FI71493B - Folie foer separation av flytande eller gasformiga flerkomponentsystem foerfarande foer dess framstaellning och dess anvaendning i membranseparationsanordningar - Google Patents

Description

1 71493

Kalvo nestemäisten tai kaasumaisten monikomponenttijärjestelmien erottelua varten, menetelmä sen valmistamiseksi ja sen käyttö membraanierotuslaitteissa 5 Keksintö kohdistuu kalvoon, jota käytetään yhden ai neen tai sen osan erottamiseen liuoksista tai muista nestemäisistä tai kaasumaisista monikomponenttijärjestelmistä, sekä menetelmään sen valmistamiseksi ja sen käyttöön, spiraali- tai kerrosrakenteen omaavissa membraanierotuslait-10 teissä.

Ennestään tunnetaan puoliläpäisevien membraanien käyttö yksittäisten aineosien erottamiseksi erilaisista nestemäisistä seoksista, erikoisesti liuoksista. Puoliläpäiseviä membraaneja käytetään siten esimerkiksi nestemäisten aine-15 osien erottamiseksi nesteseoksesta, kaasumaisten aineosien erottamiseksi kaasuseoksesta ja nestemäisten liuottimien erottamiseksi näitä liuottimia ja siihen liuotettua ainetta sisältävästä seoksesta. Näiden erotusmenetelmien käyttö kasvaa jatkuvasti erikoisesti sulattoman veden valmistuksen 20 yhteydessä meri- ja suolapitoisesta vedestä.

Materiaali, josta nämä puoliläpäisevät kalvot muodostuvat, on useimmiten orgaaninen polymeeri, kuten esimerkiksi selluloosa-asetaatti, joka tosin täytyy muotoilla erittäin ohueksi ja jonka repeämislujuus siten on erittäin heik-25 ko. Täten on tavallista rakenteellisesti heikon kalvomate-riaalin suojaamiseksi muodonmuutosta tai vahingoittumista vastaan hydraulisen paineen tai mekaanisen vaikutuksen aiheuttamana varustaa se kantaja- tai tukimateriaalilla. Näitä kantajamateriaaleja on esitetty esimerkiksi DE-patentis-30 sa nro 26 55 014 ja muodostuvat ne useimmiten huokoisesta mutta lujasta, kangasmaisesta materiaalista. Muita puoli-läpäiseviä membraaneja ja menetelmiä niiden valmistamiseksi on esitetty julkaisuissa DE-OS 24 53 128 ja DE-AS 23 42 226.

Erotettaessa nestemäisiä aineosia nesteseoksista 35 on eräs käyttöparametri, joka vaikuttaa saatavaan läpäisy-määrään, syötetyn nestemäärän kanssa kosketukseen joutuva _ - ΤΓ 2 71493 membraanin kokonaispinta-ala. Mahdollisimman suuren membraanin pinta-alan saamiseksi tilavuusyksikköä kohti on esitetty lukuisia laitteita, jotka sisältävät membraa-nimateriaalista valmistettuja membraanipinoja, membraani-5 pusseja tai kierrettyjä putkia. Kierukkamaisia membraani-erotuslaitteita on esitetty esimerkiksi julkaisuissa DE-AS 14 42 366, DE-AS 14 42 420 ja DE-AS 15 17 915.

Membraanin hyötypinta-alalla ei kuitenkaan membraa-nierotuslaitteen muodostamista varten yksin ole ratkai-10 sevaa merkitystä, vaan toisena parametrina on tällöin otettava huomioon membraanipinnan ylivirtauksen luonne. Optimaalisesti ohjatut virtaukset estävät kasaumien muodostumisen membraanille, mitkä voivat aiheuttaa tukkeutumia, pienentävät konsentraatiopolarisaatiota aktiivisella 15 membraanikerroksella minimiinsä ja takaavat maksimaalisen läpikulun. Virtausteiden muodostamiseksi, joissa neste voi membraanilla virrata, sijoitetaan siten välilevyjä (niinsanottuja välikkeitä) kerrostettuun tai käämittyyn membraanierotuslaitteeseen. Näitä välikkeitä on esitet-20 ty esimerkissä julkaisussa DE-OS 28 29 893.

Kaikille näille tunnetuille kerrostetuille tai kierukkamaisesti käämityille rakennemuodoille on yhteistä se, että niissä käytetään sileän, tasaisen pinnan omaa-via membraanikalvoja, jotka on yhdistetty laajasilmäis-25 ten, kangasmaisten välikkeiden kanssa, nesteen saapumisen takaamiseksi membraanin pinnalle. Tämäntapainen välilevy ei suorita tunnetuissa rakenteissa yksinomaan etäisyyden säilyttävää toimintaa, vaan vaikuttaa lisäksi myös virtauksen keskeyttäjänä ja pyörteisyyden edistäjänä, 30 koska se on valmistettu kuitukudonnaiseksi, jossa kuitujen välissä on aukkoja ja kuitujen risteyspisteiden muodostamia paksunnoksia. Pyörteisyyden avulla vähennetään toisaalta pyrkimystä kasaumien muodostumiseksi memb-raanille, mutta toisaalta muodostuu alueita, joissa läpi-35 virtaus on riittämätön ja laitteen virtausvastus kokonai- 3 71493 suudessaan on verrattain suuri. Tasaista laminaarista virtausta, joka konsentraatiopolarisaation estämiseksi on edullinen, ei siten voida muodostaa sileiden memb-raanien ja välimatkan säilyttäjien tunnettujen yhdistel-5 mien avulla. Myös etäisyyden säilyttävän kerroksen sijoittaminen tekee kierukka- tai kerrosmaisesti muodostettujen mentoraanieroituslaitteiden valmistamisen monimutkaiseksi ja nostaa siten valmistuskustannuksia. Toinen mahdollisuus virtausteiden muodostamiseksi kerrostettuihin 10 tai käämittyihin membraanieroituslaitteisiin on esitetty julkaisussa DE-OS 27 22 025. Siinä esitetään membraani-yksikkö, jonka tukikerroksessa ja sille levitetyssä puoliläpäisevässä membraanissa on profilointi. Tällöin voidaan membraaniyksikköä kerrostettaessa tai käämittäes-15 sä kierukkamaiseksi luopua etäisyyden säilyttävästä osasta, koska virtaustiet kerrosten väliin muodostuvat tukimateriaalin profiloinnin vaikutuksesta. Nämä membraani-yksiköt soveltuvat kuitenkin vain määrättyihin adsorptio-menetelmiin, esimerkiksi lääketieteessä ja muutoinkin muo-20 dostuu siten valmistettuihin membraaniyksiköihin verrattain suuripintaisia, kohonneita alueita, joiden vaikutus muissa sovellutuksissa konsentraatiopolarisaation pienentämiseen useimmiten on riittämätön.

Keksinnön tehtävänä on siten kalvon valmistaminen, 25 joka tekee mahdolliseksi kerrosmaisten tai kierukkamai-sesti muodostettujen membraanierotuslaitteiden valmistamisen, jotka soveltuvat nestemäisten tai kaasumaisten monikomponenttijärjestelmien erotukseen ja jotka yksinkertaistuvat erillisen etäisyyden muodostavan kerroksen 30 jäädessä pois ja samanaikaisesti saavutetaan parantuneet virtausolosuhteet membraanikerrosten välitiloihin ja tällöin poistetaan etukäteen esiprofiloidun kantaja-materiaalin haitat.

Tämä tehtävä ratkaistaan kalvon avulla, erikoisesti 35 nestemäisten tai kaasumaisten monikomponenttijärjestelmien . ___ -· - ΤΓ-.

4 71493 erottelua varten, mikä kalvo muodostuu tasomaisesta puoli-läpäisevästä membraanista, joka on sijoitettu virtaavia väliaineita läpäisevälle, molemmilta pinnoiltaan sileälle tu-kikerrokselle, jolloin kalvon sillä pinnalla, joka ei ole 5 tukialustaa vastassa, on profilointi. Tämä profilointi on muodostettu suulakepuristettavaa termoplastista tekoainetta olevista, poikkileikkauskeltaan ympyrän tai suorakulmien muotoisista säikeistä koostuvista profilointielementeistä, jotka säikeet on sijoitettu yhdensuuntaisesti toisiinsa 10 nähden.

Keksinnön erikoisessa toteutusmuodossa muodostetaan profilointi profiilin muodostavien osien avulla, jotka on joko kiinnitetty membraanikalvon sileään pintaan kiinteästi (katso kuvaa 1) tai upotettu osaksi membraanikalvoon, mutta 15 jotka kuitenkin tulevat siitä esiin (kuva 2) tai ovat siten kiinnitetyt paikalleen tukialustan ja membraanikerroksen väliin, että ne sijaitsevat tukialustalla membraanikalvon peittäminä.

Puoliläpäisevä membraani voi muodostua tähän tarkoi-20 tukseen ennestään käytetystä materiaalista, kuten esimerkiksi regeneroidusta selluloosasta, selluloosaestereistä, selluloosaeettereistä, hiilihydraattigeeleistä, polvpepti-deistä, proteiineista, polyamideista, polysulfonista, möh-kälekopolymeereistä polykarbonaatin kanssa, akryylihapon 25 tai metakryylihapon johdannaisten kuten nitriilin ja esterin polymeereistä tai kopolymeereista tai polymeereistä tai kopolymeereista vinyylialkoholin kanssa. Puoliläpäise- -4 vän membraanin huokoskoko on alueella 2·10 -10 mikrometriä.

Puoliläpäisevä membraani sijaitsee edullisesti vir-30 tauskykyistä väliainetta läpäisevällä tukikerroksella, joka vastaanottaa läpäisseen aineen ja sen johdannaiset. Sitä käytetään myös membraanin lujittamiseen ja tukemiseen siten, että membraania voidaan käsitellä helposti ja vältetään membraanin vahingoittuminen. Puoliläpäisevää membraa-35 nia voidaan kuitenkin käyttää yhtä hyvin ilman tukimateriaalia .

5 71493

Tukikerros on molemmilta puoliltaan sileä ja muodostuu se esimerkiksi paperista/ kudonnaisesta, karstaharsosta tai muovia tai metallia olevasta silmukkaverkosta. Myös huokoista tai imukykyistä materiaalia olevia levyjä tai kal-5 voja voidaan käyttää; ne muodostuvat esimerkiksi sintratus-ta polyetyleenistä, mutta myös imukykyisestä vaahtomuovista, erikoisesti regeneroidusta selluloosasta, joka tunnetaan imuliinamateriaalina. Termillä sileä ymmärretään, että pinnat sijaitsevat kulloinkin yhdessä ainoassa tasossa, so.

10 mitään ulokkeita ei esiinny.

Sovellutuksia varten, joissa vaaditaan erittäin tiiviitä membraaniyksiköitä, voidaan tukikerros jättää pois niin, että käytetään vain membraania ja profilointiosia. Profiloinnin muodostavat osat muodostavat suulakepuristet-15 tavasta termplastisesta tekoaineesta, joka pystyy kiinnittymään kestävästi membraaniin vaikuttamatta haitallisesti sen muihin ominaisuuksiin; edullisia ovat esimerkiksi polyamidi, polyesterit, polyetyleeni tai polypropyleeni. Näistä materiaaleista voidaan membraanin pinnalle suulakepuristaa 20 esimerkiksi pyöreän tai suorakulmaisen poikkileikkauksen omaavia säikeitä, jotka voidaan myös kiinnittää siihen hitsaamalla, liimaamalla tai muulla tavalla tai keksinnön muissa toteutusmuodoissa nämä säikeet voidaan osaksi upottaa membraanikalvoon tai ne voidaan kiinnittää paikalleen tuki-25 alustan ja membraanikalvon väliin. Nämä säikeet voivat olla kiinnitettyjä koko kosketuspinnaltaan alustaan tai vain yksittäisiltä, erillisiltä alueilta. Säikeiden levitys voi olla yhtenäinen tai katkonainen, jolloin säikeet voivat muodostua myös peräkkäisten, pistemäisten kohoumien ketjuis-30 ta. Edullisesti sijoitetaan nämä säikeet tai pisteketjut yhdensuuntaisiksi keskenään, jolloin kalvoa kerrostettaessa tai käämittäessä voidaan muodostaa kanavia, joiden lävitse erotettava seos voi virrata. Profiilin muodostavat osat voivat olla myös kaarevia.

6 71493 Tämän keksinnön seuraavina kohteina ovat menetelmät keksinnön mukaisten kalvojen valmistamiseksi. Ensimmäisessä menetelmässä valetaan liuosta, joka sisältää membraanin muodostamiseen pystyvää materiaalia, profiloidulle alustal-5 le ja muutetaan faasininversiomenetelmän avulla membraaniksi. Faasininversiomenetelmässä annetaan saostavan nesteen vaikuttaa nestemäiseen kerrokseen, jolloin membraanin muodostava materiaali koaguloituu. Nesteen poistamisen jälkeen poistetaan membraani vetämällä profiloinnilla varustetulta 10 alustalta ja sisältää se tällöin profilointeja, jotka ovat negatiivisia membraanipinnan suhteen. Alustaa, jolle membraaninmuodostavaa materiaalia valetaan, kutsutaan ir-roitusmateriaaliksi, koska sitä voidaan käyttää toistuvasti. Tällöin saadaan tukialustan sisältämättömiä profiloitu-15 ja membraaneja.

Seuraavassa menetelmässä keksinnön mukaisten kalvojen valmistamiseksi kehrätään liuosta, joka sisältää membraanin muodostamiseen pystyvää materiaalia, suuttimen lävitse, jossa on rako, jonka toinen reuna on suora ja toinen reuna 20 on varustettu profiloinnilla, saostuskylpyyn ja muutetaan faasininversiomenetelmällä membraaniksi. Myös tällöin suoritetaan faasininversiomenetelmä siten, että membraanin muodostamiseen pystyvän materiaalin koaguloinnin jälkeen neste poistetaan ja siten saadaan kantajaa sisältämätön memb-25 raani.

Jos suuttimesta saatu puriste sijoitetaan suoraan virtauskykyistä väliainetta läpäsevälle tukialustalle ja suoritetaan faasininversiokäsittely, saadaan kalvo, joka muodostuu membraanikerroksesta, jonka pinnalla on profi-30 lointi ja joka sijaitsee tukikerroksella.

Seuraavassa menetelmässä keksinnön mukaisen kalvon valmistamiseksi sijoitetaan profiilin muodostavat osat membraanin pinnalle, joka haluttaessa on liitetty tukimateriaaliin ja kiinnitetään siihen lujasti. Tämä voi tapah-35 tua, esimerkiksi suulakepuristumenetelmän avulla, jossa lämpömuovautuvaa muovimateriaalia suulakepuristetaan sulassa nestemäisessä tilassa esimerkiksi säikeenä membraanin 1 71493 pinnalle ja joka jähmettyessään kiinnittyy membraanimateri-aaliin tai profiilin muodostavien osien esipuristettu lämpö-muovautuva muovimateriaali kiinnitetään liimaamalla membraa-nin pinnalle. Liimana käytetään edullisesti sulateliima-5 aineita; nämä voivat olla polyetyleeniä, polypropyleeniä, polyuretaania sekä luonnosta saatavia tai keinotekoisia tunnettuja vahoja.

Seuraavassa menetelmässä keksinnön mukaisten kalvojen valmistamiseksi upotetaan profiloinnin muodostavat osat 1C osaksi vielä nestemäiseen tai osittain nestemäiseen membraa-nikalvoon siten, että ne ulottuvat vielä riittävästi ulospäin haluttuun korkeuteen kalvosta ja ne membraanikäIvon jähmettyessä kiinnittyvät lujasti sen kanssa.

Seuraavassa menetelmässä keksinnön mukaisten kalvojen 15 valmistamiseksi sijoitetaan profiilin muodostavat säikeet suoraan tukimateriaalille, kiinnitetään siihen ja siten muodostuneelle tukimateriaalin profiloidulle pinnalle sijoitetaan puoliläpäisevä membraani siten, että se mukautuu muodostuneeseen profilointiin, jolloin membraanin ulkopinta 20 profiloituu vastaavasti.

Keksinnön mukaista kalvoa voidaan käyttää kierukka-tai kerrosmaisesti muodostettujen membraanierotuslaitteiden valmistamiseksi. Ammattimiehet tuntevat tällaisia laitteita, mutta keksinnön mukaisella kalvolla on se etu, että 25 kun siitä valmistetaan tunnettuja membraanierotuslaitteita, näihin ei tarvitse sijoittaa erityistä etäisyyden muodostavaa kerrosta, joka mahdollistaisi erotettavan seoksen pääsyn membraanin pinnalle. Tämä etu tulee mahdolliseksi keksinnön mukaisen profiloinnin avulla, joka sijaitsee 30 kalvon pinnalla ja jonka avulla kalvon kierukkamaisessa tai kerrosmaisessa asennuksessa muodostuu virtauskanavia.

Seuraavissa piirroksissa esitellään tarkemmin keksintöä.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen kalvon toteutus-35 ta leikkauksena, jolloin profiilin muodostavat osat 1 on kiinnitetty lujasti sileän membraanikalvon 2 pintaan.

- ___-___ TT" _____ 8 71493

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen kalvon toteutus-muotoa leikkauksena, jolloin profiilin muodostavat osat 1 on upotettu osittain membraanikerrokseen 2 ja kiinnitetty siihen lujasti.

5 Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen kalvon toteutus- muotoa leikkauksena, jolloin profiilin muodostavat osat 1 sijaitsevat paikalleen kiinnitettyinä tukikerroksen 3 ja membraanikerroksen 2 välissä siten, että ne ovat tukiker-roksella.

Claims (14)

1. 9 71493
2. 1. Erikoisesti nestemäisten tai kaasumaisten monikompo-nenttijärjestelmien erotteluun tarkoitettu kalvo, joka koostuu 5 tasomaisesta puoliläpäisevästä membraanista, joka on sijoitettu virtauskykyistä väliainetta läpäisevälle, molemmilta pinnoiltaan sileälle tukikerrokselle, tunnettu siitä, että se kalvon pinta, joka on poispäin sileästä tukikerrok-sesta, on varustettu profiloinneilla, jotka on muodostettu 10 suulakepuristettavaa termoplastista tekoainetta olevista, poikkileikkaukseltaan ympyrän tai suorakulmion muotoisista säikeistä koostuvilla profilointielementeillä, jotka säikeet on sijoitettu yhdensuuntaisesti toisiinsa nähden.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kalvo, tunnettu 15 siitä, että profilointi on suoritettu profilointielementtien avulla, jotka on osittain upotettu membraanikerrokseen.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kalvo, tunnettu siitä, että profilointi on suoritettu profilointielementtien avulla, jotka sijaitsevat paikalleen kiinnitettyinä tukikerrok- 20 sen ja membraanikerroksen välissä siten, että ne ovat tuki-kerroksella.
5. 4. Jonkun patenttivaatimusten 1-3 mukainen kalvo, tunnettu siitä, että profilointielementteinä käytetyt säikeet on kiinnitetty lujasti koko niiden kosketuspinnan pituu- 25 delta puoliläpäisevään nembraaniin.
6. 5. Jonkun patenttivaatimuksen 1-3 mukainen kalvo, tunnettu siitä, että profilointielementteinä käytetyt säikeet on kiinnitetty ainoastaan yksittäisten, erillisten alueiden sisäpuolella kosketuspinnaltaan kiinteästi puoliläpäise- 30 vään membraaniin.
7. 6. Jonkun patenttivaatimuksen 1-3 mukainen kalvo, tunnettu siitä, että profilointielementteinä käytetyt säikeet on katkottu säännöllisin välein.
8. 7. Menetelmä patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 4 tai 6 mukai-35 sen membraanikalvon valmistamiseksi, jonka pinnalla on profilointi, tunnettu siitä, että liuosta, joka sisältää 10 71 493 membraanin muodostamiseen pystyvää materiaalia, valetaan profiloidulle alustalle ja muutetaan faasininversiokäsit-telyn avulla membraaniksi, tämä irrotetaan alustalta nesteen poistamisen jälkeen ja näin saatu ilman tukikerrosta 5 oleva profiloitu membraani sijoitetaan virtauskykyisiä väliaineita läpäisevälle tukikerrokselle.
9. 8. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen membraanikalvon valmistamiseksi, jonka pinnalla on profilointi, tunnettu siitä, että liuosta, joka sisältää memb-10 raanin muodostamiseen pysyvää materiaalia, kehrätään suutti-men lävitse, jossa on rako, jonka toinen reuna on suoraviivainen ja toinen reuna varustettu profiloinnilla, saostus-kylpyyn ja muutetaan membraaniksi faasininversiokäsittelyn avulla. 15 9· Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että suuttimesta saatu puriste sijoitetaan virtauskykyistä väliainetta läpäisevälle tukikerrokselle.
10. 10. Menetelmä patenttivaatimuksen 1, 2, 4, 5 tai 6 mukaisen membraanikalvon valmistamiseksi, jonka pinnalla on 20 profilointielementtien muodostama profilointi, tunnet- t u siitä, että suulakepuristettavaa lämpömuovautuvaa materiaalia olevat profilointielementit levitetään suulakepuris-tusmenetelmän avulla membraanin pinnalle ja kiinnitetään lujasti sen kanssa.
11. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä membraa nikalvon valmistamiseksi, tunnettu siitä, että profi-lointielementit kiinnitetään sulateliiman avulla lujasti membraanin pintaan.
12. 12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä membraa-30 nikalvon valmistamiseksi, tunnettu siitä, että profi- lointielementit upotetaan vielä nestemäiseen membraanikalvoon osittain ja sen lujittuessa muodostuu kiinnipysyvä liitos elementtien kanssa.
13. 13. Menetelmä patenttivaatimuksen 3 mukaisen membraani-35 kalvon valmistamiseksi, tunnettu siitä, että profi- lointielementteinä toimivat, suulakepuristettavaa termoplas- 11 714 93 tista tekoainetta olevat säikeet viedään suoraan tukiker-rokselle ja kiinnitetään siihen ja sen jälkeen levitetään puoliläpäisevä membraani profiloidulle pinnalle siten, että se mukautuu profiloituun pintaan.
14. 14. Jonkin patenttivaatimuksen 7-13 mukaisesti val mistetun, jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen kalvon käyttö spiraali- tai kerrosmaisen rakenteen omaavien memb-raanierotuslaitteiden valmistukseen, jolloin profilointiele-mentteinä toimivat säikeet tai pisteketjut on sovitettu yh-10 densuuntaisiksi virtausväliaineen virtaussuunnan kanssa. 12 71493