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HINTERGRUND
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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung zur Erhöhung der
Feuchtigkeit zur Versorgung eines Luftraums einer geschlossenen
Kammer mit Feuchtigkeit.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
sind Verfahren zur Reinigung von Wasser bekannt, und die Art des
verwendeten Verfahrens hängt von
der Natur und der Menge der Verunreinigungen im Wasser ab. Beispielsweise
kann es notwendig sein, sowohl Verunreinigungen in Partikelform
als auch in Lösung
aus dem Wasser zu entfernen. Ziel ist es, das Wasser so zu reinigen,
dass es ausreichend geringe Mengen an suspendierten Teilchen, suspendierten
Mikroben und gelösten
Salzen enthält,
um die Qualitätsanforderungen
für das
Trinken, für
die Herstellung von Speisen und Getränken, für landwirtschaftliche Bewässerung
und für
industrielle Nutzung zu erfüllen.
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Verfahren
zur Reinigung von Wasser werden normalerweise als Filtration, Destillation
oder Umkehrosmose klassifiziert. In herkömmlichen Teilchen-Filtrationsverfahren
werden Verunreinigungen in Teilchenform, wie zum Beispiel suspendierte
anorganische Teilchen unter Verwendung von porösen Konstruktionen wie zum
Beispiel Geweben oder Vliesen entfernt. In Fällen, in denen sehr kleine
Teilchen filtriert werden müssen,
werden Polymermembranen verwendet, die mikroporös sind, das heißt, die
Membranen weisen sehr kleine Löcher
auf, durch die die zu filtrierenden Teilchen nicht hindurchtreten
können.
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Wässrige Lösungen,
die gelöste
Salze enthalten, werden normalerweise durch Umkehrosmose oder Destillation gereinigt.
Wenn eine wässrige
Lösung
in Form von Meerwasser oder Brackwasser vorliegt, werden diese Verfahren
im Allgemeinen als Entsalzung bezeichnet. Das Verfahren der umgekehrten
Osmose beruht auf der Anwendung von Druck auf Lösungen von Ionen über eine
semipermeable Membran. Falls der aufgebrachte Druck größer ist
als der osmotische Druck der Lösung,
wird gereinigtes Wasser über
die Seite der Membran gesammelt, die nicht in Kontakt mit der Lösung steht.
Membranen für
Umkehrosmose lassen Wasser durch sie hindurchtreten, weisen aber
den Durchtritt von Salzionen zurück.
Tatsächlich
durchströmt
ein kleiner Prozentsatz, sagen wir 1%, an Meersalzen die Membranen.
Das US-Patent Nr. 5,547,586 offenbart ein Verfahren zur Entsalzung
von Meerwasser und Brackwasser unter Verwendung einer enzymunterstützten Membran.
Im Gegensatz zur Umkehrosmose können
Destillationsverfahren, die Meerwasser oder Brackwasser verwenden,
Wasser mit einer sehr niedrigen Menge an suspendierten Teilchen
und gelösten
Feststoffen ergeben. Die hohe latente Verdampfungswärme von
Wasser bedeutet jedoch, dass Destillationsverfahren einen hohen
Einsatz an Energie erfordern und daher im Allgemeinen im Vergleich
zu Umkehrosmose-Verfahren bei höheren
Kosten arbeiten.
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Aus
dem US-Patent Nr. 4,725,481 ist bekannt, dass ein Copolyetheresterelastomer
verwendet werden kann, entweder für sich allein oder als Teil
eines Zweikomponentenfilms aus einer hydrophoben Schicht und einer
hydrophilen Schicht von zusammengeklebten Copolyetheresterelastomeren,
um den unterschiedlichen Transfer von Wasserdampf zu gestatten,
um den Aufbau von Feuchtigkeit wie zum Beispiel in einem Operationstuch
oder in einer wasserdichten Kleidungsausrüstung zu verhindern.
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US 5 595 662 offenbart eine
Wasserreinigungsvorrichtung, enthaltend eine dichte hydrophile Membran
zwischen einem Fach zur Halterung einer Einspeisung von verunreinigtem Wasser
und einem Sammelbereich für
gereinigtes Wasser. Die verwendete hydrophile Membran enthält im Wesentlichen
keine Poren mit Durchmessern, die im Mikrofiltrationsbereich liegen.
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Korngold,
E., Korin, E. und Ladizhensky, I; (1996) Entsalzung 107 121–129 offenbaren
ein Entsalzungsverfahren mittels Pervaporation durch hydrophile
oder mikroporöse
hydrophobe hohle Fasern.
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US 5 348 691 offenbart eine
Membran-Befeuchtungsvorrichtung, die mit normalem Wasser mit Trinkwasserqualität betrieben
wird.
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EP 521 726 offenbart eine
Wasserverdampfungsleitung zur Verwendung in Befeuchtungsanlagen,
die durch den Kontakt mit Ölen,
Detergenzien und anderen Flüssigkeiten
nicht nachteilig beeinflusst wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verwendung einer Vorrichtung
zur kontrollierten Abgabe von Wasser durch Pervaporation, durch
Hindurchführen
von in der Luft enthaltenem Wasserdampf oder flüssigem Wasser, das suspendierte
oder gelöste
Verunreinigungen enthalten kann, einschließlich aber nicht beschränkt auf
Meerwasser, Brackwasser oder andere Arten von verschmutztem Wasser,
durch eine oder mehrere Schichten einer hydrophilen Membran, um
die Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen.
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Insbesondere
bietet die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zur Erhöhung der
Feuchtigkeit, bestehend aus einer Wasserquelle und einer nicht-porösen hydrophilen
Membran, gegebenenfalls mindestens einer Öffnung zum Befüllen der
Vorrichtung mit der Wasserquelle, und gegebenenfalls einem Trägermaterial, wobei
die nicht-poröse
hydrophile Membran auf das Trägermaterial
aufgeschichtet oder daran befestigt ist, wobei die Wasserquelle
Wasser und mindestens eine Substanz von einem suspendierten Feststoff,
einem gelösten
Feststoff, einem Schadstoff, einem Salz und einem biologischen Material
enthält,
wobei die nicht-poröse hydrophile
Membran Wasser hindurchlässt
und dieses als Wasserdampf in einen Luftraum einer geschlossenen
Kammer entsendet, wobei die nicht-poröse hydrophile Membran die mindestens
eine Substanz von dem suspendierten Feststoff, gelösten Feststoff,
Schadstoff, Salz und biologischen Material nicht hindurchlässt, wobei
die nicht-poröse
hydrophile Membran eine oder mehrere Schichten hydrophiler Polymere
umfasst, wobei das hydrophile Polymer ausgewählt ist aus einem Copolyetheresterelastomer,
einem Polyetherblockcopolyamid, einem Polyetherurethan, einem Homopolymer
von Polyvinylalkohol, einem Copolymer von Polyvinylalkohol und deren
Gemischen, wobei weiterhin die eine oder mehreren Schichten der
hydrophilen Polymere bei einer Dicke von 25 Mikron eine Wasserdampfübertragung
gemäß ASTM E96-95
(Verfahren BW) von mindestens 400 g/m2/24
Std. hat/haben, wobei die Wasserdampfübertragungsgeschwindigkeit
bei einer Lufttemperatur von 23°C,
einer relativen Feuchtigkeit von 50% und einer Luftgeschwindigkeit
von 3 m/s gemessen wird, zur Versorgung eines Luftraums einer geschlossenen
Kammer mit Feuchtigkeit.
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Die
Schicht oder Schichten von hydrophilen Membranen können entweder
in Form einer trägerlosen Struktur
oder auf einem Trägermaterial
aufgeschichtet oder daran befestigt vorliegen, wobei die hydrophile Membranschicht
ein Copolyetheresterelastomer, ein Polyetherblockcopolyamid, ein
Polyetherurethan, ein Homopolymer von Polyvinylalkohol, ein Copolymer
von Polyvinylalkohol oder Mischungen davon sein kann.
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Die
hydrophile Membranschicht besteht aus einem hydrophilen Polymer
mit einer Wasserdampfübertragungsgeschwindigkeit
gemäß ASTM E96-95
(Verfahren BW) von mindestens 400 g/m2/24
Std., gemessen unter Verwendung von Luft bei 23°C, einer relativen Feuchtigkeit
von 50% bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s auf einem Film mit einer
Gesamtdicke von 25 Mikron. Eine bevorzugte hydrophile Membranschicht
ist hergestellt aus einem hydrophilen Polymer mit einer Wasserdampfübertragungsgeschwindigkeit
gemäß ASTM E96-95
(Verfahren BW) von mindestens 3500 g/m2/24
Std., gemessen unter Verwendung von Luft bei 23°C, einer relativen Feuchtigkeit
von 50% bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s auf einem Film mit einer
Gesamtdicke von 25 Mikron.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verwendung einer Vorrichtung
zur kontrollierten Abgabe von Wasser durch Pervaporation, durch
Hindurchführen
von in der Luft enthaltenem Wasserdampf oder flüssigem Wasser, das suspendierte
oder gelöste
Verunreinigungen enthalten kann, einschließlich aber nicht beschränkt auf
Meerwasser, Brackwasser oder andere Arten von verschmutztem Wasser,
durch eine oder mehrere Schichten einer hydrophilen Membran, um
die Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen. Die Schicht oder
Schichten der hydrophilen Membran können entweder in Form einer
trägerlosen
Struktur oder auf einem Trägermaterial
aufgeschichtet oder daran befestigt vorliegen.
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Pervaporation
ist das Verfahren, bei dem ein gegebenes Lösungsmittel in eine nicht-poröse Membran oder
Beschichtung eindringt, durch die Membran transportiert und anschließend aus
der gegenüberliegenden Fläche der
Membran oder Beschichtung in Form von Dampf freigesetzt wird. Pervaporation
unterscheidet sich daher von den bekannten Filtrations-, Destillations-
oder Umkehrosmoseverfahren insoweit, als das Produkt ein Dampf und
keine Flüssigkeit
ist. Falls das Lösungsmittel
Wasser ist sind nicht-poröse
hydrophile Membranen für
die Pervaporation geeignet, da Wasser schnell von einer solchen
Membran absorbiert, über
diese transportiert und von ihr freigesetzt wird. Dieser Wasserdampf
kann dann für
Anwendungen wie zum Beispiel der Versorgung des Luftraums einer
Aufwachskammer, dem Hydrieren von trockenem Material oder dem Rehydrieren
von dehydriertem Material verwendet werden.
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Hydrophile
Membranen
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„Hydrophile
Membranen" meint
nicht-poröse
Membranen, die Wasser absorbieren, d.h., sie lassen Wasser hindurch.
Falls es einen Feuchtigkeitsgradienten über die hydrophile Membran
gibt, kann dieses absorbierte Wasser durch die Dicke der Membran
hindurch diffundieren und aus ihrer gegenüberliegenden Fläche freigesetzt
werden. Hydrophile Membranen oder Beschichtungen, im Folgenden in
dieser Offenbarung insgesamt als Membranen bezeichnet, besitzen,
wie unten beschrieben, ausreichend hohe Wasserdampfübertragungsgeschwindigkeiten,
so dass Wasser, das durch die Membranen hindurch getreten ist, direkt
in Anwendungen einschließlich
aber nicht beschränkt
auf Bewässerung
von Pflanzen und Rehydrierung von Lebensmitteln, Getränken, Medikamenten
und dergleichen verwendet werden kann. Solche Membranen können eine
oder mehrere individuelle Schichten aufweisen, die aus Materialien
hergestellt werden einschließlich
aber nicht beschränkt
auf die gleichen oder andere hydrophilen Polymere. Solange die Wasserdampfeindringrate der
Membran insgesamt ausreichend hoch ist, kann dieses Wasser mit einer
Rate bereit gestellt, werden, die mit seiner Verwendung in einer
gegebenen praktischen Anwendung wie beschrieben übereinstimmt. Die nicht-poröse Natur
der hierin offenbarten Membranen dient dazu, jedwede teilchenförmige Verunreinigungen, einschließlich Mikroben
wie zum Beispiel Bakterien und Viren, vom Durchdringen einer solchen
Membran auszuschließen.
Zudem wurde entdeckt, dass aus hydrophilen Polymeren hergestellte
in der vorliegenden Erfindung beschriebene Membranen den Durchlass
von gelösten
Salzen deutlich reduzieren oder verhindern. Folglich erlaubt die
Möglichkeit,
nicht nur Frischwasser, sondern auch Wasser, das suspendierte oder
gelöste
Verunreinigungen enthalten kann, dazu zu verwenden, gewünschte Mengen
an gereinigtem Wasser durch Pervaporation zu produzieren, dass salzhaltiges
Wasser einschließlich
aber nicht beschränkt
auf Meerwasser oder Brackwasser, nach dem Aufbereiten durch die
Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, für die kontrollierte Abgabe
von Wasser in eine Umgebung zu verwenden.
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Die
Rate, bei der Wasser durch die aus dem hydrophilen Polymer hergestellte
Membran pervaporiert, hängt
unter anderem vom Feuchtigkeitsgehalt auf der Nicht-Wasserseite
ab.
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Die
Pervaporation von Wasser durch die Membran reicht aus, um getrocknete
Lebensmittel, pharmazeutische Produkte und dergleichen zu rehydrieren,
unabhängig
davon, ob das Wasser auf der gegenüberliegenden Seite der Membran
Frischwasser oder Wasser ist, das suspendierte oder gelöste Verunreinigungen enthalten
kann.
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Wasserdampfübertragungscharakteristik
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Der
Standard-Test zur Messung der Rate, bei der eine gegebene Membran
Wasser überträgt ist ASTM E-96-95 – Verfahren
BW, vorher bekannt und benannt als ASTM E-96-66 – Verfahren BW, der verwendet
wird, um die Wasserdampfübertragungsgeschwindigkeit
(WVTR) einer Membran zu bestimmen. Für diesen Test wird eine Anordnung
auf der Basis eines wasser-undurchlässigen Bechers (waterimpermeable
cup) verwendet, auch als „Thwing-Albert-Vapometer" bekannt. Dieser
Becher enthält
Wasser bis ungefähr ¾ ± ¼ in. (19 ± 6 mm)
von oben. Die Öffnung
des Bechers ist mit einer wasserdurchlässigen Membran des zu messenden Testmaterials
wasserfest versiegelt, wobei ein Luftspalt zwischen der Wasseroberfläche und
der Membran verbleibt. Beim Verfahren BW wird der Becher dann umgedreht,
so dass Wasser in direktem Kontakt mit der Membran steht. Die Vorrichtung
wird dann bei geregelter Temperatur und Feuchtigkeit in eine Testkammer
eingebracht und anschließend
wird Luft mit einer speziellen Geschwindigkeit über die Außenseite der Membran geblasen.
Die Experimente in doppelter Ausfertigung durchgeführt. Die
Gewichte des Bechers, des Wassers und der Membrananordnung werden über mehrere
Tage hinweg gemessen und die Ergebnisse gemittelt. Die Rate, bei
der Wasser durch die Membran hindurchdringt wird als ihre „Wasserdampfübertragungsgeschwindigkeit" angegeben, gemessen
als der mittlere Gewichtsverlust der Anordnung bei einer gegebenen
Membrandicke, Temperatur, Feuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit,
ausgedrückt
als Massenverlust pro Einheit der Membranoberfläche und Zeit. Die WVTR von
Membranen oder Filmen gemäß ASTM E96-95
Verfahren BW wird typischerweise auf einem Film einer Dicke von
25 Mikron und bei einem Luftdurchsatz von 3 m/s, einer Lufttemperatur
von 23°C
und 50% relativer Feuchte gemessen.
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Hydrophile
Polymere
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung werden die hydrophilen
Membranen zur Verwendung mit der Vorrichtung aus hydrophilen Polymeren
hergestellt. „Hydrophile
Polymere" meint
Polymere, die Wasser absorbieren, wenn sie bei Raumtemperatur gemäß der International
Standards Organisation specification ISO 62 (entsprechend der American Society
for Testing and Materials specification ASTM D 570) in Kontakt mit
flüssigem
Wasser stehen.
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Das
hydrophile Polymer ist eines oder eine Mischung von verschiedenen
Polymeren. Das hydrophile Polymer ist ausgewählt aus einem Copolyetheresterelastomer
oder einer Mischung von zwei oder mehr Copolyetheresterelastomeren
wie unten beschrieben, wie zum Beispiel Polymere erhältlich von
E. I. du Pont de Nemours and Company unter der Handelsbezeichnung
Hyrtel®;
oder ein Polyetherblockpolyamid oder eine Mischung von zwei oder
mehr Polyetherblockpolyamiden, wie zum Beispiel Polymere erhältlich von
der Elf-Atochem Company of Paris, Frankreich unter der Handelsbezeichnung
PEBAX; oder eine Polyetherurethan oder eine Mischung von Polyetherurethanen;
oder Homopolymere oder Copolymere von Polyvinylalkohol oder Polymere
von Polyvinylalkohol.
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Ein
insbesondere bevorzugtes Polymer für Wasserdampfübertragung
in dieser Erfindung ist ein Copolyetheresterelastomer oder eine
Mischung von zwei oder mehr Copolyetheresterelastomeren mit einer
Vielzahl von wiederholten langkettigen Estereinheiten und eine Vielzahl
von wiederholten kurzkettigen Estereinheiten umfasst, wobei die
langkettigen Estereinheiten und die kurzkettigen Estereinheiten über Esterbindungen
mit dem Kopf an den Schwanz verbunden sind, wobei die langkettigen
Estereinheiten die allgemeine Formel
und die kurzkettigen Estereinheiten
die allgemeine Formel:
haben, wobei:
- a) G ein zweiwertiger Rest ist, der nach dem Entfernen der endständigen Hydroxylgruppen
von einem Poly(alkylenoxid)glycol mit einem Molekulargewichtszahlenmittel
von etwa 400 bis 4000 übrig
bleibt;
- b) R ein zweiwertiger Rest ist, der nach dem Entfernen der Carboxylgruppen
von einer Dicarbonsäure
mit einem Molekulargewicht von weniger als 300 übrig bleibt;
- c) D ein zweiwertiger Rest ist, der nach dem Entfernen der Hydroxylgruppen
von einem Diol mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 250 übrig bleibt;
wobei
- d) der Copolyetherester gegebenenfalls 0 bis 68 Gew.-% Ethylenoxidgruppen,
bezogen auf das Gesamtgewicht des Copolyetheresters, enthält, wobei
die Ethylenoxidgruppen in den langkettigen Estereinheiten enthalten
sind; und
- e) der Copolyetherester etwa 25 bis 80 Gew.-% kurzkettige Estereinheiten
enthält.
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Dieses
bevorzugte Polymer ist geeignet für die Herstellung dünner aber
starker Membranen, Filme und Beschichtungen. Das bevorzugte Polymer,
Copolyetheresterelastomer und Verfahren zu seiner Herstellung sind
im Stand der Technik bekannt, wie zum Beispiel im US Patent Nr.
4,725,481 für
ein Copolyetheresterelastomer mit einer WVTR von 3500 g/m2/24 Std., oder US Patent Nr. 4,769,273 für ein Copolyetheresterelastomer
mit einer WVTR von 400–2500
g/m2/24 Std. offenbart.
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Das
Polymer kann mit antioxidierenden Stabilisatoren, Ultraviolettstabilisatoren,
Hydrolysestabilisatoren, Farbstoffen oder Pigmenten, Füllmitteln,
antimikrobiellen Reagenzien und dergleichen vermischt werden.
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Die
Verwendung kommerziell erhältlicher
hydrophiler Polymere als Membranen ist im Zusammenhang der vorliegenden
Erfindung möglich,
obwohl es mehr bevorzugt ist, Copolyetheresterelastomere mit einer WVTR
von mehr als 400 g/m2/24 Std. zu verwenden,
gemessen auf einem 25 Mikron dicken Film mit Luft bei 23°C und 50%
relativer Feuchte bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s. Am meisten
bevorzugt ist die Verwendung von Membranen, die aus kommerziell
erhältlichen
Copolyetheresterelastomeren mit einer WVTR von mehr als 3500 g/m2/24 Std. hergestellt werden, gemessen auf
einem 25 Mikron dicken Film mit Luft bei 23°C und 50% relativer Feuchte
bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s.
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Verfahren
zur Herstellung der hydrophilen Polymermembranen
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Die
hydrophilen Polymere können
durch eine Anzahl von Verfahren zu Membranen jeder gewünschten Dicke
verarbeitet werden. Ein nützlicher
und gut bewährter
Weg, um Membranen in der Form von Filmen herzustellen ist durch
Schmelzextrusion des Polymers auf einer handelsüblichen Extrusionsanlage. In
Kürze umfasst
dies das Erhitzen des Polymers auf eine Temperatur oberhalb des
Schmelzpunkts, Extrudieren durch ein flaches oder rundes Werkzeug
und anschließendes
Gießen
eines Films unter Verwendung eines Walzensystems oder Blasen des
Films aus der Schmelze.
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Nützliche
Trägermaterialien
beinhalten Velinpapier, Papiervlies oder Papierverbundstoff, Gewebe, eine
Schicht eines lichtsperrenden Trägermaterials,
und einem wasserdampfdurchlässigen
Schirm einschließlich
solcher, die aus Fasern organischer oder anorganischer Polymere,
die stabil gegen Feuchtigkeit sind, wie zum Beispiel Polyethylen,
Polypropylen, Fiberglas und dergleichen. Das Trägermaterial erhöht sowohl
die Festigkeit und schützt
die Membran. Das Trägermaterial
kann auf nur einer Seite der hydrophilen Polymermembran oder auf
beiden Seiten angeordnet werden. Wenn es nur auf einer Seite angeordnet
ist, kann das Trägermaterial
in Kontakt mit der Wasserquelle stehen oder davon weg liegen. Typischerweise
ist das Trägermaterial auf
der Außenseite
von durch die hydrophile Polymermembran gebildeten Behältern angeordnet,
um die Membran am besten vor physikalischer Beschädigung und/oder
Degradation durch Licht zu schützen.
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Ohne
an irgendeine besondere Theorie gebunden zu sein, wird angenommen,
dass der Reinigungseffekt, der als die Haupterfindungsidee der hydrophilen
Membran erkannt wurde, entweder in Form einer Beschichtung oder
einer trägerlosen
Membran, wenn sie sich in Kontakt mit Wasser befindet, das suspendierte oder
gelöste
Verunreinigungen enthalten kann, auftritt, weil hoch dipolare Moleküle wie zum
Beispiel Wasser im Vergleich zu Ionen wie zum Beispiel Natrium und
Chlorid bevorzugt absorbiert und über die Membran oder die Beschichtung
transportiert werden. Wenn zudem ein Feuchtigkeitsgradient über die
Membran existiert, wird Wasser über
die nicht mit der Wasserquelle in Verbindung stehende Seite abgegeben
und kann durch einen zu hydrierenden oder zu rehydrierenden Gegenstand
absorbiert werden.
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Landwirtschaftliche/Gärtnerische
Anwendungen
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Die
Membran kann trägerlos
oder auf ein Trägermaterial
aufgeschichtet sein, um die Festigkeit und Lebensdauer zu steigern.
Die Vorrichtung weist üblicherweise
mindestens eine Öffnung
zur Befüllung
mit Wasser auf. Um Feuchtigkeit über
einen längeren
Zeitraum bereit zu stellen, ist die Vorrichtung in geeigneter Weise in
Form einer Beutel, einer Röhre
oder eines Schlauchs ausgebildet, was es erlaubt, das Wasser kontinuierlich oder
periodisch zu leeren, um eine Ansammlung von Salzen oder anderen
Schadstoffen zu verhindern. Vorzugsweise durchläuft Wasserdampf die Membranen,
wobei er gelöste
Salze und andere Stoffe, als auch suspendierte Teilchen wie zum
Beispiel anorganische oder organische Stoffe einschließlich Mikroben
wie Bakterien, Viren und dergleichen zurücklässt.
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Der
Landwirtschaft zugehörige
Ausführungsformen
dieser Erfindung beinhalten das Bereitstellen von Feuchtigkeit für das Anzüchten von
Pflanzen, das Keimen von Saatgut, während nicht nur schädliche Salze sondern
auch Krankheitserreger wie zum Beispiel für das Saatgut und die Pflanzen
schädliche
Pilze, Bakterien und Viren entfernt werden. Für das Keimen von Saatgut können die
Samen in der hydrophilen Membran wie zum Beispiel in einem versiegelten
Behälter
eingeschlossen und der Behälter
in Kontakt mit Wasser oder einem angefeuchteten Medium gebracht
werden. Dies gestattet den Samen in einer sterilen Umgebung zu keimen,
was Keimungsverluste aufgrund von Angriffen von Schadstoffen verhindert.
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Befeuchtung/Gärtnerische
Anwendungen
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Neben
der Bereitstellung von Feuchtigkeit für die Samen oder Pflanzen kann
die Vorrichtung ebenfalls dazu verwendet werden, die Luftfeuchtigkeit
von geschlossenen Kammern beizubehalten oder zu erhöhen. Ein Beispiel
bei landwirtschaftlichen Anwendungen ist die Versorgung der die
Pflanzen in Anzuchtkammern umgebenden Luft mit Feuchtigkeit.
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Wenn
die Pflanzen in einer geschlossenen Anzuchtkammer, wie zum Beispiel
einem Gewächshaus, angezüchtet werden,
kann die Erhöhung
der Luftfeuchtigkeit einen wesentlichen und günstigen Einfluss haben. Darüber hinaus
können
die Membranen teilweise oder vollständig dem Luftraum ausgesetzt
sein, um die Luftfeuchtigkeit durch das Verfahren der Pervaporation
zu erhöhen.
Die Membranen der Wasserzuführungsvorrichtung
können
teilweise oder vollständig
in Kontakt mit dem Luftraum stehen. Um das hydrophile Polymer vor
zunehmender Schädigung
zu schützen,
kann die Membran durch eine Schicht eines Trägermaterials abgedeckt werden,
um Licht zu blockieren oder die Vorrichtung wird vorzugsweise im
Schatten oder in einem abgedunkelten Gehäuse untergebracht.
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Wie
bei landwirtschaftlichen Anwendungen weist die Vorrichtung üblicherweise
mindestens eine Öffnung
zur Befüllung
mit Wasser auf, und für
die Bereitstellung von Feuchtigkeit über einen längeren Zeitraum ist die Vorrichtung
in geeigneter Weise in Form einer Beutel, einer Röhre oder
eines Schlauchs ausgebildet, was es erlaubt, das Wasser kontinuierlich
oder periodisch zu leeren, um eine Ansammlung von Salzen oder anderen
Schadstoffen zu verhindern.
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Hydrierung
oder Rehydrierung
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Das
Verfahren der Pervaporation durch die Membran kann dazu verwendet
werden, Materialien wie zum Beispiel Lebensmittel oder pharmazeutische
oder landwirtschaftliche Zusammensetzungen zu hydrieren oder zu
rehydrieren. Die trockenen oder dehydrierten Materialien können in
versiegelten Beutel transportiert werden, die die hydrophile Membran
der Erfindung beinhaltet und dann unter Verwendung von in der Luft
enthaltenem Wasserdampf oder flüssigem
Wasser, das suspendierte oder gelöste Verunreinigungen enthalten kann,
einschließlich
aber nicht beschränkt
auf Meerwasser oder Brackwasser oder andere Arten von verunreinigtem
Wasser, hydriert oder rehydriert werden.
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Zusammengefasst
kann also Pervaporation durch die Wasserreinigungsvorrichtung dazu
verwendet werden, die Lufträume
von Anzuchtkammern wie zum Beispiel Gewächshäusern zu befeuchten, und getrocknete
Lebensmittel, Pharmazeutika und dergleichen zu hydrieren oder zu
rehydrieren.
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Die
vorliegende Erfindung kann im Vergleich zu den Systemen des Standes
der Technik mit niedrigeren Kosten und mit einer geringeren Anlageninfrastruktur
betrieben werden. Da die Vorrichtung zur Versorgung des Luftraums
einer geschlossenen Kammer mit Feuchtigkeit Wasser in Form von Wasserdampf
anstelle von flüssigem
Wasser abgibt, kann der Druck von der Membranschicht der Vorrichtung
zugeführtem
verunreinigtem Wasser sehr viel geringer sein als 2500 kPa, was
normalerweise für
die Reinigung von Meerwasser unter Verwendung von Umkehrosmose erforderlich
ist. Der Druck ist sogar noch geringer als die niedrigeren Drücke, die
für die
Umkehrosmose von weniger salzhaltigen Salzlaugen erforderlich ist.
Im Allgemeinen beträgt
der aufgebrachte Druckunterschied über Raumatmosphärendruck
weniger als ungefähr
1000 kPa. Obwohl hohe Drücke
die Rate erhöhen
können,
mit der die Membranschicht Wasserdampf abgibt, kann ein übermäßiger Druck
das sich selbst regulierende Gleichgewicht verschieben, was bedingt,
dass das Nährmedium
zu nass wird. Des weiteren erfordern hohe Drücke dicke Membranen oder vorzugsweise
starke Trägermaterialien,
um den Druck aufnehmen zu können.
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Folglich
beträgt
der aufgebrachte Druck normalerweise weniger als ungefähr 250 kPa
und sehr oft weniger als ungefähr
100 kPa. Am häufigsten
beträgt
der aufgebrachte Druck kaum mehr oder nicht mehr als der vom Gewicht
des Wassers selbst gelieferte, oder der Druck, der benötigt wird,
um verunreinigtes Wasser durch die Wasserreinigungsvorrichtung zu
spülen,
da dies die Verwendung von dünnen
hydrophilen Membranen oder Filmen des hydrophilen Polymers erlaubt.
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Beispiele
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In
den folgenden Beispielen ist der Copolyetherester A ein Polymer,
das gemäß dem im
US Patent Nr. 4,725,481 offenbarten Verfahren hergestellt wurde,
ausgehend von 30 Teilen Dimethylterephthalat, 57 Teilen Poly(alkylen)glykol,
dessen Alkylengehalt 65% Ethylen und 35% Propylen beinhaltet, 9
Teilen Dimethylisophthalat, 16 Teilen Butandiol (stöchiometrische
Menge) und 0,7 Teilen Trimethyltrimellitat. Der Copolyetherester A
enthält
ungefähr
37 Gew.-% Poly(ethylenoxid)glykol, und die aus Copolyetherester
A hergestellten Membranen weisen eine Wasservolumenzunahme von ungefähr 54 Gew.-%
bei Raumtemperatur und eine WVTR von mindestens 10.000 g/m2/24 Std. auf; gemessen auf einem Film von
25 Mikron Dicke unter Verwendung von Luft bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchte
bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s.
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Copolyetherester
B ist ein Polymer, das gemäß dem im
US Patent Nr. 4,725,481 offenbarten Verfahren hergestellt wurde,
ausgehend von 44 Teilen Dimethylterephthalat, 51 Teilen Poly(alkylen)glykol,
dessen Alkylengehalt 65% Ethylen und 35% Propylen beinhaltet, 19
Teilen Butandiol (stöchiometrische
Menge) und 0,4 Teilen Trimethyltrimellitat. Der Copolyetherester
B enthält
ungefähr
33 Gew.-% Poly(ethylenoxid)glykol, und die aus Copolyetherester
A hergestellten Membranen weisen eine Wasservolumenzunahme von ungefähr 30 Gew.-%
bei Raumtemperatur und eine WVTR von mindestens 10.000 g/m2/24 Std. auf; gemessen auf einem Film von
25 Mikron Dicke unter Verwendung von Luft bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchte
bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s.
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Copolyetherester
C ist ein Polymer, das gemäß dem im
US Patent Nr. 4,725,481 offenbarten Verfahren hergestellt wurde,
ausgehend von 50 Teilen Dimethylterephthalat, 44 Teilen Poly(alkylen)glykol,
dessen Alkylengehalt 85% Propylen und 15% Ethylen beinhaltet, 21
Teilen Butandiol (stöchiometrische
Menge) und 0,3 Teilen Trimethyltrimellitat. Die aus Copolyetherester
A hergestellten Membranen weisen eine Wasservolumenzunahme von ungefähr 5 Gew.-%
bei Raumtemperatur und eine WVTR von mindestens 2.200 g/m2/24 Std. auf; gemessen auf einem Film von
25 Mikron Dicke unter Verwendung von Luft bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchte
bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s.
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BEISPIELE 1–10
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Der
erste Satz von Beispielen, Beispiele 1–10, wird lediglich zur Erläuterung
angeboten. Diese Beispiele fallen nicht in den Bereich der Erfindung.
Diese Beispiele demonstrieren, dass Wasserdampf durch die hydrophilen
Membranen der Wasserreinigungsvorrichtung hindurchtritt, und dass
die hydrophilen Membranen Wasser durch sie hindurchtreten lassen,
jedoch das Hindurchtreten von Salzionen ablehnen. In den Beispielen wurden
fünf aus
einem extrudierten Film des hydrophilen Polymers Copolyetherester
A hergestellte hydrophile Membranbeutel mit Meerwasser gefüllt, und
fünf hydrophile
Membranbeutel, hergestellt aus einem extrudierten Film des anderen
hydrophilen Polymers Copolyetherester B wurden mit Leitungswasser
gefüllt.
Um die geschlossenen hydrophilen Membranbeutel zu versiegeln wurde
eine Heißsiegelmaschine
verwendet. Die Beutel wiesen einen maximalen effektiven Oberflächenbereich
von 0,1 m2 auf.
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Die
Beutel wurden in einem Raum bei Umgebungstemperatur und ungeregelter
Luftfeuchte platziert. Die Proben 2, 3, 5, 7, 8 und 9 wurden direkt
auf dem Metallablage platziert. Die Proben 1 und 10 wurden auf Papiergewebe
auf dem Tablett gelegt, und die Proben 4 und 6 wurden auf einem
Nylonsieb platziert, um die möglichen
Effekte eines Luftstroms oder der „Dochtwirkung" („wicking") zu zeigen, die
die Rate beeinflussen würden,
mit der der Wasserdampf von der Oberfläche entfernt wurde. Sobald
die Beutel gefüllt
waren, wurde die Oberfläche
der Beutel bei Berührung
feucht. Die Beutel wurden vollständig
versiegelt und die obere Fläche jedes
Beutels wurde der Luft ausgesetzt.
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Die
Beutel wurden über
einen Zeitraum von einer Woche jeden Tag gewogen und visuell inspiziert,
und das gemessene Gewicht verringerte sich täglich, bis nach zwischen fünf und sieben
Tagen alle Beutel leer waren. In diesem ersten Fall war es, da der
Test ein empirischer Gradmesser war, schwierig, alle Faktoren wie zum
Beispiel die anfängliche
Masse des Wassers, die Art des Wassers, Oberflächenbereich, Wasserkontaktbereich
und die Dicke des Films zu berücksichtigen.
Unter Berücksichtigung
aller dieser Faktoren gab es jedoch keinen ersichtlichen Unterschied
für die
Rate an „Wasserverlust" für einen
vergleichbaren Oberflächenbereich.
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Bei
den jetzt leeren Beuteln, die ursprünglich Meerwasser enthielten,
wurde beobachtet, dass sie im Inneren eine weiße salzige Ablagerung aufwiesen,
erkennbar als große
Kristalle. Die Beutel in Beispiel 5 enthielt zum Beispiel mehr als
20 g Feststoffe. Unter Umgebungsdruck und -temperatur pervaporierten
täglich mehr
als 2 Liter Wasser pro Quadratmeter durch die Beutel. Andere Messungen
deuteten darauf hin, dass der Copolyetherester A in der Lage war,
angesichts eines ausreichend schnellen Luftstroms über die
Oberfläche der
hydrophilen Membran, um den Wasserdampf zu entfernen, sobald er
durch Pervaporation aus der Beutel abgegeben wurde, mehr als einen
Liter Wasser pro Quadratmeter pro Stunde durchzuleiten.
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Es
wird angenommen, dass die natürliche
Pervaporationsgeschwindigkeit von Wasser der limitierende Faktor
beim Fluss des Wassers durch den Beutel war. Die hydrophilen Membranbeutelproben
1 und 10, die auf Papiergewebe gelegt wurden, und die hydrophilen
Membranbeutelproben 4 und 6, die auf ein Nylonsieb gelegt wurden,
gaben Wasser nicht irgendwie schneller ab als die hydrophilen Membranbeutel,
die direkt auf die Metallablage gelegt worden waren. Es gab also
keinen erkennbaren Unterschied zwischen den dickeren und dünneren Polymerfilmen.
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Die
Ergebnisse der Beispiele sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst.
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TABELLE
1 Pervaporation
von Wasser durch versiegelte hydrophile Membranbeutel
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BEISPIEL 11
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Beispiel
11 zeigt die Befeuchtungsanwendung der vorliegenden Erfindung.
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In
Beispiel 11 wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Heißsiegelvorrichtung
eine Sojamehlsaat zwischen zwei Schichten einer hydrophilen Membran
einer Dicke von 50 Mikron, hergestellt aus Copolyetherester B, eingeschlossen,
was einen luftdichten, lichtdurchlässigen quadratischen Beutel
der Größe 2 × 2 cm ergab,
wobei Luft um die Saat eingefangen war. Der hydrophile Membranbeutel
wurde dann in einem Becherglas auf Leitungswasser aufgelegt und
in der Dunkelheit bei Raumtemperatur belassen. Nach zwei Wochen
konnte beobachtet werden, dass das Sojamehl innerhalb des Beutels
durch Wasser, dass durch die Membran in den Beutel pervaporiert
war, gekeimt war.
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BEISPIEL 12
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Beispiel
12 veranschaulicht eine Rehydrierungsanwendung. In diesem Beispiel
wurden dehydrierte Feststoffe rehydriert. Jeweils zwei Proben von
getrockneter Babymilch, Zucker (Saccharose) oder Tafelsalz (Natriumchlorid)
wurden in getrennt versiegelte hydrophile Membranbeutel aus Copolyetherester
A eingelegt. Die Beutel wurden unter Wasser platziert, jeweils eine
Probe unter Frischwasser und eine Probe unter Meerwasser. Es wurde
beobachtet, dass der Inhalt schnell rehydrierte. Die Geschwindigkeit
der Rehydrierung variierte, abhängig
von den unterschiedlichen Beträgen
der Hygroskopizität
der Pulver. Der spezielle Vorteil der Bereitstellung von dehydrierten
Feststoffen in Beuteln aus den erfindungsgemäßen Membranen ist, dass der Anwender
kein Trinkwasser mitführen
muss, da das Lebensmittel aus verunreinigten Wasserquellen rehydriert werden
kann.
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Der
qualifizierte Adressat wird wissen, dass der Begriff Reinigung in
gewisser Weise abhängig
ist vom Einsatz, für
den das gereinigte Wasser verwendet werden soll. Beispielsweise
kann das Wasser, das für
die Anzucht von Pflanzen verwendet werden soll, weniger rein sein
als das, das für
den menschlichen Verbrauch erforderlich ist. Natürlich ist klar, dass das Reinigungsverfahren
in aufeinanderfolgenden Stufen wiederholt werden kann, um die Reinheit
zu verbessern, d.h., dem verunreinigten Wasser zu ermöglichen,
eine oder mehrere dickere Schichten hydrophiler Membranen zu passieren
(oder sogar durch ein zusätzliches
Filtersystem). Darüber
hinaus kann sich Reinheit auf verschiedene Bestandteile beziehen,
abhängig
vom Gebrauchszusammenhang. Beispielsweise wird bei Wasser zur Anzucht
von Pflanzen im Allgemeinen lediglich der Salzgehalt relevant sein,
während
bei Wasser für
den menschlichen Verbrauch der aktuelle mikrobielle Inhalt von größter Wichtigkeit
sein wird, und bei Wasser für
die (Re)hydrierung von Arzneimitteln zur intravenösen Injektion
wird der gesamte biologische Belastung und der Salzgehalt höchst relevant
sein. Folglich sollte Reinigung so verstanden werden, dass sie sich
auf das Verfahren zur Herstellung von Wasser mit einer ausreichenden
Qualität für seine
beabsichtigte Verwendung bezieht. Im Allgemeinen wird, im Zusammenhang
mit der Erfindung, gereinigtes Wasser, das aus der Membran freigesetzt
wird, weniger als ungefähr
1% (vorzugsweise weniger als 0,1% und niedriger) gelöste oder
suspendierte Feststoffe und teilchenförmige Materialien enthalten.
In bezug auf gelöste
Salze sind diese allgemein in und auf der Membran gespeichert, wobei
der von der Membran freigesetzte gereinigte Wasserdampf eine Reinheit von
weniger als ungefähr
1% (und typischerweise niedriger) in bezug auf gelöste Feststoffe
aufweist.
haben, wobei:
haben, wobei: a) D ein zweiwertiger Rest ist, der nach dem Entfernen der Hydroxylgruppen von einem Diol mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 250 übrig bleibt; b) R ein zweiwertiger Rest ist, der nach dem Entfernen der Carboxylgruppen von einer Dicarbonsäure mit einem Molekulargewicht von weniger als 300 übrig bleibt; wobei: der Copolyetherester gegebenenfalls 0 bis 68 Gew.-% Ethylenoxidgruppen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Copolyetheresters, enthält, wobei die Ethylenoxidgruppen in den langkettigen Estereinheiten enthalten sind; und der Copolyetherester etwa 25 bis 80 Gew.-% kurzkettige Estereinheiten enthält.