EP4676622A1 - Bionisches filterelement umfassende filtervorrichtung und verfahren zur abtrennung von mikroplastik aus fluiden - Google Patents

Bionisches filterelement umfassende filtervorrichtung und verfahren zur abtrennung von mikroplastik aus fluiden

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Publication number
EP4676622A1
EP4676622A1 EP24720749.1A EP24720749A EP4676622A1 EP 4676622 A1 EP4676622 A1 EP 4676622A1 EP 24720749 A EP24720749 A EP 24720749A EP 4676622 A1 EP4676622 A1 EP 4676622A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter element
filter
fluid
housing
microplastics
Prior art date
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Pending
Application number
EP24720749.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Leandra HAMANN
Christian REUSS
Hendrik Herzog
Alexander BLANKE
Ilka Gehrke
Christian GEITNER
Jan Blömer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
University of Bonn
Original Assignee
Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
University of Bonn
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Filing date
Publication date
Application filed by Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts, University of Bonn filed Critical Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Publication of EP4676622A1 publication Critical patent/EP4676622A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D29/11—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor with bag, cage, hose, tube, sleeve or like filtering elements
    • B01D29/13—Supported filter elements
    • B01D29/23—Supported filter elements arranged for outward flow filtration
    • B01D29/25—Supported filter elements arranged for outward flow filtration open-ended the arrival of the mixture to be filtered and the discharge of the concentrated mixture are situated on both opposite sides of the filtering element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D29/11—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor with bag, cage, hose, tube, sleeve or like filtering elements
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    • B01D29/90—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor having feed or discharge devices for feeding
    • B01D29/902—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor having feed or discharge devices for feeding containing fixed liquid displacement elements or cores
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    • B01D29/908—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor having feed or discharge devices for feeding provoking a tangential stream
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2201/00—Details relating to filtering apparatus
    • B01D2201/58—Power supply means for regenerating the filter
    • B01D2201/583—Power supply means for regenerating the filter using the kinetic energy of the fluid circulating in the filtering device
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06F—LAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F39/00—Details of washing machines not specific to a single type of machines covered by groups D06F9/00 - D06F27/00 
    • D06F39/10—Filtering arrangements

Definitions

  • Filter device comprising a bionic filter element and method for separating microplastics from fluids
  • the invention relates to a bionic device and a method for separating microplastics from a fluid
  • the device consists of at least one housing and at least one filter element or at least one self-supporting filter element, which is gill-shaped and the fluid enters the housing and the filter element or the self-supporting filter element at one end via an inlet opening and at the other end the separated microplastics accumulate as retentate through a circular flow within the filter element and can be drained or sucked off centrally in the area of the filter element via a retentate drain and can be collected and removed in a container, wherein the housing and the filter element or the self-supporting filter element have an opening angle to the inlet opening of a « 90 ° to generate the circular flow and are at least partially conical, wherein the filter element at least partially has a mesh or pore-shaped filter structure and the fluid exits laterally through the mesh or pore-shaped filter structure of the filter element.
  • EP 4041429 A1 describes a separator for separating microplastics from wastewater comprising a chamber with an inlet and an outlet, a sieve structure forming a permeable barrier between the inlet and the outlet, and a washing device for washing the sieve structure, wherein the sieve structure comprises a first net within the chamber.
  • EP 4037804 A1 discloses a device for filtering water, comprising a filter which forms a permeable container for the liquid to be filtered, an actuation inlet for providing a water flow, a filter liquid inlet for providing the liquid to be filtered to the filter and a rotatable cleaning structure for cleaning the filter, wherein the structure comprises at least one scraper.
  • the scraper is rotatably mounted with respect to the first surface of the filter and has at least one rotatable element which is arranged to receive the water flow.
  • EP 1528139 A2 describes a device for cleaning tissues comprising a container for the relative movement of the tissue to be cleaned, a means for introducing a working fluid to the container, a cross-membrane filter, a compressor-driven refrigeration system and a heat exchanger with a coolant side and a pump to move the working fluid from the container through the working fluid side of the heat exchanger and then through the filter means.
  • US 2022154385 A1 discloses a washing machine with a hydrocyclone and a filtration hybrid system, in which the fibers that break off during the washing process are passed through the hydrocyclone to be separated from the drain water.
  • the fibers separated from the drain water are transferred to the microfilter structure located behind a detergent box together with the water remaining in a tub at the end of the pumping process, while the fibers are retained by the filter structure in order to release and drain the cleaned water into the tub.
  • WO 2023/172344 A1 describes a method for improved, more efficient or more effective filtering of materials, such as microplastics, from liquids.
  • a vortex filter provides vortex cross-flow filtration, whereby the vortex filter has a tapered spiral configuration that can be conical and can also assume a conical-helical configuration.
  • At the bottom of the vortex filter there is a collecting container through which flow is continuously carried out, whereby the microplastics are collected and can be removed.
  • a surface filter which is intended to be a further development of a so-called Sanderson filter.
  • Two flow paths are provided in the housing of the filter, whereby a first flow path guides a fluid with a smaller proportion of microfibers laterally through the filter structure, while a second flow path runs essentially along a central longitudinal axis, via which residues from the first flow path can be entrained towards the outlet and prevent the filter from becoming clogged.
  • WO 2013/184814 A1 shows a Sanderson filter.
  • DE 19748233 A1 discloses a filter device for solids, particularly coarse dirt, from wastewater, in which the wastewater is initially accelerated helically via an inlet and a subsequent spiral channel. A vortex is generated along a filter element below the inlet, which presses the solids contained in the wastewater against the wall of the filter element, whereby solids-free wastewater can exit the filter element through openings laterally present in the filter element. The remaining solids can be moved along the filter element in the direction of flow to the outlet and continuously deposit in a solids container or a sedimentation basin.
  • the filter element has a mesh or pore-shaped filter structure, which ensures that the fluid can escape from the mesh or pore-shaped filter element and the solids within the filter element If the filter element is arranged as an insert in the housing, it can be removed and/or washed individually.
  • the retentate can be collected in a container and removed from the container, whereby the container can be made of stainless steel or plastic. It is also possible to pass the retentate directly on by taking it to further technical processing, for example a centrifuge, in order to separate fluid adhering to the retentate or to feed it to further filtration, for example. Furthermore and additionally, the retentate can flow into a press that can compress the retentate and remove remaining fluid from the retentate.
  • the shape of the container is variable and depends on the respective design of the bionic device, in particular the filter element and/or the housing surrounding the filter element.
  • the bionic device can have an analog or digital control mechanism, according to which the amount, strength, i.e. the speed or pressure and temperature of the fluid inlet into the bionic device is regulated.
  • the helical flow within the filter element can also be generated or at least supported by the amount, speed and/or pressure and/or temperature of the fluid inlet.
  • the interruption of the fluid inlet and/or the drainage or suction of the microplastics or solids from the area of the filter element in general, for example the microplastics still suspended in the fluid or the microplastics already at the bottom of the filter element, can also be ensured by the control mechanism.
  • the control mechanism allows the solids to be drained away from the area of the filter element in order to enable ongoing, continuous or periodic cleaning of the fluid by the bionic filter element. This also includes the generation of a backflow into the fluid in the area of the base of the filter element so that any solids adhering to the walls of the filter element can be fed back into a removal, drainage or suction process. The induced backflow can therefore be used to clean the filter element.
  • the control mechanism can be designed as a valve or as a flap or sieve or hydrodynamic resistance and can control the opening or closing of a valve unit or flap arrangement or a sieve or a hydrodynamic resistance.
  • the control mechanism can control or include one or more valves, flaps, sieves or hydrodynamic resistances.
  • one control mechanism can be arranged in the area of the retentate drain and another in the area of the filtrate drain.
  • the control mechanism regulates, for example, the switching of valves and is intended to generate a suction/negative pressure with turbulent flow in the area of the filter element. This becomes stronger if, for example, a valve in the area of the filtrate drain closes while a valve in the area of the retentate drain opens.
  • the retentate valve is opened, for example, the particles still suspended in the fluid within the filter element in general and/or in the fluid within the filter element and/or the microplastics or microparticles already in the area of the bottom of the filter element are sucked out or drained away and can be collected in a container and then removed.
  • the control mechanism determines the cleaning interval, i.e. how often or at what intervals the retentate valve is opened, and the cleaning duration, i.e. how long the retentate valve is open, for example.
  • the control mechanism then backwashes the filter element in the form of a pressure pulse to the outer wall of the filter element in order to remove microplastics or particles adhering to the filter element wall with the retentate fluid.
  • cleaning or backwashing can also be carried out by using the control mechanism in the area of the filtrate outlet to force fresh water against the filter element via a hose that is attached to the filtrate outlet, for example, before cleaning the filter element.
  • Backwashing with fresh water can be pulsed or continuous. Cleaning with fresh water is preferably carried out with the filtrate valve and retentate valve closed, for example.
  • the microplastics or particles detach from the filter structure.
  • the control mechanism in the area of the retentate drain is opened, the microplastics or particles detached in this way are sucked off or slid away with the microplastics or particles already present in the filter element before cleaning or backwashing and can be collected in a container and then removed.
  • the filter element can also be cleaned by backwashing by alternating filtrate fluid and/or fresh water in order to make the cleaning as effective and cost-effective as possible.
  • the control mechanism usually regulates a cleaning interval in a range of 13s to 86s and a cleaning duration in a range of 0.6s to 6.5s.
  • the interval and duration can be set variably and include longer or shorter cleaning intervals or durations.
  • microplastics adhering to the inner wall of the filter element in the area of the filter element or the filter structure can initially be detached from the filter structure by the pressure pulse triggered on the outer wall of the filter element, for example by briefly closing and then reopening the filtrate valve, and can be drained or sucked away with the microplastic particles already present within the filter element when the retentate valve is opened.
  • the detached microplastic particles can therefore be sucked away or drained away with the particles already suspended within the filter element in general or in the fluid within the filter element and/or with the particles already located in the area of the bottom of the filter element and collected in a container and then removed.
  • a pressure pulse to detach adhering microplastics or particles is optional, i.e. it can be carried out, but is not absolutely necessary.
  • the filter element can also be cleaned when the filtrate valve is open, for example, by the control mechanism opening the retentate valve and draining or sucking off the retentate without the filtrate valve having to be closed.
  • additional sensor monitoring can be carried out, e.g. via the pressure difference on the filter element, which is connected to the control mechanism. If the sensor measures that a lot of microplastics or particles are accumulating in the filter and the filter element is in danger of becoming clogged, the control mechanism can control the valves or flaps or sieves or hydrodynamic resistors and carry out cleaning.
  • the cleaning interval can therefore be flexible depending on the load on the filter.
  • the design of the bionic device is chosen so that flange connections are present in the area of the inlet opening. These can also be present in the area of the housing or the filter element or the pre-chamber and are intended to provide a tight connection between the area of the inlet opening in the filter element and the housing or the pre-chamber.
  • the pre-chamber can, for example, be designed in two parts with the housing and/or the filter element, or the pre-chamber can be designed in one piece with the housing or only the housing with the filter element.
  • the two- or multi-part design and one-piece design of the housing, the pre-chamber and the filter element with or without an insert or adapter are in the foreground, whereby all possible variations are claimed as part of the invention, but not all of them are listed here exhaustively.
  • bionic devices or filter elements can be arranged or connected in series. These can all have the same or different design with regard to the arrangement of the filter element, the shape of the insert or adapter, the housing or the pre-chamber.
  • filter elements can also be arranged in one housing.
  • the other elements mentioned in the previous designs such as a housing with or without an insert or adapter or a pre-chamber with or without an insert or Adapters may be present in one or more housings or devices arranged together or separately to improve the purification of the fluid containing the solids.
  • the bionic device can also include a vent and/or a siphon to ensure that the fluid drains away and to prevent odors from contamination the environment.
  • the present invention also discloses a method for separating solids, in particular microplastics, from fluids, wherein the fluid enters a filter element via an inlet opening, generates a circular flow within a filter element through an at least partially conical design, wherein the filter element at least partially has a mesh or pore-shaped filter structure and then the fluid exits laterally through the mesh or pore-shaped filter structure of the filter element and the solids can be drained or sucked off as retentate in the region of the bottom of the filter element or a container arranged there, which can be a separate part or a component of the filter element, and can be collected and removed.
  • the choice of opening angle depends on various parameters such as the type of fluid, the type of solids, the flow velocity, the pressure and/or temperature of the fluid.
  • the aforementioned parameters can, individually or in combination, determine the size of the opening angle relative to the inlet opening in order to enable optimal separation of the solids from the fluid. This applies in particular to the selection of the insert or adapter as part of the pre-chamber to create the circular flow.
  • the insert or adapter as part of the pre-chamber or as an external part without a pre-chamber can, individually or in combination with the aforementioned parameters, help to determine the size of the opening angle relative to the inlet opening and to generate optimal circular flow and/or achieve filtration of the fluid.
  • the choice of insert or adapter inside or outside the pre-chamber therefore also contributes to the generation of the circular flow in the filter element.
  • the selection of the insert or adapter or the parameters is also important for the arrangement of the other components of the bionic device such as the housing, the pre-chamber and the filter element as a separate element or part of the housing or the filter element of the bionic device.
  • the filter element requires a smaller opening angle at the inlet of the filter element (40°) in order to ensure that the solids sink or roll down the wall areas of the filter element more easily and thus ensure better separation of the solids from the fluid.
  • the analogous considerations also apply when changing the size of the solids, the type of fluid, the pressure and/or the flow speed as parameter variations.
  • the circular flow of the fluid with the solids can be determined by choosing the aforementioned parameters and/or choosing the insert or adapter to generate a circular flow. It is not important whether the insert or adapter is part of the housing of the filter element, the pre-chamber or the housing or is arranged separately from it, but that an optimized separation of solids and fluid can be achieved by generating a circular flow within the filter element.
  • the fluid and/or the retentate can be drained or removed from the bionic device periodically or continuously. This is done by means of an analog or digital control mechanism that drains or sucks the retentate out of the area of the filter element.
  • This bionic device is intended to be used in water remediation, wastewater and food processing, in particular for removing microplastics from the wastewater of dishwashers or washing machines.
  • other applications can also be used, so the above possible uses are only examples and are not exhaustive.
  • a siphon was formed with the filtrate outlet pipe and valves were installed as control mechanisms in the retentate and filtrate outlets.
  • the volume flow was provided with the spiral-shaped pre-chamber.
  • the control mechanism comprised two automatic valves in the area of the filtrate and retentate outlet to clean the filter element at certain intervals.
  • the filtrate outlet was opened and the retentate outlet for 0.6 s and 1.3 s when 10 I and 20 I passed through the filter element.
  • the cleaning effect on the volume flow was tested with plastic flock fibers (0.1 g/l), as this combination is most similar to the application in washing machines. 10 I were filtered and the filter element was cleaned after 5 I and 10 I. This process was repeated five times. Between the individual tests, the test bench was rinsed with clean water and the filter element was washed manually to remove any remaining particles.
  • control mechanism closed the valves, filled the filter element with clean water and vented it, and mixed 20 l of tap water, 0.5 g of flock fibers and 5 ml of liquid detergent together.
  • the control mechanism opened the valve in the area of the filtrate outlet to start the test. Cleaning was automatically stopped when 5 l and 10 l passed through the filter element. After the second cleaning, the test was stopped and the control mechanism closed the valves.
  • Periodic cleaning can prevent the filter element from becoming clogged. Cleaning increases the volume flow of a fiber suspension compared to a non-cleaned filter fabric. The effect can be even stronger if the cleaning frequency is increased.
  • FIG. 1 shows the bionic device 1 in a schematic side view. It is schematically indicated that a fluid (upper arrow) enters a pre-chamber 11. Below the pre-chamber 11 there is a housing 2 into which the fluid flows from the pre-chamber 11 and on which a vent 12 is arranged. Inside the housing 2 there is a filter element 3 (not shown) through which the fluid flows. The fluid flow or the concentration of the solids in container 7 is regulated by a control mechanism 8. In the area of the vertical fluid outlet there is a siphon 10 which serves, among other things, to regulate the fill level in the housing 2.
  • FIG. 2 shows a filter element 3 with an inlet opening 4, a filter structure 5 and the opening angle 6.
  • the filter structure 5 tapers conically from the inlet opening 4 to the outlet opening in the central lower area of the filter element 3.
  • the conical shape of the filter element 3 enables the particles or solids to sink or roll along the filter element 3, which are caught, collected or concentrated in a central area of the filter element in the form of a collecting container, a capsule or sleeve.
  • the filter element 3 itself has a rigidity that largely withstands tensile, shear, bending and/or torsional forces. This is important so that the filter element 3 can ensure a constant conical or at least concave shape that withstands the helical, circular or circular movement of the fluid with the solids within the filter element 3.
  • the filter element 3 is provided with frame elements which run through the filter element 3 in the form of ribs or gills.
  • the filter element 3 has a mesh or pore-shaped filter structure 5 (not shown) between the rib or gill-shaped frame elements, through which the fluid can escape from the mesh or pore-shaped filter element 3, while the solids remain within the filter element 3.
  • Figure 2 shows the filter element 3 with housing 2 with a pre-chamber 11 and an insert/adapter 15 in a two-part embodiment in a vertical cross-section. A fluid with solids flows (indicated by the upper vertical arrow) into a pre-chamber 11, in which an insert/adapter 15 is arranged.
  • the insert/adapter 15 is in the present case spindle-shaped, so that the fluid flowing in with the solids already experiences a circular rotation within the pre-chamber 11.
  • the pre-chamber 11 is connected to the housing 2 via flange connections 9.
  • the fluid with the solids flows from the pre-chamber 11 into the filter element 3 via an inlet opening 4. Due to the induced circular flow, the solids of the fluid in the area of the filter element 3 are pressed laterally against the filter structure 5, which in this case is surrounded by gills or arches with frame elements, and move in a rolling or sinking movement towards the bottom of the central area of the filter element 3.
  • the solids can also be sucked out of the collecting container, the capsule or the sleeve via a valve or removed as retentate or concentrate via an outlet 14 of the bionic device 1.
  • the fluid that has escaped laterally from the filter structure 5 and been filtered can be fed back into the fluid or (waste) water circuit via a filtrate outlet 13.
  • Figure 3 shows the filter element 3 with housing 2 with a pre-chamber 11 and an insert/adapter 15 in a two-part embodiment in a vertical cross-section.
  • a fluid with solids flows (indicated by the upper vertical arrow) into a pre-chamber 11 in which an insert/adapter 15 is arranged.
  • the insert/adapter 15 is in the present case spindle-shaped, so that the fluid flowing in with the solids already experiences a circular rotation within the pre-chamber 11.
  • the pre-chamber 11 is connected to the housing 2 via flange connections 9.
  • the fluid with the solids flows from the pre-chamber 11 into the filter element 3 via an inlet opening 4.
  • the solids of the fluid in the area of the filter element 3 are pressed laterally against the filter structure 5, which in this case is surrounded by frame elements in the form of gills or arcs, and move in a rolling or sinking movement towards the bottom of the central area of the filter element 3.
  • the filter structure 5 which in this case is surrounded by frame elements in the form of gills or arcs, and move in a rolling or sinking movement towards the bottom of the central area of the filter element 3.
  • a collecting container, a capsule or a sleeve in which solids are collected or concentrated.
  • the solids that have reached the collecting container, the capsule or the sleeve can be removed as retentate or concentrate via an outlet 14 of the bionic device 1.
  • the fluid that has escaped laterally from the filter structure 5 and been filtered can be fed back into the fluid or (waste) water circuit via a filtrate outlet 13.
  • Figure 4 shows a vertical cross-section of the pre-chamber 11 with a spindle-shaped insert/adapter 15.
  • a spindle-shaped insert/adapter 15 arranged within the pre-chamber 11, which widens conically towards the outside, which sets a fluid with solids in a circular preferential movement in the direction of flow.
  • the fluid which is set into a preferential movement by the spindle-shaped insert/adapter 15, can flow with the solids into a subsequent filter element 3 (not shown).
  • the solids Due to the circularly induced flow in the area of the filter element 3, the solids are separated from the fluid at the filter structure 5 (not shown), in that the fluid exits laterally through the mesh-like or pore-like filter structure 5 and the solids sink downwards or roll downwards along the filter structure 5.
  • Figure 5 shows a plan view of a helical prechamber 11 which has a circular flange with holes.
  • a fluid with solids is set in a circular preferential movement in the direction of flow by the helical design of the prechamber 11.
  • the fluid with the solids exits as flatly as possible and directly onto the filter structure 5 (not shown) at the edge of the filter element 3 (not shown) through an opening in the helical prechamber 11.
  • the fluid with the solids can then flow into the filter element 3 (not shown) following in the direction of flow.
  • the solids Due to the circularly induced flow in the area of the filter element 3 (not shown), the solids are separated from the fluid at the filter structure 5 (not shown) by the fluid exiting laterally through the mesh-like or pore-like filter structure 5 (not shown) and the solids sinking or rolling downwards along the filter structure 5 (not shown).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bionische Vorrichtung und ein Verfahren zur Abtrennung von Mikroplastik aus einem Fluid, wobei die Vorrichtung aus mindestens einem Gehäuse und mindestens einem Filterelement oder mindestens einem freitragendem Filterelement besteht, das kiemenförmig ausgebildet ist und das Fluid einenends über eine Eintrittsöffnung in das Gehäuse und das Filterelement oder das freitragende Filterelement eintritt und anderenends sich das abgetrennte Mikroplastik als Retentat durch eine zirkuläre Strömung innerhalb des Filterelements anreichern und zentral im Bereich des Filterelements über einen Retentatablauf ableitbar oder absaugbar und in einem Behälter auffangbar und entnehmbar ist, wobei das Gehäuse und das Filterelement oder das freitragende Filterelement zur Erzeugung der zirkulären Strömung einen Öffnungswinkel zur Eintrittsöffnung von a « 90° aufweisen und zumindest teilweise konisch ausgestaltet sind, wobei das Filterelement zumindest teilweise eine maschen- oder porenförmige Filterstruktur aufweist und das Fluid lateral durch die maschen- oder porenförmige Filterstruktur des Filterelements und den Filtratablauf austritt.

Description

Bionisches Filterelement umfassende Filtervorrichtung und Verfahren zur Abtrennung von Mikroplastik aus Fluiden
Die Erfindung betrifft eine bionische Vorrichtung und ein Verfahren zur Abtrennung von Mikroplastik aus einem Fluid, wobei die Vorrichtung aus mindestens einem Gehäuse und mindestens einem Filterelement oder mindestens einem freitragendem Filterelement besteht, das kiemenförmig ausgebildet ist und das Fluid einenends über eine Eintrittsöffnung in das Gehäuse und das Filterelement oder das freitragende Filterelement eintritt und anderenends sich das abgetrennte Mikroplastik als Retentat durch eine zirkuläre Strömung innerhalb des Filterelements anreichem und zentral im Bereich des Filterelements über einen Retentatablauf ableitbar oder absaugbar und in einem Behälter auffangbar und entnehmbar ist, wobei das Gehäuse und das Filterelement oder das freitragende Filterelement zur Erzeugung der zirkulären Strömung einen Öffnungswinkel zur Eintrittsöffnung von a « 90° aufweisen und zumindest teilweise konisch ausgestaltet sind, wobei das Filterelement zumindest teilweise eine maschen- oder porenförmige Filterstruktur aufweist und das Fluid lateral durch die maschen- oder porenförmige Filterstruktur des Filterelements austritt.
Es ist heute allgemein bekannt, dass Mikroplastik negative Auswirkungen auf Organismen und die Umwelt haben kann. Um kurz- und mittelfristig eine Reduktion des Mikroplastikeintrags zu erreichen, sind technische Innovationen nötig, die zügig und kostengünstig in bereits bestehende Produktionsketten integriert werden können. Hierbei stehen insbesondere neue Filtertechnologien im Fokus, welche möglichst früh an den „Eintrittspfaden“ von Mikroplastik in die Umwelt eingesetzt werden könnten, so zum Beispiel in Waschmaschinen. Bei jedem Waschgang können 124 bis 308 mg synthetische Mikrofasern pro kg Wäsche emittiert werden. Diese synthetischen Fasern werden als Mikroplastik bezeichnet und belegen mit 77 g/Kopf pro Jahr in Deutschland Platz 10 der Gesamtemissionen. Auf globaler Ebene liegen synthetische Fasern noch vor anderen Mikroplastikquellen wie Reifenabrieb oder Mikroplastik in Kosmetik auf Platz eins. Kläranlagen können diese Fasern nur teilweise zurückhalten.
Gängige Filter nach dem Stand der Technik nutzen zumeist eine sog. Dead-End Filtration mit einem Filtermedium, auf dessen Oberfläche sich ein Filterkuchen aufbaut, der in regelmäßigen Abständen entfernt werden muss, wie z.B. in Filterkaffee- Maschinen (Austausch des Filterelements, Abrütteln, Rückspülung). Dead-End-Filter eignen sich grundsätzlich zur Entfernung von Mikroplastik, müssen aber in relativ kurzen Abständen fachgerecht gereinigt und ggf. zum Hersteller zurückgeschickt werden. Flotation und zyklon-basierte Abscheidung, wie es bisher in Abwässern eingesetzt wird, eignen sich nicht für die gezielte Entfernung von Mikroplastik, denn durch die sehr ähnliche Dichte von Flüssigkeit und Festkörpern sind diese Trennverfahren nur schlecht anwendbar. Querstromfiltration bedarf hohen Pumpdrucks mit feinen Membranen und wird in der Nano- und Ultrafiltration eingesetzt und nicht in Abwässern mit Festkörpergrößen von bis zu 1 mm. So sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Filtervorrichtungen und Filterverfahren bekannt, die aber die vorgenannten Nachteile aufweisen.
So beschreibt die EP 4041429 A1 einen Separator zur Abtrennung von Mikroplastik aus einem Abwasser umfassend eine Kammer mit einem Einlass und einem Auslass, eine Siebstruktur, die eine durchlässige Barriere zwischen dem Einlass und dem Auslass bildet und eine Waschvorrichtung zum Waschen der Siebstruktur, wobei die Siebstruktur ein erstes Netz innerhalb der Kammer umfasst.
Die WO 2022023953 A1 zeigt eine Filtervorrichtung für Flüssigkeiten, bestehend aus einem Behälter und mindestens einem Filter, der in abnehmbarer Weise in dem anderen Behälter untergebracht ist, wobei der Filter aus einem Filterpaket besteht, der eine erste, strukturell starre, an den Druck der Flüssigkeit angepasste Schicht umfasst und eine zweite Schicht, die strukturell weich ausgestaltet ist, um Mikroverunreinigungen zu filtern, ohne den Flüssigkeitsfluss zu behindern und ohne dem Druck nachzugeben.
Die US 2022154385 A1 umfasst Verfahren, Apparate und Waschmaschinen, die die Filtration von Mikropartikeln aus flüssigen Abwässern von Wäschereigeräten und - Systemen beinhalten. So wird Abwasser aus dem Ausgang einer äußeren Wanne der Waschmaschine entnommen und ein kontinuierlicher Hochdruckzustand hergestellt, der zumindest einen Teil des gesammelten flüssigen Abwassers durch eine Pumpvorrichtung umfasst, wobei mit Hilfe eines Sensors eine Schwellenmenge an Hochdruckflüssigkeit mittels einer Pumpvorrichtung durch ein Mikropartikelfiltersystem gedrückt wird. Die WO 2022084677 A1 beschreibt einen Mikropartikelfilter, der zum Filtern von Mikropartikeln aus Abwässern aus einer Textilbehandlungsvorrichtung geeignet ist. Der Filter umfasst eine Filterkammer bestehend aus Kammerwänden, einem Einlass und einem Auslass. Der Filter umfasst auch ein in der Filterkammer enthaltenes Filtermedium, sodass Mikropartikel aus dem Abwasser gefiltert werden. Der Filter besteht aus einer Filterrückstandssammelkammer, wobei die Kammerwände aus einer Öffnung und einem beweglichen Element bestehen und das Element zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration hin und her bewegt werden kann.
Die DE 102020207163 A1 betrifft eine Filtereinrichtung zur Filtration von Mikroplastik aufweisend ein Gehäuse mit einem Hauptströmungspfad mit einem ersten Filterelement und einem Nebenströmungspfad mit einem zweiten Filterelement, wobei das erste Filterelement oberhalb des zweiten Filterelements angeordnet ist.
Die WO 2021116933 A1 beschreibt einen Verdichter zum automatischen Absaugen und Verdichten von Mikroplastik aus Abfallabwässern, wobei der Verdichter mit einem Einlass mit mindestens einer Platte innerhalb der Kammer angeordnet ist, die zwischen einer nicht zusammendrückenden Position und einer Druckposition bewegt werden kann und eine Antriebseinheit zum Antrieb der mindestens einen Platte und einen Entleerungsauslass, der so angeordnet ist, dass komprimiertes Mikroplastik automatisch entladen werden kann.
Die EP 4041458 A1 offenbart einen Separator, der zur Abtrennung von Mikroplastik aus Abwässern geeignet ist und eine Kammer mit einer Einlassleitung und einer Auslassleitung, wobei die Kammer eine Schallwand aufweist, die koaxial mit der Verkleidung ist und vom unteren Ende der Kammer nach oben ragt.
Die EP 4041429 A1 beschreibt einen Separator zur Abtrennung von Mikroplastik aus Abwasser, bestehend aus einer Kammer mit einem Einlass und einem Auslass, einer Siebstruktur, die eine durchlässige Barriere zwischen dem Einlass und dem Auslass bildet und einer Waschvorrichtung wobei die Waschvorrichtung einen Kanal umfasst, der mit einem ersten Satz fester Führungen verbunden ist, die sich um ein Ende eines ersten Netzes befinden, um die Waschflüssigkeit über das erste Netz zu leiten. Die US 4696797 A zeigt einen Flüssigkeitssuspensionsabscheider, umfassend ein Gehäuse mit einer Abscheidekammer mit einem Filterkörper, der die Partikel der Suspension seitlich aus der flüssigen Komponente filtert, wobei das Gehäuse eine Elution-, Flüssigkeitssuspension- und Auslassöffnungen umfasst und die flüssige Komponente der Suspension gesammelt werden kann.
Die EP 4037804 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Filtern von Wasser, umfassend einen Filter, der einen durchlässigen Behälter für die zu filternde Flüssigkeit bildet, einen Betätigungseinlass zum Bereitstellen eines Wasserstroms, einen Filterflüssigkeitseinlass zum Bereitstellen der zu filternden Flüssigkeit zum Filter und eine drehbare Reinigungsstruktur zum Reinigen des Filters, wobei die Struktur mindestens einen Abstreifer umfasst. Der Abstreifer ist in Bezug auf die erste Oberfläche des Filters drehbar gelagert und weist mindestens ein drehbares Element auf, das zur Aufnahme des Wasserstroms angeordnet ist.
Die CN 214990829 U zeigt eine Schnelltrennvorrichtung für Mikroplastik in Meeressedimenten, die 5 Trennzylinder umfasst, wobei der erste Trennzylinder einen vertikalen Abschnitt aufweist, der am oberen Teil des zweiten Trennzylinders mit dem vertikalen Abschnitt durch eine Verbindungsleitung verbunden ist und über ein erstes Filtersieb in der Verbindungsleitung Meerwasser filtert.
Die EP 3676439 A4 offenbart ein Verfahren zum Reinigen von Abwasser aus einer Waschmaschine aufweisend eine Mikrofaserfiltereinheit, die eine Anzahl gestapelter Filterschichten aufweist, die durch eine Rahmenanordnung an Ort und Stelle gehalten werden.
Die US 11045843 B2 zeigt Vorrichtung zum Entfernen von Fasern aus einer wässrigen Lösung, wobei eine zentrale Stange mit einem oberen Ende, einem mittleren Teil und einem unteren Ende vorhanden ist und mehrere Scheiben mit jeweils einer zentralen Öffnung, die so geformt sind, dass sie auf den zentralen Stab passen und mehrere Arme aufweisen, wobei sich jeder der mehreren Arme von der zentralen Öffnung zu einem äußeren Ende auf einer Ebene erstreckt, die im Wesentlichen orthogonal in Bezug zu dem zentralen Stab sind. Die EP 1528139 A2 beschreibt ein Gerät zum Reinigen von Geweben bestehend aus einem Behälter für die relative Bewegung des zu reinigenden Gewebes, ein Mittel zum Einführen einer Arbeitsflüssigkeit zu dem Behältnis, einen Kreuzmembranfilter, ein kompressorbetriebenes Kältesystem und einen Wärmetauscher mit einer Kühlmittelseite und eine Pumpe, um die Arbeitsflüssigkeit aus dem Behälter durch die Arbeitsflüssigkeitsseite des Wärmetauschers und dann durch das Filtermittel zu bewegen.
Aus der US 2022154385 A1 ist eine Waschmaschine mit einem Hydrozyklon- und ein Filtrationshybridsystem bekannt, bei der die während des Waschvorgangs abbrechenden Fasern durch den Hydrozyklon geleitet werden, um vom Abflusswasser getrennt zu werden. Die vom Abflusswasser getrennten Fasern werden zusammen mit dem am Ende des Pumpvorgangs in einer Wanne verbleibenden Wasser in die hinter einem Reinigungsmittelkasten befindliche Mikrofilterstruktur überführt, während die Fasern von der Filterstruktur zurückgehalten werden, um das gereinigte Wasser in die Wanne abzugeben und abzuleiten.
Die WO 2023/172344 A1 beschreibt ein Verfahren für eine verbesserte, effizientere oder effektivere Filterung von Materialien, wie etwa Mikroplastik, aus Flüssigkeiten. Dabei sorgt ein Wirbelfilter für eine Wirbel-Querstromfiltration, wobei der Wirbelfilter eine sich verjüngende spiralförmige Konfiguration aufweist, die konisch ausgestaltet sein und auch eine konisch-helixförmige Konfiguration annehmen kann. Am Boden des Wirbelfilters befindet sich ein Sammelbehälter, der kontinuierlich durchströmt wird, wobei das Mikroplastik aufgefangen wird und entnommen werden kann.
Aus der DE 102021207442 A1 ist ein Flächenfilter bekannt, der eine Weiterbildung eines sogenannten Sanderson-Filters darstellen soll. Es sind in dem Gehäuse des Filters zwei Strömungswege vorgesehen, wobei ein erster Strömungsweg ein Fluid mit Mikrofasern in geringerem Anteil lateral durch die Filterstruktur führt, während ein zweiter Strömungsweg im Wesentlichen entlang einer Mittellängsachse verläuft, über den Rückstände des ersten Strömungswegs in Richtung Ausgang mitgerissen werden können und eine Verstopfung des Filters verhindern. Die WO 2013/184814 A1 zeigt einen Sanderson-Filter. In diesem wird ein Fluid mit Feststoffen, beispielsweise Abwasser aus Algenzuchtanlagen, in eine zylinderförmige Struktur entlang der Längsmittelachse gebracht, wobei über die Krümmung von Rippen oder leitblechförmigen Elementen innerhalb der zylinderförmigen Struktur ein Teil des Fluids mit den Feststoffen über Schlitze in den Wandbereich der zylinderförmigen Struktur gelangen und dort von dem den Wänden zurückgehalten bzw. gefiltert werden. Lateral kann an der Mantelfläche der zylinderförmigen Struktur das gefilterte Fluid über Löcher wieder austreten. Entlang der Längsmittelachse innerhalb der zylinderförmigen Struktur strömt verbliebenes Abwasser von einem Ende des Filters zum anderen Ende, wobei zurückgebliebene Feststoffe im Strömungsweg mitgerissen werden und der Filter nicht verstopft.
Aus der DE 19748233 A1 ist eine Filtervorrichtung für Feststoffe, insbesondere Grobschmutz, aus Abwasser bekannt, bei der über einen Zulauf und einen darauffolgenden spiralförmigen Kanal das Abwasser zunächst helikal beschleunigt wird. Entlang eines Filterelements unterhalb des Zulaufs wird einen Wirbel erzeugt, der die im Abwasser enthaltenen Feststoffe an die Wandung des Filterelements drückt, wobei feststofffreies Abwasser durch lateral im Filterelement vorhandene Durchgangsöffnungen aus dem Filterelement austreten kann. Die verbliebenen Feststoffe können entlang des Filterelements in Strömungsrichtung zum Auslauf bewegt werden und sich kontinuierlich in einem Feststoffbehälter oder einem Sedimentationsbecken ablagern.
Die US 4003837 A offenbart schließlich einen selbstreinigenden Filter in einem Kühlsystem eines Schiffes, bei dem eine rotierende Schnecke in einem Zylinder Kühlwasser transportiert, wobei über siebartige Löcher im Zylinder etwaige Feststoffe im Kühlwasser zerkleinert werden, um im Kühlsystem beim Kühlvorgang keinen Schaden hervorzurufen.
Das Problem, das vorliegend gelöst werden soll ist, dass in einem Fluid enthaltene Festkörper, insbesondere Mikroplastik in Abwasser, in einem kontinuierlichen Vorgang durch eine Vorrichtung getrennt und während des Betriebs dieser Vorrichtung eine Reinigung der Vorrichtung durchgeführt werden kann, sodass der Trennprozess ohne Verstopfung erfolgt und möglichst viel Mikroplastik mit möglichst wenig Wasser in einem Behälter gesammelt werden kann.
Das Problem wird vorliegend durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 12 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine bionische Vorrichtung zur Abtrennung von Feststoffen, insbesondere Mikroplastik aus einem Fluid eingesetzt wird. Die Bezeichnung bionisch wurde vorliegend gewählt, um zu verdeutlichen, dass eine besondere Geometrie des Gehäuses und des Filterelements vorliegen kann, die von plankton-filtrierenden Fischen abgeleitet worden ist. So ist in einer besonderen Ausgestaltung des Gehäuses und/oder Filterelements eine bogen- und/oder kiemenförmig Ausgestaltung vorgesehen, die der Kiemenbogenform der Fische nachgebildet ist. Außerdem orientiert sich der Winkel im konischen Filterelement an den untersuchten Winkel im Kiemenreusensystem der Fische.
Unter Mikroplastik im Rahmen dieser Anmeldung sind Feststoffe oder kleine Kunststoffteilchen mit einem Durchmesser unter 5 mm (5000 Mikrometer) zu verstehen. Noch kleinere Kunststoffpartikel, in der Größe von 1 bis zu maximal 1000 nm, werden zwar als Nanoplastik bezeichnet. Im Rahmen dieser Erfindung wird jedoch die Unterscheidung zwischen Mikro- und/oder Nanoplastik nicht exakt vorgenommen, da die Feststoff große oder Mikroplastikgröße in einem Fluid oftmals nicht eindeutig bestimmbar ist. Auch hängt die Reinigung des Fluids u.a. von der Porengröße des Filterelements ab. Es werden damit unter dem Begriff Feststoffe oder Mikroplastik vorliegend sowohl Mikro- als auch Nanoplastikpartikel bezeichnet, die insbesondere auch Nano- und Mikroplastik als auch Nano- und Mikroplastikfasern umfassen können. Das Nano- und Mikroplastik kann auch andere Feststoffe als Nanoplastik- oder Mikroplastikpartikel wie beispielsweise Nano- und Mikroplastikfasern umfassen, solange diese im Fluid dispergiert vorliegen.
Unter den Begriff Fluid sind vorliegend Flüssigkeiten und Gase zu verstehen, in denen Feststoffe dispersionsartig transportiert werden. Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens ein Gehäuse und/oder mindestens ein Filterelement auf, in die das Fluid einenends über eine Eintrittsöffnung in das Gehäuse und/oder das Filterelement eintritt und sich anderenends die abgetrennten Feststoffe als Retentat durch eine zirkuläre Strömung innerhalb des Filterelements anreichern und zentral im Bereich des Filterelements abgeleitet oder entnommen werden können.
Dazu kann das Gehäuse und/oder das Filterelement zur Erzeugung der zirkulären Strömung zumindest teilweise konisch ausgestaltet sein, wobei das Filterelement zumindest teilweise eine maschen- oder porenförmige Filterstruktur aufweist und das Fluid lateral durch die maschen- oder porenförmige Filterstruktur des Filterelements austreten kann.
Die Filterstruktur verjüngt sich vom Eintrittsöffnung bis zur Austrittsöffnung konisch (Öffnungswinkel a « 90°). Die Trennung der Festkörper vom Fluid wird mittels einer Abwandlung bzw. Anpassung einer Querstromfiltration erreicht, welche als Semi- Querstromfiltration (semi-cross-flow-filtration) bezeichnet werden kann. Hierbei strömt die gereinigte Flüssigkeit seitlich durch das Filterelement hindurch (Filtrat), während die Feststoffe im Inneren des Filterelements vom Einlauf bis zum Ausgang immer weiter aufkonzentriert und schließlich als Stoffgemisch (Retentat) mit hohem Festkörperanteil im zentralen Bereich des Filterelements abgeleitet, abgesaugt oder gesammelt und entnommen werden können.
Durch die hydrodynamisch optimierte Eintrittsöffnung und das sich in Strömungsrichtung verjüngende Filterelement, wird eine zirkuläre Strömung erzeugt. Die konisch zulaufende Form des Filterelements ermöglicht ein Abrollen des Mikroplastiks oder der Partikel entlang des Filterelements. Trennaufgaben für diverse Feststoffe und Partikel lassen sich durch Anpassung des Filterelements und/oder des Filtergewebes leicht realisieren. Experimente oder Versuche können die Lösung einer solchen Aufgabe unterstreichen. Eine vorliegende Semi-Querstromfiltration ermöglicht eine Aufkonzentrierung der Feststoffe am Filterelementausgang als Retentat. Durch eine Öffnung im zentralen Bereich des Filterelements sind die Feststoffe ableitbar, absaugbar oder entnehmbar. Dadurch muss das Filterelement für beispielsweise eine Reinigung nicht entnommen werden und erfordert wenig Nutzerinteraktion bei der Entnahme des Retentats oder Reinigung des Filterelements. Gleichwohl kann ein Auffangbehälter für das Retentat regelmäßig entleert werden.
Die Filterstruktur verjüngt sich von der Eintrittsöffnung bis zur Austrittsöffnung konisch (Öffnungswinkel a « 90°), vorteilhaft im Bereich von a = « 40°, besonders vorteilhaft im Bereich von a = « 20°. Durch die hydrodynamisch optimierte Eintrittsöffnung und das sich in Strömungsrichtung verjüngende Filterelement samt Filtergewebe wird eine zirkuläre Strömung erzeugt. Die konisch zulaufende Form des Filterelements ermöglicht dabei ein Abrollen des Mikroplastiks oder der Partikel entlang des Filterelements.
Die Eintrittsöffnung des bionischen Filterelements kann von einem Gehäuse, in die das Filterelement eingepasst ist, umgeben sein. Das Gehäuse kann insofern die äußere Hülle des bionischen Filterelements darstellen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Filterelement selbst die Rahmenstruktur des Filterelements umfasst, mit anderen Worten freitragend ist. Das Gehäuse und/oder das Filterelement können zumindest teilweise konisch ausgebildet oder weisen zumindest teilweise eine konkave Form aufweisen. Ein Teil des Gehäuses oder des Filterelements kann einen spindelförmigen oder schneckenförmigen oder trennwandähnlicher Einsatz oder eine adapterartige Form aufweisen. Der spindelförmige oder schneckenförmige oder trennwandähnliche Einsatz oder spindelförmige oder schneckenförmige oder trennwandähnliche Adapter kann auch in dem Filterelement oder in einer separat vorgelagerten Vorkammer integriert sein.
Entlang des Einsatzes in der Vorkammer oder im Gehäuse dieser Form strömt das Fluid mit den Feststoffen und wird schon während des Einströmvorgangs in das Filterelement in eine helikale, zirkuläre oder kreisförmige Bewegung versetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass der spindelförmige, schneckenförmige oder trennwandähnlich Einsatz oder spindelförmige oder schneckenförmige oder trennwandähnliche Adapter in einem von dem Gehäuse und/oder Filterelement separaten Gehäuse angeordnet ist und mit dem Gehäuse und/oder dem Filterelement über eine Verbindung beispielsweise einem Flansch im Bereich der Eintrittsöffnung oder auch beabstandet von der Eintrittsöffnung verbunden wird. Der spindelförmige, schneckenförmige oder trennwandähnlich Einsatz oder spindelförmige oder schneckenförmige oder trennwandähnliche Adapter kann auch in der Vorkammer integriert sein.
Die Eintrittsöffnung des bionischen Filterelements kann auch von einer Vorkammer umgeben sein, in die das Fluid mit den Feststoffen zunächst geleitet wird, bevor das Fluid mit den Feststoffen entlang der spindelförmigen oder schneckenförmigen oder trennwandähnlichen Form in das Filterelement gelangt. Die Vorkammer kann daher ein Teil des Gehäuses und/oder des Filterelements sein oder dem Gehäuse und/oder der Eintrittsöffnung des Filterelements vorgelagert sein, wie dies auch mit dem spindelförmigen, schneckenförmigen oder trennwandähnlichen Einsatz oder spindelförmige oder schneckenförmige oder trennwandähnliche Adapter als Teil der Vorkammer der Fall ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Vorkammer quasi einen Teil des Gehäuses und/oder des Filterelements darstellt. Insofern ist es auch möglich, dass die Vorkammer Teil des Gehäuses und/oder Filterelement ist und mit dem Gehäuse und/oder dem Filterelement einstückig ausgebildet ist. Im Fall der separaten Anordnung kann die Vorkammer über eine Verbindung beispielsweise einem Flansch im Bereich der Eintrittsöffnung oder auch beabstandet von der Eintrittsöffnung mit dem Gehäuse und/oder Filterelement verbunden sein.
Das Filterelement selbst weist eine Steifigkeit aus, die Dehn-, Schub-, Biege- und oder Torsionskräften weitestgehend widersteht. Dieses ist deswegen wichtig, damit das Filterelement eine konstant konische oder zumindest konkave Form gewährleisten kann, die einer helikalen, zirkulären oder kreisförmigen Bewegung des Fluids mit den Feststoffen innerhalb des Filterelements widersteht. Auch muss das Filterelement dem Fluiddruck mit den Feststoffen widerstehen können.
Das Gehäuse und/oder das Filterelement als Einsatz oderfreitragendes Element kann rippen- oder kiemenförmig ausgestaltet sind. Diese Art der Konstruktion des Gehäuses und/oder des Filterelements kann deswegen gewählt werden, um Material bei der Herstellung des Gehäuses und/oder des Filterelements zu sparen.
Das Filterelement weist eine maschen- oder porenförmigen Filterstruktur auf, wodurch gewährleistet wird, dass das Fluid aus dem maschen- oder porenförmigen Filterelement austreten kann und die Feststoffe innerhalb des Filterelements verbleiben. Das Filterelement ist im Fall der Anordnung als Einsatz des Gehäuses einzeln entnehm- und/oder waschbar.
Die maschen- oder porenförmige Filterstruktur des Filterelements umfasst Maschenoder Porengrößen von 20pm bis 500pm, vorteilhaft 50 pm bis 100 pm große Öffnungen. Die Wahl der Maschen- oder Porengröße ist abhängig von der Größe der zu filternden Feststoffe und der Fließgeschwindigkeit bzw. dem Druck des die Feststoffe enthaltenden Fluids.
Das Filterelement mit der maschen- oder porenförmigen Filterstruktur besteht in der Regel aus Edelstahl. Es ist jedoch auch möglich, dass das Filterelement aus einem Kunststoff oder Kunststoffgewebe als Filterstruktur besteht, wobei die maschen- oder porenförmigen Filterstruktur aus demselben oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann wie das Filterelement. Auch das Gehäuse ist in der Regel aus Edelstahl gefertigt, kann jedoch wie das Filterelement auch Kunststoff oder Kunststoffgewebe gefertigt sein. Es ist auch möglich, dass das Filterelement tragende oder stützendes Elemente aufweist, die beispielsweise rippen- oder bogenförmig ausgestaltet sein können und eine maschen- oder porenförmige oder gewebsartige Filterstruktur stützen oder durchziehen.
Ferner weist die Filtervorrichtung einen Mehrwegeablauf auf, bei dem das Fluid und/oder das Retentat periodisch oder kontinuierlich aus der Filtervorrichtung ableitbar, absaugbar oder entnehmbar ist. Das aus dem bionischen Filterelement lateral austretende Fluid kann über einen Ablauf ohne Feststoffe wieder dem Fluidkreislauf bzw. Wasser- oder Abwasserkreislauf zugeführt werden. Das Retentat, also die im Bereich des Filterelements zurückgebliebenen Feststoffe oder die Mikroplastikpartikel, die sich allgemein innerhalb des Filterelements und/oder in der Schwebe im Fluid innerhalb des Filterelements befinden, also noch nicht zu Boden gesunken sind, können über ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil am Boden des Filterelements abgeleitet, abgesaugt und/oder über einen Feststoffbehälter in einen dem Boden des Filterelements zugehörigen oder nachfolgenden Behälter kontinuierlich oder sequenziell gesammelt und anschließend entnommen werden. Das Retentat ist in einem Behälter auffangbar und aus dem Behälter entnehmbar, wobei der Behälter aus Edelstahl oder Kunststoff bestehen kann. Es ist aber auch möglich das Retentat direkt weiterzuleiten, indem es zu einer weiteren technischen Aufbereitung geführt wird, beispielsweise einer Zentrifuge, um am Retentat anhaftendes Fluid abzutrennen oder auch um es beispielsweise einer weiteren Filtration zuzuführen. Ferner und zusätzlich kann das Retenat in eine Presse münden, die das Retentat zusammendrücken und verbliebenes Fluid aus dem Retentat entfernen kann. Die Form des Behälters ist variabel und ist abhängig von der jeweiligen Konstruktionsform der bionischen Vorrichtung, insbesondere des Filterelements und/oder des das Filterelement umgebenden Gehäuses.
Die bionische Vorrichtung kann über eine analoge oder digitale Steuermechanik verfügen, wonach die Menge, die Stärke, d.h. die Geschwindigkeit oder der Druck und die Temperatur des Fluideinlass' in die bionische Vorrichtung geregelt wird. Durch die Menge, die Geschwindigkeit und/oder den Druck und/oder die Temperatur des Fluidzulaufs, kann auch die helikale Strömung innerhalb des Filterelements erzeugt oder zumindest unterstützt werden. Auch kann die Unterbrechung des Fluidzulaufs und/oder die Ableitung oder die Absaugung des Mikroplastiks oder der Feststoffe aus dem Bereich des Filterelements allgemein beispielsweise von dem noch im Fluid in der Schwebe befindlichen Mikroplastik oder von dem bereits am Boden des Filterelements befindlichen Mikroplastiks durch die Steuermechanik gewährleistet werden.
Die Steuermechanik ermöglicht eine Ableitung der Feststoffe aus dem Bereich des Filterelements, um eine fortwährende bzw. kontinuierliche oder periodische Reinigung des Fluid durch das bionische Filterelement zu ermöglichen. Dazu zählt auch die Generierung einer Rückströmung in das Fluid im Bereich des Bodens des Filterelements, damit eventuell an den Wänden des Filterelements anhaftende Feststoffe wieder einem Entnahme-, Ablauf- oder Absaugvorgang zugeführt werden können. Die induzierte Rückströmung kann also zur Reinigung des Filterelements dienen.
Die Steuermechanik kann als Ventil oder als Klappe oder Sieb oder hydrodynamischer Widerstand ausgestaltet sein und die Öffnung oder Schließung einer Ventileinheit oder Klappenanordnung oder eines Siebs oder eines hydrodynamischen Widerstands regeln. Die Steuermechanik kann eine oder mehrere Ventile, Klappen, Siebe oder hydrodynamische Widerstände regeln oder umfassen.
Dabei kann beispielsweise eine Steuermechanik im Bereich des Retentatablaufs angeordnet sein und ein andere beispielsweise im Bereich des Filtratablaufs. Die Steuermechanik regelt beispielsweise die Schaltung von Ventilen und soll einen Sog/Unterdruck mit turbulenter Strömung im Bereich des Filterelements erzeugen. Dieser wird stärker, wenn beispielsweise ein Ventil im Bereich des Filtratablaufs schließt, während im Bereich des Retentablaufs beispielsweise ein Ventil öffnet. Bei Öffnung des Retentatventils beispielsweise werden die in noch innerhalb des Filterelements allgemein und/oder im Fluid innerhalb des Filterelements im Fluid in der Schwebe befindlichen Partikel und/oder das bereits im Bereich des Bodens des Filterelements befindliche Mikroplastik oder Mikropartikel abgesaugt oder abgeleitet und können in einem Behälter gesammelt und anschließend entnommen werden.
Die Steuermechanik bestimmt somit das Reinigungsintervall, d.h. wie häufig bzw. nach welchen zeitlichen Abständen beispielsweise das Retentatventil geöffnet wird und die Reinigungsdauer, d.h. wie lange beispielsweise das Retentatventil öffnet. Gleichzeitig ist es möglich durch eine gleichzeitige oder zeitlich versetzte Schließung des Filtratventils über die Steuermechanik einen Druckimpuls auf die Wandung des Filterelements zu geben, um so an der Filterelementwandung anhaftendes Mikroplastik oder anhaftende Partikel abzulösen. Über die Steuermechanik erfolgt so eine Rückspülung in Form einen Druckimpuls auf die Außenwandung des Filterelements, um so an der Filterelementwandung anhaftendes Mikroplastik oder Partikel mit dem Retentatfluid abzulösen.
Weiterhin kann auch eine Reinigung oder Rückspülung dadurch erzeugt werden, dass über die Steuermechanik im Bereich des Filtratablaufs Frischwasser über einen Schlauch, der beispielsweise am Filtratablauf befestigt ist, vor der Reinigung des Filterelements Frischwasser gegen das Filterelement gedrückt wird. Die Rückspülung mit Frischwasser kann gepulst oder kontinuierlich erfolgen. Eine Reinigung mit Frischwasser erfolgt bevorzugt bei beispielsweise geschlossenem Filtratventil und beispielsweise geschlossenem Retentatventil. Wie bei der Rückspülung mit Filtratfluid lösen sich das Mikroplastik oder die Partikel von der Filterstruktur. Bei Öffnung der Steuermechanik im Bereich des Retentatablaufs wird das so abgelöste Mikroplastik oder die abgelösten Partikel mit den bereits vor der Reinigung oder Rückspülung im Filterelement vorhandenem Mikroplastik oder Partikeln abgesaugt oder abgleitet und können in einem Behälter gesammelt und anschließend entnommen werden. Die Reinigung des Filterelements durch Rückspülung kann auch im Wechsel von Filtratfluid und/oder Frischwasser erfolgen, um die Reinigung möglichst effektiv und kostengünstig zu gestalten.
Die Steuermechanik regelt ein Reinigungsintervall in der Regel in einem Bereich von 13s bis 86s und eine Reinigungsdauer in einem Bereich von 0.6s bis 6.5s. Das Intervall und die Dauer kann jedoch aber variabel eingestellt werden und längere oder kürzere Reinigungsintervalle oder Reinigungsdauer umfassen.
Wenn beispielsweise das Retentatventil geschlossen ist, können zunächst beispielsweise durch kurzzeitiges Schließen und wieder Öffnen des Filtratventils im Bereich des Filterelements bzw. der Filterstruktur an der Innenwand des Filterelements anhaftendes Mikroplastik durch den ausgelösten Druckimpuls auf die Außenwand des Filterelements von der Filterstruktur abgelöst werden und bei Öffnung des Retentatventils mit den bereits innerhalb des Filterelements vorhandenen Mikroplastikpartikeln abgeleitet oder abgesaugt werden. Die abgelösten Mikroplastikpartikel können insofern mit den bereits innerhalb des Filterelements allgemein oder im Fluid innerhalb des Filterelements in der Schwebe befindlichen Partikel und/oder mit den bereits im Bereich des Bodens des Filterelements befindlichen Partikel abgesaugt oder abgeleitet und in einem Behälter gesammelt und anschließen entnommen werden. Es ist jedoch festzustellen, dass ein Druckimpuls zur Ablösung von anhaftendem Mikroplastik oder anhaftenden Partikeln optional ist, d.h. er kann erfolgen, ist jedoch nicht zwingend notwendig. Die Reinigung des Filterelements kann auch beispielsweise bei geöffnetem Filtratventil erfolgen, indem die Steuermechanik beispielsweise das Retentatventil öffnet und das Retentat ableitet oder absaugt, ohne dass dabei das Filtratventil geschlossen werden muss.
Es hat sich gezeigt, dass bis zu 97% des eingesetzten Mikroplastiks oder der Partikel als Retentat wiedergefunden bzw. gesammelt werden können, davon über 80% außerhalb des Filters im Retent-Behälter. Durch eine kurze Reinigungsdauer kann das Fluidvolumen im Retentat-Behälter auf etwa 5% reduziert werden. Das erleichtert eine anschließende Reinigung/Aufbereitung des hochkonzentrierten Retentats.
Um die Filtrations- und Reinigungsleistung zu verbessern, kann zusätzlich eine sensorische Überwachung stattfinden, z.B. über die Druckdifferenz am Filterelement, die mit der Steuermechanik verbunden ist. Wenn der Sensor misst, dass sich viel Mikroplastik oder viele Partikel im Filter ansammeln und das Filterelement zu verstopfen droht, können über die Steuermechanik die Ventile oder Klappen oder Siebe oder hydrodynamischen Widerstände angesteuert und eine Reinigung durchgeführt werden. Das Reinigungsintervall kann also je nach Belastung des Filters flexibel erfolgen.
Die Konstruktion der bionischen Vorrichtung ist so gewählt, dass im Bereich der Eintrittsöffnung Flanschverbindungen vorhanden sind. Dies können ebenso im Bereich des Gehäuses oder des Filterelements oder der Vorkammer vorhanden und sollen eine dichte Verbindung zwischen dem Bereich der Eintrittsöffnung in das Filterelement und dem Gehäuse oder der Vorkammer dienen. Die Vorkammer kann beispielsweise mit dem Gehäuse und/oder mit dem Filterelement zweitteilig ausgestaltet oder die Vorkammer kann mit dem Gehäuse oder nur das Gehäuse mit dem Filterelement einstückig ausgebildet sein. Bei allen Variationsmöglichkeiten steht die zwei- oder mehrteilige Ausgestaltung und einstückige Ausgestaltung des Gehäuses, der Vorkammer und des Filterelements mit oder ohne einen Einsatz oder Adapter im Vordergrund, wobei alle Variationsmöglichkeiten als Teil der Erfindung beansprucht werden, aber hier nicht alle abschließend aufgezählt werden.
Um eine verbesserte Aufreinigung des Fluids mit den Feststoffen zu erzielen, können mehrere bionische Vorrichtungen oder Filterelemente in Serie hintereinander angeordnet oder geschaltet sein. Diese können alle die gleiche oder verschiedene Ausgestaltung hinsichtlich der Anordnung des Filterelements, der Form des Einsatzes oder Adapters, des Gehäuses oder der Vorkammer aufweisen. Es können so auch mehrere Filterelemente in einem Gehäuse angeordnet sein. Ebenso können die übrigen in den bisherigen Ausgestaltungen genannten Elemente wie ein Gehäuse mit oder ohne Einsatz oder Adapter oder einer Vorkammer mit oder ohne Einsatz oder Adapter in einem oder mehreren zusammen oder getrennt voneinander angeordneten Gehäusen oder Vorrichtungen vorhanden sein, damit die Aufreinigung des Fluids mit den Feststoffen verbessert wird.
Zu der bionischen Vorrichtung kann zum anderen auch eine Entlüftung und/oder ein Siphon gehören, damit der Ablauf des Fluids gewährleistet ist und eine Geruchsbelastung der Umgebung verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren zur Abtrennung von Feststoffen, insbesondere Mikroplastik von Fluiden, wobei das Fluid über eine Eintrittsöffnung in ein Filterelement eintritt, eine zirkuläre Strömung innerhalb eines Filterelements durch eine zumindest teilweise konische Ausgestaltung erzeugt, wobei das Filterelement zumindest teilweise eine maschen- oder porenförmige Filterstruktur aufweist und anschließend das Fluid lateral durch die maschen- oder porenförmige Filterstruktur des Filterelements austritt und die Feststoffe als Retentat im Bereich des Bodens dem Filterelement oder einem dort angeordneten Behältnis, welches ein separates Teil oder ein Bestandteil des Filterelements sein kann, abgeleitet oder abgesaugt, sowie gesammelt und entnommen werden können.
Der Öffnungswinkel des Gehäuses und/oder Filterelements gegenüber der Eintrittsöffnung beträgt weniger als a = « 90°, vorteilhaft weniger im Bereich von a = « 40°, besonders vorteilhaft weniger im Bereich von a = « 20° beträgt. Die Wahl der Öffnungswinkel ist abhängig von verschiedenen Parametern wie der Art des Fluids, der Art der Feststoffe, der Strömungsgeschwindigkeit, dem Druck und/oder Temperatur des Fluid. Die vorgenannten Parameter können dabei einzeln oder im Zusammenspiel die Größe des Öffnungswinkels gegenüber der Eintrittsöffnung bestimmen, um eine optimale Trennung der Feststoffe vom Fluid zu ermöglichen. Dies gilt insbesondere für die Auswahl des Einsatzes oder des Adapters als Teil der Vorkammer zur Ausbildung der zirkulären Strömung. Der Einsatz oder der Adapter als Teil der Vorkammer oder als externer Teil ohne Vorkammer können einzeln oder zusammen mit den voran genannten Parametern dazu beitragen, die Größe des Öffnungswinkels gegenüber der Eintrittsöffnung zu bestimmen und eine optimale zirkuläre Strömung zu generieren und/oder Filtrierung des Fluids zu erreichen. Die Wahl des Einsatzes oder Adapters innerhalb oder außerhalb der Vorkammer trägt somit auch zur Erzeugung der zirkulären Strömung im Filterelement bei. Die Auswahl des Einsatzes oder des Adapters oder der Parameter ist aber auch für die Anordnung der übrigen Bestandteile der bionischen Vorrichtung wie dem Gehäuse, der Vorkammer und dem Filterelement als separates Element oder Bestandteil des Gehäuses oder des Filterelements der bionischen Vorrichtung wichtig.
Beispielhaft gilt, dass das Filterelement bei kleineren Feststoffen, geringerem Druck oder geringeren Strömungsgeschwindigkeiten einen geringeren Öffnungswinkel an der Eintrittsöffnung des Filterelements benötigt « 40°, um ein leichteres Herabsinken oder Abrollen der Feststoffe an den Wandbereichen des Filterelements und damit eine bessere Trennung der Feststoffe vom Fluid zu gewährleisten. Die analogen Überlegungen gelten auch bei der Änderung der Größe der Feststoffe, der Art des Fluids, dem Druck und/oder der Strömungsgeschwindigkeit als Parametervariationen.
Die im voran genannten Beispiel genannten Überlegungen hinsichtlich der Ausgestaltungen des Öffnungswinkels, können für alle Vorrichtungs- und Parametervariationen angewendet werden, um eine Verstopfung der Filterstruktur zu vermeiden und die Trennung der Feststoffe vom Fluid zu verbessern.
Es ist somit festzustellen, dass die zirkuläre Strömung des Fluids mit den Feststoffen, durch die Wahl der vorgenannten Parameter und/oder die Wahl des Einsatzes oder Adapters zur Erzeugung einer zirkulären Strömung bestimmt werden kann. Dabei ist es nicht entscheidend, ob der Einsatz oder Adapter Teil des Gehäuses des Filterelements, der Vorkammer oder des Gehäuses ist oder separat davon angeordnet ist, sondern dass durch Erzeugung einer zirkulären Strömung innerhalb des Filterelements eine optimierte Trennung von Feststoffen und Fluid erzielt werden kann. Das Fluid und/oder das Retentat können dabei periodisch oder kontinuierlich aus der bionischen Vorrichtung abgeleitet oder entnommen werden. Dies erfolgt mittels einer analogen oder digitalen Steuermechanik, die eine Ableitung oder Absaugung des Retentats aus dem Bereich des Filterelements. Nach Ableitung der Feststoffe aus dem Bereich des Filterelements können durch eine veranlasste Rückströmung mit Filtratfluid Feststoffe aus dem Filterelement aufgewirbelt oder entfernt werden, um eine Verstopfung der Filterstrukturen zu vermeiden. Die vorliegende bionische Vorrichtung ist vorgesehen in der der Gewässersanierung, Abwasser- und Lebensmittelaufbereitung, insbesondere zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Abwasser von Spül- oder Waschmaschinen eingesetzt zu werden. Es können aber auch andere Anwendungen erfolgen, so dass die voranstehenden Verwendungsmöglichkeiten nur beispielhaft, aber nicht abschließend genannt sein sollen.
Ausführungsbeispiel
Um den Reinigungsmechanismus durch die Steuermechanik zu belegen wurden einige Versuche durchgeführt, die die Effizienz der Vorrichtung und des Verfahrens belegen.
Es wurde mit dem Rohr des Filtratauslasses ein Siphon gebildet und Ventile als Steuermechanik in den Retentat- und Filtratauslass eingebaut. Der Volumenstrom wurde mit der schneckenförmigen Vorkammer versehen. Die Steuermechanik umfasste zwei automatische Ventile im Bereich des Filtrat- und Retentatauslasses, um das Filterelement in bestimmten Abständen zu reinigen. Der Filtrattauslass wurde geöffnet und der Retentatauslass für 0,6 s und 1 ,3 s, wenn 10 I und 20 I das Filterelement passierten. Der Reinigungseffekt auf den Volumenstrom wurde mit Kunststoff-Flockfasern (0,1 g/l) getestet, da diese Kombination der Anwendung in Waschmaschinen am ähnlichsten ist. Es wurden 10 I gefiltert und das Filterelement nach 5 I und 10 I gereinigt. Dieser Vorgang wurde fünfmal wiederholt. Zwischen den einzelnen Versuchen wurde der Prüfstand mit sauberem Wasser gespült und das Filterelement manuell gewaschen, um zurückgebliebene Partikel zu entfernen.
Vor jedem neuen Versuch wurden durch die Steuermechanik die Ventile geschlossen, das Filterelement mit sauberem Wasser gefüllt und entlüftet, und 20 I Leitungswasser, 0,5 g Flockfasern und 5 ml Flüssigwaschmittel zusammen gemischt. Über die Steuermechanik wurde das Ventil im Bereich des Filtratauslasses geöffnet, um den Versuch zu starten. Die Reinigung wurde automatisch eingestellt, wenn 5 I und 10 I das Filterelement passierten. Nach der zweiten Reinigung wurde der Versuch gestoppt und über die Steuermechanik die Ventile geschlossen.
Nach jedem Versuch wurden drei Proben entnommen: 1 ) das Gesamtvolumen des Konzentrats, 2) ein Liter des Filtrats und 3) alle im Filterelement verbliebenen Fasern, d. h. das Retentat (MR), das in maximal einem Liter resuspendiert wurde, wobei die Massenfraktionen der Mikropartikel mit einem Saugfilter mit runden Filterpapieren vom Wasser getrennt wurde.
Bei allen Versuchen mit Flockfasern (N = 43) beträgt der Partikelanteil im Konzentrat 64,1 ± 24,1 % und 33,2 ± 24,4 % im Retentat. Im Durchschnitt werden nur 2,7 ± 3,2 % der Fasern nicht durch das Filterelement zurückgehalten und gelangen in das Filtrat. Dies bedeutet, dass bis zu 97% der Fasern durch den Filter abgetrennt werden, wobei über 80 % der Fasern im Retentatbehälter außerhalb des Filters zurückgehalten werden können. So kann eine Unterbrechung des Filtrationsprozesses zur Reinigung des Filterelements vermieden oder zumindest herausgezögert werden. Die beste Filtereffizienz ergibt sich aus einer bestimmten Kombination aus Zulauf, Filterelementgröße und -winkel, Maschenweite und Reinigungszyklus.
Durch eine periodische Reinigung können Verstopfungen des Filterelements verhindert werden. Die Reinigung erhöht den Volumenstrom einer Fasersuspension im Vergleich zu einem nicht gereinigten Filtergewebe. Der Effekt kann noch stärker werden, wenn die Reinigungshäufigkeit erhöht wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren nochmals eingehend erläutert:
Figur 1 zeigt die bionische Vorrichtung 1 in einer schematischen Seitenansicht. Es ist schematisch angedeutet, dass ein Fluid (oberer Pfeil) in eine Vorkammer 11 gelangt. Unterhalb der Vorkammer 11 ist ein Gehäuse 2 angeordnet, in welches das Fluid von der Vorkammer 11 strömt und an der eine Entlüftung 12 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 2 befindet sich ein Filterelement 3 (nicht dargestellt), durch welches das Fluid strömt. Über eine Steuermechanik 8 wird der Fluidfluss oder die Konzentrierung der Feststoffe in Behälter 7 geregelt. Im Bereich des vertikalen Fluid-Ablaufs ist ein Siphon 10 vorhanden, der u.a. dazu dient, den Füllstand im Gehäuse 2 zu regulieren.
Figure 2 zeigt ein Filterelement 3 mit einer Eintrittsöffnung 4, einer Filterstruktur 5 und dem Öffnungswinkel 6. Die Filterstruktur 5 verjüngt sich von der Eintrittsöffnung 4 bis zur Austrittsöffnung im zentralen unteren Bereich des Filterelements 3 konisch. Der Öffnungswinkel 6 kann im Bereich a « 90°, vorteilhaft im Bereich von a = « 40°, besonders vorteilhaft im Bereich von a = « 20° liegen. Durch die hydrodynamisch optimierte Eintrittsöffnung 4 und das sich in Strömungsrichtung verjüngende Filterelement 3 samt Filterstruktur 5 wird eine zirkuläre Strömung erzeugt bzw. eine durch eine Vorkammer 11 (nicht dargestellt) bereits induzierte rotierende helikale Vorzugsbewegung verstärkt oder fortgesetzt. Die konisch zulaufende Form des Filterelements 3 ermöglicht dabei ein Absinken oder Abrollen der Partikel oder Feststoffe entlang des Filterelements 3, die in einem zentralen Bereich des Filterelements in Form eines Auffangbehälters, einer Kapsel oder Hülse aufgefangen, gesammelt oder konzentriert werden.
Das Filterelement 3 selbst weist eine Steifigkeit aus, die Dehn-, Schub-, Biege- und oder Torsionskräften weitestgehend widersteht. Dieses ist deswegen wichtig, damit das Filterelement 3 eine konstant konische oder zumindest konkave Form gewährleisten kann, die der helikalen, zirkulären oder kreisförmigen Bewegung des Fluids mit den Feststoffen innerhalb des Filterelements 3 widersteht.
Vorliegend ist das Filterelement 3 mit Rahmenelementen versehen, die das Filterelement 3 rippen- oder kiemenförmig durchziehen. Das Filterelement 3 weist dabei eine maschen- oder porenförmigen Filterstruktur 5 (nicht dargestellt) zwischen den rippen- oder kiemenförmigen Rahmenelementen auf, durch die das Fluid aus dem maschen- oder porenförmigen Filterelement 3 austreten kann, während die Feststoffe innerhalb des Filterelements 3 verbleiben. Figur 2 stellt das Filterelement 3 mit Gehäuse 2 mit einer Vorkammer 11 und einem Einsatz/Adapter 15 in einer zweiteiligen Ausführungsform in einem vertikalen Querschnitt dar. Ein Fluid mit Feststoffen strömt (angedeutet durch den oberen vertikalen Pfeil) in eine Vorkammer 11 , in die ein Einsatz/Adapter 15 angeordnet ist. Der Einsatz/Adapter 15 ist vorliegend spindelförmig ausgestaltet, sodass das mit den Feststoffen einströmende Fluid bereits innerhalb der Vorkammer 11 eine zirkuläre Rotation erfährt. Die Vorkammer 11 ist über Flanschverbindungen 9 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Über eine Eintrittsöffnung 4 strömt das Fluid mit den Feststoffen aus der Vorkammer 11 in das Filterelement 3. Durch die induzierte zirkuläre Strömung werden die Feststoffe des Fluids im Bereich des Filterelements 3 lateral an die Filterstruktur 5 gedrückt, die vorliegend kiemenöder bogenförmig mit Rahmenelementen umspannt ist, und bewegen sich in einer Roll- oder Sinkbewegung in Richtung des Bodens des zentralen Bereichs des Filterelements 3. Man erkennt am Boden des zentralen Bereichs des Filterelements 3 einen Auffangbehälter, eine Kapsel oder eine Hülse, in die sich Feststoffe nach ihrer Roll- oder Sinkbewegung entlang der Filterstruktur 5 bewegt haben und dort gesammelt oder konzentriert werden. Die Feststoffe können auch über ein Ventil aus dem Auffangbehälter, der Kapsel oder der Hülse abgesaugt oder als Retentat oder Konzentrat über einen Ablauf 14 der bionischen Vorrichtung 1 entnommen werden. Parallel und/oder zeitgleich kann das lateral aus der Filterstruktur 5 ausgetretene und gefilterte Fluid über einen Filtratablauf 13 dem Fluid- bzw. (Ab)-Wasserkreislauf wieder zugeführt werden.
Figur 3 stellt das Filterelement 3 mit Gehäuse 2 mit einer Vorkammer 11 und einem Einsatz/Adapter 15 in einer zweiteiligen Ausführungsform in einem vertikalen Querschnitt dar. Ein Fluid mit Feststoffen strömt (angedeutet durch den oberen vertikalen Pfeil) in eine Vorkammer 11 , in die ein Einsatz/Adapter 15 angeordnet ist. Der Einsatz/Adapter 15 ist vorliegend spindelförmig ausgestaltet, sodass das mit den Feststoffen einströmende Fluid bereits innerhalb der Vorkammer 11 eine zirkuläre Rotation erfährt. Die Vorkammer 11 ist über Flanschverbindungen 9 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Über eine Eintrittsöffnung 4 strömt das Fluid mit den Feststoffen aus der Vorkammer 11 in das Filterelement 3. Durch die induzierte zirkuläre Strömung werden die Feststoffe des Fluids im Bereich des Filterelements 3 lateral an die Filterstruktur 5 gedrückt, die vorliegend kiemen- oder bogenförmig mit Rahmenelementen umspannt ist, und bewegen sich in einer Roll- oder Sinkbewegung in Richtung des Bodens des zentralen Bereichs des Filterelements 3. Man erkennt am Boden des zentralen Bereichs des Filterelements 3 einen Auffangbehälter, eine Kapsel oder eine Hülse, in die sich Feststoffe gesammelt oder konzentriert werden. Die in dem Auffangbehälter, der Kapsel oder der Hülse angelangten Feststoffe können als Retentat oder Konzentrat über einen Ablauf 14 der bionischen Vorrichtung 1 entnommen werden. Parallel und/oder zeitgleich kann das lateral aus der Filterstruktur 5 ausgetretene und gefilterte Fluid über einen Filtratablauf 13 dem Fluid- bzw. (Ab)-Wasserkreislauf wieder zugeführt werden.
Figur 4 offenbart einen vertikalen Querschnitt der Vorkammer 11 mit einem spindelförmigen Einsatz/Adapter 15. Man erkennt einen innerhalb der sich nach außen konisch verbreiterden Vorkammer 11 , einen spindelförmig angeordneten Einsatz/Adapter 15, der ein Fluid mit Feststoffen in Fließrichtung in eine zirkuläre Vorzugsbewegung versetzt. Sobald das Fluid mit den Feststoffen im zentralen Bereich des Flanschs austritt, kann das durch den spindelförmig ausgebildeten Einsatz/Adapter 15 in eine Vorzugsbewegung versetzte Fluid mit den Feststoffen in ein nachfolgendes Filterelement 3 (nicht dargestellt) einströmen. Durch die zirkulär induzierte Strömung im Bereich des Filterelements 3 werden an der Filterstruktur 5 (nicht dargestellt), die Feststoffe von dem Fluid getrennt, indem das Fluid durch die maschenartige oder porenartige Filterstruktur 5 lateral austritt und die Feststoffe entlang der Filterstruktur 5 nach unten sinken bzw. nach unten abrollen.
In Figur 5 erkennt man in einer Aufsicht eine schneckenförmige Vorkammer 11 , die einen kreisförmigen Flansch mit Bohrungen aufweist. Analog zu den Ausführungen zu Figur 3 wird ein Fluid mit Feststoffen in Fließrichtung durch die schneckenartige Ausgestaltung der Vorkammer 11 in eine zirkuläre Vorzugsbewegung versetzt. Das Fluid mit den Feststoffen tritt möglichst flach und direkt auf die Filterstruktur 5 (nicht dargestellt) am Rand des Filterelements 3 (nicht dargestellt) durch eine Öffnung in der schneckenartig ausgestalteten Vorkammer 11 aus. Das Fluid mit den Feststoffen kann dann in das in Strömungsrichtung nachfolgende Filterelement 3 (nicht dargestellt) einströmen. Durch die zirkulär induzierte Strömung im Bereich des Filterelements 3 (nicht dargestellt) werden an der Filterstruktur 5 (nicht dargestellt), die Feststoffe von dem Fluid getrennt, indem das Fluid durch die maschenartige oder porenartige Filterstruktur 5 (nicht dargestellt) lateral austritt und die Feststoffe entlang der Filterstruktur 5 (nicht dargestellt) nach unten sinken bzw. nach unten abrollen.
Bezugszeichenliste:
1 bionische Vorrichtung
2 Gehäuse 3 Filterelement
4 Eintrittsöffnung
5 Filterstruktur
6 Öffnungswinkel
7 Behälter 8 Steuermechanik
9 Flanschverbindungen
10 Siphon
11 Vorkammer
12 Entlüftung 13 Filtratablauf
14 Retentatablauf (oder Konzentratablauf)
15 Einsatz/Adapter

Claims

Patentansprüche
1. Bionische Vorrichtung (1), zur Abtrennung von Mikroplastik aus einem Fluid, wobei die Vorrichtung (1 ) aus mindestens einem Gehäuse (2) und mindestens einem Filterelement (3) oder mindestens einem freitragendem Filterelement (3) besteht, das kiemenförmig ausgebildet ist und das Fluid einenends über eine Eintrittsöffnung (4) in das Gehäuse (2) und das Filterelement (3) oder das freitragende Filterelement (3) eintritt und anderenends sich das abgetrennte Mikroplastik als Retentat durch eine zirkuläre Strömung innerhalb des Filterelements (3) anreichern und zentral im Bereich des Filterelements (3) über einen Retentatablauf (14) ableitbar oder absaugbar und in einem Behälter (7) auffangbar und entnehmbar ist, wobei das Gehäuse (2) und das Filterelement (3) oder das freitragende Filterelement (3) zur Erzeugung der zirkulären Strömung einen Öffnungswinkel (6) zur Eintrittsöffnung (4) von a « 90° aufweisen und zumindest teilweise konisch ausgestaltet sind, wobei das Filterelement (3) zumindest teilweise eine maschen- oder porenförmige Filterstruktur (5) aufweist und das Fluid lateral durch die maschen- oder porenförmige Filterstruktur (5) des Filterelements (3) und den Filtratablauf (13) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine analoge oder digitale Steuermechanik (8) den Retentatablauf (14) zum Auffang- und Entnahmebehälter (7) unterbricht und die Ableitung oder Absaugung des Mikroplastiks periodisch oder kontinuierlich gewährleistet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (4) eine Vorkammer (11) und/oder einen Adapter (15) umfasst, die zumindest teilweise spindelförmig oder schneckenförmig ausgestaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (4) von einer Vorkammer (11) umschlossen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass das Filterelement (3) eine Dehn-, Schub-, Biege- und Torsionssteifigkeit aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (3) mit der maschen- oder porenförmigen Filterstruktur (5) einzeln aus der bionischen Vorrichtung (1) entnehm- und/oder waschbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maschen- oder porenförmige Filterstruktur (5) des Filterelements (3) 20pm bis 500pm, vorteilhaft 50 pm bis 100 pm große Öffnungen aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (3) mit der Filterstruktur (5) aus Edelstahl besteht und/oder ein Kunststoffgewebe umfasst, wobei das Filterelement (3) und die Filterstruktur (5) aus denselben oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Retentat in einem Behälter (7) auffangbar und aus dem Behälter (7) entnehmbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermechanik (8) eine Ableitung des Mikroplastiks aus dem Bereich des Filterelements (3) oder eine Rückströmung, insbesondere zur Reinigung des Filterelements (3) regelt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (11) mit dem Gehäuse (2) und/oder mit dem Filterelement (3) mittels Flanschverbindungen (9) befestigt ist.
11 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bionische Vorrichtung (1 ) eine Entlüftung (12) und/oder einen Siphon (10) aufweist.
12. Verfahren zur Abtrennung von Mikroplastiksaus einem Fluid mittels einer bionischen Vorrichtung (1), die aus mindestens einem Gehäuse (2) und mindestens einem Filterelement (3) oder mindestens aus einem freitragenden Filterelement (3), das kiemenförmig ausgebildet ist, besteht, wobei das Fluid einenends über eine Eintrittsöffnung (4) in das Gehäuse (2) und das Filterelement (3) oder das freitragende Filterelement (3) eintritt und anderenends sich das Mikroplastik als Retentat durch eine zirkuläre Strömung innerhalb des Filterelements (3) anreichert und zentral im Bereich des Filterelements (3) über einen Retentatablauf (14) ableitbar oder absaugbar und in einem Behälter (7) auffangbar und entnehmbar ist, wobei das Gehäuse (2) und das Filterelement (3) oder das freitragende Filterelement (3) zur Erzeugung der zirkulären Strömung einen Öffnungswinkel (6) zur Eintrittsöffnung (4) von a « 90° aufweisen und zumindest teilweise konisch ausgestaltet sind, wobei das Filterelement (3) zumindest teilweise eine maschen- oder porenförmige Filterstruktur (5) aufweist und das Fluid lateral durch die maschen- oder porenförmige Filterstruktur (5) des Filterelements austritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine analoge oder digitale Steuermechanik (8) den Retentatablauf (14) zum Auffangbehälter (7) unterbricht und die Ableitung oder Absaugung des Mikroplastiks periodisch oder kontinuierlich gewährleistet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Fluids mit dem Mikroplastik rotierend und/oder helikal entlang der Filterstruktur (5) innerhalb des Filterelements (3) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine analoge oder digitale Steuermechanik eine Reinigung des Filterelements (3) erfolgt.
15. Verwendung einer bionischen Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Gewässersanierung, Abwasser- und Lebensmittelaufbereitung, insbesondere zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Abwasser von Spül- oder Waschmaschinen.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119954229B (zh) * 2025-02-17 2025-10-10 杭州电子科技大学 一种海洋微塑料回收仿生水母装置及其实现方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4003837A (en) * 1973-05-29 1977-01-18 Osborne Winston G Self-cleaning strainer
US4130478A (en) * 1977-08-25 1978-12-19 Sweco, Inc. Bowl shaped screening apparatus
US4696797A (en) 1985-04-15 1987-09-29 Environmental Diagnostics, Inc. Suspension liquid separator
DE19748233A1 (de) * 1997-10-31 1999-05-06 Weber Erika Filtervorrichtung für Feststoffe, insbesondere Grobschmutz, aufweisendes Abwasser
US20050091755A1 (en) 2003-10-31 2005-05-05 Conrad Daniel C. Non-aqueous washing machine & methods
WO2013184814A1 (en) * 2012-06-07 2013-12-12 The Regents Of The University Of California Crossflow filtration particle separator
USD833698S1 (en) 2017-03-16 2018-11-13 Razalia Project Incorporated Microfiber catcher ball
SE542804C2 (en) 2017-08-31 2020-07-14 Cleanguard Ab A method for removing microfibers in a washing liquid in a washing machine and a washing machine
GB2582042B (en) 2019-10-08 2021-03-03 Inheriting Earth Ltd Microplastic separator
SE543689C2 (en) 2019-10-04 2021-06-08 Mimbly Ab Improved filter assembly with self-cleaning
GB2588376B (en) 2019-10-08 2022-03-23 Inheriting Earth Ltd Filter pressure consumption regeneration apparatus and method
GB2576859B (en) 2019-12-10 2021-03-03 Inheriting Earth Ltd Microplastic compactor and method of compacting microplastics
DE102020207163A1 (de) 2020-06-08 2021-12-30 Mahle International Gmbh Filtereinrichtung zur Filtration von Mikroplastik
IT202000018307A1 (it) 2020-07-28 2022-01-28 Giordano Locci Dispositivo filtrante per liquidi di scarico accoppiabile a dispositivi che necessitano di scaricare liquidi attraverso un condotto di scarico
US20230381693A1 (en) 2020-10-21 2023-11-30 Xeros Limited A microparticle filter, a textile treatment apparatus and method of filtering microparticles
US20220154385A1 (en) 2020-11-15 2022-05-19 Steve Ross Antell Washing machine filtration
CN214990829U (zh) 2021-07-01 2021-12-03 天津市生态环境监测中心 一种用于海洋沉积物中微塑料的快速分离装置
DE102021207442A1 (de) * 2021-07-13 2023-01-19 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Filtervorrichtung für ein wasserführendes Haushaltsgerät, wasserführendes Haushaltsgerät mit einer Filtervorrichtung und Verfahren zum Filtern von Wasser mit einer Filtervorrichtung
CN119173315A (zh) * 2022-03-09 2024-12-20 清洁公司 涡流横流过滤系统

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