NO323046B1 - Membranelement og fremgangsmate for fremstilling derav - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører nye membranelementer, en fremgangsmåte for deres fremstilling. Membranelementene kan anvendse som filter eller adskillelsesenhet, eksempelvis for ultrafiltrering, nanofiltrering, omvendt osmose, gassutskillelse eller pervaporering.

Under membranelementer forstås innretninger hvori de for det meste mekanisk meget følsomme membranene - som utøver den egentlige adskillende/tilbakeholdende funksjonen - er anordnet slik at de holder stand overfor de ofte strenge driftsbeting-elsene.

Membranelementer finnes i forskjellige utførelsesformer. Meget utbredt er de såkalte spiralviklingselementene. De består av ett eller flere dobbelte membranlag hvis aktive adskillelsessjikt ligger ytterst. Disse dobbeltlagene er klebet eller sveiset sammen med hverandre i ethvert tilfelle på tre sider og danner såkalte membranlommer. Den åpne siden er klebet sammen med permeatrøret, som i området for membranlagene er perforert eller utstyrt med boringer. Innersiden av membranlommene kommuniserer nå bare med permeatrøret. Membranlommene er viklet om permeatrøret Tilførselen trer inn på frontsiden i elementet og gjennomstrømmer det aksialt mellom membranlommene. En egnet avstandsholder (spacer) sørger for en god overstrømmng og en optimal gjennomblanding av tilførselsstrømmen til membranoverflaten. På grunn av en trykkforskjell trer permeatet fra begge sider inn i membranlommene. Et dreneringssjikt, bestående av en spesiell avstandsholder (permeatspacer), sørger for en god bortstrørnning til permeatrør, hvor de kan flyte bort gjennom boringene (se fig. 1).

Som semipermeable membraner kan avhengig av anvendelsesformålet, mikro-, ultra-eller nanofiltreringsmembraner samt omvendt osmose-, gassadskillelse- eller pervarporeringsmembraner anvendes.

Slike elementer finner anvendelse ved opparbeidelsen av spillvann, innenfor nærings-middelindustrien, innenfor den farmasøytiske industrien, ved fremstillingen av drikke-vann, ved adskillelsen av gassblandinger osv. En beskrivelse av en typisk element-oppbygning finnes hos Larson, R.E. e.a. 'Test results on FT-30 eight-inch-diameter seawater and brackish water reverse osmosis element", Desalination 46 (1983), s. 81/90. En annen oppbygningsform er såkalte "foldede elementer", hvorved membranene legges i folder og likeledes er anordnet rundt et permeatsamlerør. Elementer ifølge denne bygmngsmåten er blant annet kommersielt tilgjengelige fra firma Daicen, Japan. Eksempler: "MOLSEP PV04-GN-DUY-L000" eller "MOLSEP PV08-W-DUY-L000". Ved drift er slike elementer for det meste bygget inn i hus, også betegnet trykkrør. Membranelementene i trykkrørene blir ved "cross flow* filtrering ofte overstrømmet med meget store fluidmengder. For å beskytte elementene i drift mot deformasjoner er de generelt ved endene utstyrt med såkalte anti-telescoping-devices (ATD) og omgitt med egnede omhyllinger som forhøyer deres stabilitet. ATD'er kan være fast forbundet med membranelementene, stukket på ved endene eller anbragt i trykkrør. Omhyllingene består for det meste av det materialet som også anvendes som avstandsholder (spacer) i membranelementet, eksempelvis av ekstruderte polypropylenkurver, av omviklinger med klebebånd (av PVC, polypropylen eller polyester) eller hårde skall av glassfiberfor-sterket plast (GFK). Under ekstreme driftsbetingelser kan disse omhyllingene imidlertid ofte ikke lenger oppfylle sine oppgaver, beskadiges eller deformeres. Følgelig er de fleste omhyllinger, fremstilt av klebebånd, ikke lengder stabile ved temperaturer over 50°C. Også ekstruderte polypropylenkurver er ved høyere temperaturer bare meget begrenset formstabile. Membranelementer med hårde skall av GFK kan angripes ved kontakt med syrer eller luter i høyere konsentrasjon eller ved oppløsningsmiddelandeler i tilløpsstrømmen. Dette kan blant annet gjøre seg merkbart ved avtagende fasthet eller ved avløsning av fnokker fra overflaten. Også ved lave overstrømninger i drift (ved mange anlegg arbeides i såkalt dead-end-drift uten overstrømning) kan det opptre driftstilstander som belaster membranelementene, f.eks. ved spyling/rensing eller ved uønskede driftstilstander (sterk forandring av tilløpsstrømmen, høye temperaturer, trykkstøt, generell betjeningsfeil, osv.). ;Også for anvendelsen av membranelementer ved gassadskillelse og pervaporering er det for pålitelig drift nødvendig å unngå deformasjoner. Aggresive komponenter i tilløps-strømmen kan likeledes påvirke integriteten av membranelementene, som ekstreme, henholdsvis uønskede, driftbetingelser (stor forandring av tilløpsstrømmen, høye temperaturer, trykkstøt, generelle betjeningsfeil osv.). ;Oppgaven ved foreliggende oppfinnelse var følgelig å tilveiebringe membranelementer som ikke lenger oppviser de ovenfor angitte ulempene, som spesielt viser omhyllinger som er mer stabile enn slike ifølge teknikkens stand. Ideelt skal membranelementene ha kombinasjonen av følgende egenskaper: sikker drift i kontakt med høyere konsentrerte syrer og lut også i forbindelse med ;høyere temperaturer (inntil 100°C), ;ingen avløsning av deler fra omhyllingen ved kontakt med oppløsningsmidler, ;meget høy mekanisk stabilitet, som er sammenlignbar med den av hårde skall av ;GFK uten imidlertid å oppvise deres ulempe, ;omhylling av et materiale som også allerede anvendes i det egentlige membranelementet. ;Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelige et membranelement, kjennetegnet ved at det inneholder en membrankjerne og en omhylling som omslutter kjernen, hvorved omhyllingen er dannet av i det minste delvis overlappende polymerfolie som er sveiset sammen med hverandre i overlappingsområdet. ;Vider tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av et membranelement, kjennetegnet ved at en membrankjerne utstyres med en omhylling, hvorved funksjonalisert polymerfolie vikles omkring membrankjernen, hvorved de enkelte lagene av polymerfolien i det minste overlapper i delområder og polymerfolien sveises sammen med hverandre, i det minste delområdene, ved hjelp av energitilførsel. ;Membranelementene ifølge oppfinnelsen oppviser ikke lenger ulempene ved de konvensjonelle omhyllingene. Ved valget av en egnet polymerfolie for omhyllingen kan en sikker drift i kontakt med høyere konsentrerte syrer og baser, også i forbindelse med høyere temperautrer (inntil 100°C), oppnås. Likeledes er avløsninger av deler av omhyllingen ved kontakt med oppløsningsmidler knapt lenger mulig. De ved den i den følgende beskrevne fremgangsmåten fremstilte omhyllingene oppviser en meget høy mekanisk stabilitet, som er sammenlignbar med den av hårde skall av GFK uten imidlertid å oppviser deres ulemper. I de fleste tilfellene er det mulig å fremstille omhyllingen av et materiale som også allerede anvendes i det egentlige membranelementet. ;Polymerfoliebanen for omhyllingen består av ett eller flere lag av en polymerfolie med minst én funksjonalisert overflate. Flerlagspolymerfolier kan oppbygges av like eller forskjelligartede folier. ;Som polymerfolier egner seg for det her omtalte anvendelsesformålet spesielt folier av polypropylen (fylt, ufylt, med mikrohulrom eller fylt og med mikrohulrom). Folier på basis av polyestere, spesielt polyetylentereftalat (fylt, ufylt, med mikrohulrom eller fylt og med mikrohulrom) er likeledes egnede. Likeledes egnede, om enn på grunn av lavere kjemisk/termisk stabilitet, er folier av PVC. ;Under "funksjonalisert" i forbindelse med oppfinnelsen forstås at foliene er utformet på en slik måte at de under energitilførsel kan sveises sammen med hverandre, hvorved "sammensveising" betyr at materialene av begge foliene som bringes i kontakt med hverandre og utsettes for en energitilførsel i kontaktområdet blandes sammen med hverandre, tilnærmet uten en registrerbar fasegrense, hvorved denne blandingen først inntrer ved forhøyede temperaturer, det vil si over ca. 70°C, fortrinnsvis over ca. 100°C. Dette kan eksempelvis foregå ved påføring av forseglingssjikt på minst én av overflatene, hvorved forseglingssjiktet oppviser en lavere smeltetemperatur enn basisfolien. Ved polypropylenfolier kan dette eksempelvis være et C2/C3-, C2/C4-, C3/C4- og/eller C2/C3/C4-kopolymerdekksjikt. Generelt er enhver (termoplastisk) folie anvendbar, som ved en egnet fremgangsmåte, f. eks. koekstrudering, kan utstyres med minst én funksjonalisert overflate (f.eks. forseglingssjikt med lavt smeltepunkt som basisfolie). ;Kjernen av membranelementet kan også fremstilles i forskjellige utførelsesformer. Ifølge oppfinnelsen er de såkalte spiralviklingselementene foretrukket. De består av ett eller flere dobbelte membranlag hvis aktive adski 1 lelsessj ikt ligger ytterst. Disse dobbeltlagene blir i hvert tilfelle ved tre sider klebet eller sveiset sammen med hverandre og danner såkalte membranlommer. Den åpne siden klebes med permeatrøret, som i området for membranlagene er perforert eller utstyrt med boringer. Membranlommene vikles så om permeatrøret. Hensiktsmessig ruller man membranlommene sammen med avstandsholder (spacer), eksempelvis et flateformet polypropylennett, omkring permeatrøret. Frontsiden av de oppnådde rullene utstyres med såkalte "anti-telescoping-devices", som forhindrer en teleskopering av de opprullede membranelementene. ;For påføring av omhyllingen ifølge oppfinnelsen på kjernen finnes det flere muligheter. Det sylinderformige membranelementet omvikles skrueformet (se fig. 2) med en poly-merfoliebane, som oppviser minst én funksjonalisert overflate. ;De enkelte vindingene kan derved helt eller delvis overlappe (fig. 3), ligge buntet ved siden av hverandre (fig. 4) eller være påført med avstand (fig. 5). Disse vindingene påføres hensiktsmessig i flere lag; avhengig av graden av overlapping og tykkelsen av polymerfoliebanen mellom 1 og 400 lag. Tykkelsen av omhyllingen utgjør mellom 0,3 mm og 28 mm. ;Ved påføring av vindingene bør innslutning av luft mellom de enkelte lagene unngås. For dette formålet må det innstilles en egnet verdi for banespenningen. Eventuelt kan det i tillegg anvendes en påtrykningsvalse (fig. 6), hvorved pressekraften innstilles slik at luftinneslutninger unngås ved en gitt banespenning. Banespenningen kan innstilles i området fra IN til 500N for banebredder inntil 100 mm og inntil 1000N ved ca. 2000 mm banebredde. Prinsipielt kan også større banebredder anvendes, når lengden av membranelementet er tilsvarende stor. Imidlertid bør den maksimale banebredde orienteres etter lengden av membranelementet. ;Vindingene av polymerfoliebanen påføres avhengig av bredden og tykkelsen med en hastighet på mellom 0,1 m/min. og 300 m/min. ;Forbindelsen mellom de enkelte lagene av polymerfoliebanen fremstilles ved energitil-førsel, fortrinnsvis ved en egnet varmebehandling. ;Når varmebehandlingen foretas under oppviklingen må den utføres slik at de funksjonaliserte overflatene utgjør en forbindelse mellom de enkelte lagene, fortrinnsvis blir begge overflatene sveiset sammen med hverandre i overlappingsområdet. Oppvarmingen av polymerfoliebanen, henholdsvis omhyllingen, finner eksempelvis sted ved hjelp av varmluft, flamme, infrarød bestråling, mikrobølger, en eller flere varmetrykkruller eller en hvilken som helst annen egnet varmekilde. ;Under omviklingen av kjernen oppvarmes polymerfoliebanen slik at forbindelsen (sveisingen) straks oppnås ved kontakt mellom de enkelte lagene, eller det oppvarmes slik at en svak ytterligere oppvarming av omhyllingen fører til forbindelse (sammensveising) av de enkelte lagene. Oppvarmingen gjennomføres slik at det ikke inntrer noen signifikant forandring av stabiliteten eller utseendet. ;Alternativt lar forbindelsen mellom de enkelte lagene seg også oppnå under oppviklingen ved hjelp av ultralydsveising. ;En ytterligere variant for fremstilling av forbindelsen består i først å påføre alle lagene av viklingen og anvende varmebehandling på det oppviklede membranelementet. Også her kan for oppvarming varmluft, flamme, infrarød bestråling, mikrobølger eller enhver annen egnet varmekilde anvendes. Oppvarmingen gjennomføres slik at det oppnås en forbindelse mellom alle lagene av omhyllingen ved de funksjonaliserte overflatene. Temperaturen og innvirkningsvarigheten innstilles slik at også de innenforliggende lagene av polymerfoliebanen forbindes med hverandre og samtidig de under omstendighetene varmere ytterlagene (f.eks. ved oppvarming med varmluft) ikke forandres signifikant med hensyn til stabilitet og utseende. Dette kan bestemmes ved enkle forsøk. ;De tidligere nevnte fremgangsmåtene kan også kombineres, slik at forskjellige deler av omhyllingen fremstilles ved forskjellige fremgangsmåter. For eksempel kan ifølge den sistnevnte fremgangsmåten en tynn omhylling påføres, som i et andre trinn forsterkes ytterligere ved den førstnevnte fremgangsmåten. En omvendt rekkefølge er likeledes mulig, som også erstatning av en fremgangsmåte med den andre nevnte fremgangsmåten. Tykkelsen av de ifølge hvilke som helst fremgangsmåter fremstilte omhyllingene kan innstilles i områder mellom 0,3 mm og 28 mm. ;Omviklinger ifølge de tidligere nevnte fremgangsmåtene kan også foretas slik at det ikke bare anvendes én- eller flerlagsfolier, men at også én henholdsvis flerlagsfolier samtidig oppvikles. Derved kan foliene også være forskjellige fra hverandre. ;Det samme gjelder for en trinnvis omvikling, hvor i et første trinn en første polymerfolie finner anvendelse og i ett eller flere etterfølgende trinn finner også andre folier anvendelse. ;Ved alle fremgangsmåter må det sikres at membranen av membranelementet ikke beskadiges på noe sted av den aktive overflaten. *

Claims (14)

1. Membranelement, karakterisert ved at det inneholder en membrankjerne (9) og en omhylling som omslutter kjernen, hvorved omhyllingen er dannet av i det minste delvis overlappende polymerfolier (10) som er sveiset sammen med hverandre i overlappingsområdet.

2. Membranelement ifølge krav 1, karakterisert ved at polymerfolien (10) er en polypropylenfolie eller polyesterfolie.

3. Membranelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at polymerfolien (10) oppviser minst en funksjonalisert overflate, slik at folien kan sveises ved energitilførsel.

4. Membranelement ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at polymerfolien (10) er en koekstrudert folie.

5. Membranelement ifølge krav 4, karakterisert ved at den koekstruderte folien (10) består av et basissjikt og minst ett dekksjikt, hvorved smeltepunktet for dekksjiktpolymerene er lavere enn smeltepunktet for basissj iktpolymeren.

6. Membranelement ifølge krav 5, karakterisert ved at smeltepunktet for dekksjiktpolymeren ligger mellom 70 og 130° C.

7. Fremgangsmåte for fremstilling av et membranelement, karakterisert ved at en membrankjerne utstyres med en omhylling, hvorved funksjonalisert polymerfolie (10) vikles omkring membrankjernen (9), hvorved de enkelte lagene (11) av polymerfolien (10) i det minste overlapper i delområder og polymerfolien (10) sveises sammen med hverandre i det minste i disse delområdene ved hjelp av energitilførsel.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at polymerfolien (10) vikles som bånd skrueformig omkring membrankjernen (9), hvorved de enkelte lagene (1 la) av båndene delvis overlapper.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at polymerfolien (10) vikles som bånd skrueformig omkring membrankjernen (9), hvorved de enkelte lagene (1 la) av båndet kommer til å ligge ved siden av hverandre, uten å overlappe og danner et første sjikt, og hvorved minst ett ytterligere sjikt av ved siden av hverandre liggende polymerfoliebånd (10) vikles over det første sjiktet, som så sveises med det underliggende sjiktet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at omhyllingen har en tykkelse på 0,3 til 28 mm.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at båndet har en bredde på 10 til 100 mm.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at båndet (10) har en bredde på 100 til 2000 mm.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at båndet (10) vikles med en banespenning på 1 til 500N.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at båndet (10) vikles med en banespenning på 100 til 1000N.