röhrenförmigen Verstärkungsschicht
ist. Im Ergebnis bleibt an der Innenseite der röhrenförmigen Verstärkungsschicht
wenig oder kein Raum frei, wodurch an dieser Stelle die Ausbildung
einer kontinuierlichen halbdurchlässigen Wand verhindert wird.
Die Leitung 26 ist so bereitgestellt, dass sie stromab
der Zuführleitung 29 mündet und
auch dazu dient, zu gewährleisten,
dass die röhrenförmige Verstärkungsschicht nicht
aufgrund der Zufuhr von zusätzlichem
membranbildenden Material über
die Zuführleitung 29 zusammengedrückt werden
kann.
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Wenn
die halbdurchlässige
Wand sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite
bereitgestellt werden soll, kann eine Vorrichtung verwendet werden,
die eine Kombination aus den in den 5 und 6 gezeigten
Vorrichtungen ist.
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Wie
in 5 dargestellt, wird das Band 11 in der
Formkammer 12 nach unten bewegt, indem oben in der Formkammer 12 vorhandene
Führungsrollen 30 und/oder
eine unterhalb der Formkammer 12 vorhandene Führungsrolle 31 angetrieben
werden. Die Führungsrollen 30 sind
in der Formkammer 12 so bereitgestellt dass sie letzte
oben verschließen.
In Folge ist es vorteilhaft möglich,
das membranbildende Material 20 auf einen bestimmten Druck
oberhalb des atmosphärischen
Drucks zu bringen, wodurch das membranbildende Material 20 das
offene zusammenhängende
Band 10 gut imprägnieren
kann. Mit einem ausreichend hohen Druck kann sogar die Leitung 29 im
Ausführungsbeispiel
von 6 weggelassen werden; das membranbildende Material
muss dann in der Tat nicht eigens zugeführt werden, sondern wird durch
die offene zusammenhängende Struktur
der röhrenförmigen Verstärkungsschicht
in Richtung des Raums zwischen dem röhrenförmigen Teil 14 und
der röhrenförmigen Verstärkungsschicht gepresst.
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Die
Herstellung einer verstärkten
halbdurchlässigen
Kapillare, bei der die Verstärkungsschicht aus
zwei Bändern
besteht, kann mithilfe einer Vorrichtung erfolgen, bei der die Formkammer
zwei konische Teilen umfasst, die ineinander oder hintereinander
angeordnet sind. Dieses Ausführungsbeispiel
der Kapillare kann auch mit einer Vorrichtung hergestellt werden,
wie sie in den 5 und 6 gezeigt
wird. Beide Bänder
müssen
dann einander gegenüberliegende
Wandteile des konischen Teils 13 nutzen. Anstelle einer
Bandzuführung
werden nun zwei getrennte Bandzuführungen benötigt. Des Weiteren ist es notwendig,
genau zu überwachen,
wie die beiden Bänder
ineinander laufen, so dass sie einander auf die richtige Weise überlappen.
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Eine
verstärkte
halbdurchlässige
Kapillare kann mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung auf sehr einfache,
schnelle und billige Weise erhalten werden. Anstelle der oben beschriebenen
Vorrichtung sind auch viele andere Ausführungen möglich, um verstärkte halbdurchlässige Kapillaren
gemäß der Erfindung
herzustellen. So können
beispielsweise anstelle der Formkammer ein oder mehrere Umformer,
die das Band in eine röhrenförmige Gestalt zwingen
und hintereinander angeordnet sind, in Betracht gezogen werden.