WO2014191299A1 - Keramikelement für eine fluidtrennvorrichtung - Google Patents

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WO2014191299A1
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Kurt STEURI
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Definitions

  • the present invention relates to a ceramic element for a fluid separation device for separating dissolved or suspended substances in a solvent or suspension, preferably by reverse osmosis or filtration.
  • a solvent or suspension e.g. Water or alcohol (fluid or solvent)
  • reverse osmosis a medium is forced through a semipermeable membrane. From the starting fluid or solvent, the purified permeate or filtrate and the concentrated retentate with the dissolved substance are obtained.
  • the semipermeable membrane lies in the fluid path in front of the ceramic element. But there are also known ceramic materials and ceramic elements, which can serve as a semipermeable membrane itself.
  • Previously known filters with ceramic elements for use in reverse osmosis or other filtering techniques require high process pressures, which are, for example, about 60 to 80 bar in seawater desalination.
  • high process pressures which are, for example, about 60 to 80 bar in seawater desalination.
  • the osmotic pressure of seawater at around 30 bar is much lower than the process pressure used for reverse osmosis.
  • the high process pressure is particularly required due to long and sometimes passing through several layers paths for the fluid or permeate or filtrate, such as winding modules for reverse osmosis, which in addition to the osmotic pressure and the high hydraulic resistance is overcome.
  • a ceramic element which comprises a solid main body with a half-shell-like front and back, wherein in the main body a plurality of channels are provided, can be discharged through the permeate or filtrate of the filtered solvent to at least one drain opening, wherein the channels are provided in the main body so as to have substantially the same distance to the front and back of the main body.
  • the object of the invention is to provide a ceramic element in which these disadvantages can be avoided.
  • the channels can form a channel system which is formed by a plurality of first mutually parallel channels and by a plurality of second mutually parallel channels, wherein the first and the second channels are aligned with each other inclined, in particular aligned mutually orthogonal.
  • the channels thus form a kind of hollow grid in the ceramic element, which has the particular advantage that even with a blockage of a channel enough other free channels or channel section are present, through which the permeate or filtrate can flow.
  • the channels preferably intersect orthogonally to form substantially rectangular meshes of the channel network.
  • meshes in the form of parallelograms or rhombuses, polygons and the like are also conceivable.
  • the front side and the rear side have a surface comprising bulges.
  • the surface may be wave-like or cushion-like, with wave crests and wave troughs running essentially parallel to one another, a wave crest lying on the front side opposite a wave crest on the rear side, such that a channel is accommodated between the front crest and the rear crest.
  • the distance from adjacent wave crests and wave troughs can be chosen in particular as a function of the diameter of the channels or the material thickness required between the surface and the channel. So it is particularly conceivable that the wave crests and wave troughs have different or equal radii of curvature. Further, the troughs may not be curved, but have a notch-like shape.
  • a pillow-like surface is formed by wave crests or troughs of intersecting channels. This results in crossing areas of two channels pillow-like elevations due to the intersecting peaks.
  • the center of a channel is located on a connecting line connecting the two vertices of opposite wave crests of the front and back. It is also conceivable a concentric arrangement of the channel relative to the opposite peaks.
  • the main body may be plate-like with a front side and a rear side substantially parallel thereto, the channels being provided in the main body in a plane substantially parallel to the front and back such that the channels face the front and back of the main body have substantially the same distance.
  • the at least one drainage opening is preferably designed as a bore which communicates with at least one of the channels, the bore preferably being arranged at the front or the rear side of the main body.
  • the at least one drainage opening may also be formed by an open end of a channel itself, which is arranged in one of the sides of the main body, preferably the upper end face of the main body.
  • the ceramic member preferably has a length of about 100 to 250 millimeters and a width of about 20 to 100 millimeters, with a preferred thickness or height of about 2 to 5 millimeters.
  • the channels preferably have a diameter or a height of about 0.1 to 2.0 millimeters.
  • the invention also relates to a method for producing a ceramic element having at least one of the above-described features, comprising the steps of:
  • the ceramic cement blank comprising the two layers of ceramic material and the at least one channel placeholder element, wherein upon firing the at least one channel placeholder element is thermally decomposed or fused so that after firing, a plurality of hollow channels are formed in the solid ceramic element.
  • the process presented here is very simple and no transformations of the ceramic material are required to form the channels. Since the ceramic material has already solidified before the channel placeholder element is thermally decomposed or can flow out of the ceramic element in the molten state, the desired cavities for the channels can be reliably and safely formed.
  • the method may include, for example, providing a suspension having ceramic material therein, wherein a portion, in particular about half the amount of suspension, is applied to an absorbent pad, e.g. Gypsum mold is poured.
  • the Kanalplatzhalterelement can be placed after slight solidification of the suspension and lightly pressed. Thereafter, the remaining suspension can be poured over it.
  • the method may, for example, comprise a particularly uniform coating of a ceramic powder in a mold, wherein the powder is preferably pressed lightly. Thereafter, the channel blank holder element can be placed on this powder layer. Subsequently, further ceramic powder can be poured evenly over it. The molding is then pressed semi-stable under high pressure.
  • the method may include, for example, the particularly uniform application of a ceramic dough in a mold, which is optionally slightly pressed. After that will put the channel placeholder element on the ceramic dough. Subsequently, further ceramic dough is applied in particular evenly over it and the shaped product is pressed.
  • dewatering and / or pressing of the ceramic cement blank may preferably be performed before firing. This serves in particular for the improved formation of ceramic connections between the two ceramic layers in the region of the channel placeholder element or in the interstices formed by it.
  • the channels may be blown or sucked out to remove any residue from the original channel placeholder element in the channels. Blowing out is possible in those cases where the channel placeholder element is made of a material that has been thermally decomposed and of which only ash remains. For a material that melts during the firing process, it may be necessary under certain circumstances to reheat a ceramic element to remelt the last residues and bring out of the ceramic element, in particular blowing out or sucking out.
  • the first and second layers of ceramic material may preferably be made by an extrusion process, and the at least one channel placeholder element may be interposed between the extruded strands of ceramic material such that a strand-like ceramic element blank is produced.
  • the continuous ceramic blank can be cut into pieces before or after firing, in particular into pieces which essentially have the desired dimensions of a further ceramic element to be processed.
  • the channel placeholder element can also be introduced in spaced apart pieces at preferably regular intervals between the extruded ceramic layers, so that alternately sections with and sections without channel placeholder element are present in the continuous ceramic element blank. In such a ceramic element blank, a separation into individual ceramic elements preferably occurs at locations between two channel placeholder elements.
  • the at least one channel placeholder element may be thread-like or net-like, and is preferably made of a plastic or natural fibers, such as wood or paper.
  • the material of the channel placeholder element should preferably be at a temperature of about 800 to 1200 ° C. decompose without residue. Consequently, plastics can be used which preferably do not give off toxic or corrosive gases upon decomposition. Other conceivable materials are gums or silicones.
  • high-melting waxes are also conceivable as material for the channel placeholder element.
  • materials which emit a gas component which, during the firing process, leads to a loosening of the ceramic material around the channels to be formed are also possible.
  • the production of a ceramic element having at least one of the features described above is also possible using a method of selective laser sintering.
  • the ceramic element is built up layer by layer in a known manner. By the action of laser beams, which heat the ceramic material in appropriate places and thus cause the sintering, any three-dimensional geometries, especially those with cavities and possibly also with undercuts can be produced.
  • a one-piece ceramic element which is provided with corresponding hollow channels. It is not necessary to assemble individual parts of fired ceramic material into a complete ceramic element.
  • the invention also relates to a separation vessel with at least one solvent feed for supplying a fluid in which foreign matter to be separated, at least one permeate or filtrate drain for discharging fluid, from which the foreign substances are separated, and with at least one A retentate effluent for discharging fluid in which the foreign substances are in a higher concentration, wherein the solvent supply and the retentate are arranged on a common solvent chamber, and wherein the permeate or filtrate is arranged on a separate from the Soventcroping Permeatfrying, wherein in the separation vessel a plurality of ceramic elements are arranged with at least one of the features described above, through which a fluid connection between the solvent chamber and the permeate is formed, wherein the ceramic elements are passed through openings of a boundary wall of the solvent chamber and held by the openings are such that the at least one outflow opening of the ceramic elements are outside the solvent chamber in the permeate, wherein at the openings sealing elements are provided which ensure the fluid separation between the solvent chamber and the
  • Such a separation container can also be referred to as a filter module.
  • the separation tank forms a main part of a corresponding system for cleaning or filtering fluids, in particular by means of reverse osmosis.
  • the separation tank can be made interchangeable, so that it can be easily replaced with decreasing power. It is also conceivable, if necessary, to exchange individual ceramic elements in the separation container.
  • the boundary wall essentially supports the force resulting between the solvent chamber and the permeate chamber, which force is due, in particular, to the pressure difference in these two chambers.
  • the separation container is preferably cylindrical, in particular as a circular cylinder, wherein the ceramic elements are received in the separation vessel such that the permeate or filtrate flows through the ceramic elements in a substantially radial direction, preferably into the concentrically arranged, designed as a hollow cylinder permeate chamber.
  • the ceramic elements may alternatively be accommodated in the separation vessel in such a way that the permeate or filtrate flows off in a substantially axial direction through the ceramic elements, preferably into a permeate chamber arranged above the solvent chamber.
  • the permeate chamber is formed by a limiting plate whose bottom bounds the solvent chamber and whose upper side forms the underside of the permeate chamber, and by a further container lid which limits the permeate chamber with its underside and forms with its upper side the outside of the separation container , wherein the boundary plate and the container lid are connected to the separation container, in particular with its side wall, preferably by means of a screw connection.
  • the limiting plate having the openings for receiving and holding the ceramic elements, and it may preferably be made of metal, in particular stainless steel, wherein preferably the container lid is made of a plastic.
  • the ceramic elements can additionally be supported on a further boundary wall of the solvent chamber, in particular the bottom of the separation container, or accommodated in a holder arranged in the solvent chamber.
  • the forces acting on the ceramic elements resulting forces are very small, because the pressure forces of the fluid (solvent) act in the solvent chamber on both sides of the flat portions of the plate-like ceramic element.
  • the part of the ceramic elements that is in the solvent chamber is preferably about 70 to 95% based on the total volume of a ceramic element and that part of the ceramic elements that is in the permeate chamber is preferably about 1 to 30%. It should be noted that a portion of the volume of a ceramic element can also be accommodated in a holder or or in the container plate, so that the sum of volume fractions in the solvent chamber and the permeate chamber does not necessarily have to be 100%.
  • the plate-like ceramic elements may be arranged close to each other, wherein the shortest distance between two adjacent ceramic elements is preferably about 2 to 10 millimeters.
  • a dense arrangement of the plurality of ceramic elements results in a large effective area for filtering the fluid (solvent). This effective area is also increased by the fact that the plate-like ceramic elements with their front and with their back in contact with the solvent.
  • the invention also relates to a fluid separation device, in particular for carrying out a fluid separation method according to the principle of reverse osmosis, comprising at least one separation vessel described above with at least one of said features.
  • the term fluid of course also includes gases in which other molecules may be dissolved or in which suspended matter is present.
  • solvents or permeate or filtrate or retentate, as used herein, both gases and liquids are understood.
  • Fig. 1 shows in the partial figures a) to c) schematically and simplifies an embodiment of the ceramic element a) as a perspective view, b) as a longitudinal section with parallel channels and c) as a longitudinal section with different configurations of intersecting channels.
  • FIG. 2 shows schematically in subfigure c) the ceramic element of FIG. men of discharge openings and in the sub-figures a), b) and d) cross-sections corresponding to the sectional lines aa of Fig. Lb), bb of Fig. Lc) and dd of Fig. 2c).
  • FIG. 3 shows schematically and greatly simplified a first embodiment of a separating container with ceramic elements in a sectional illustration, approximately corresponding to a section line III-III of FIG. 4.
  • FIG. 4 shows schematically and greatly simplified the separating container of FIG. 3 in a sectional plan view corresponding to the section line IV-IV of FIG. 3.
  • Fig. 5 shows schematically and greatly simplified a second embodiment of a separation vessel.
  • Fig. 6. shows schematically and greatly simplified a third embodiment of a separation vessel.
  • Fig. 7 shows schematically and greatly simplified a fourth embodiment of a
  • Separation container with radially arranged ceramic elements.
  • FIG. 8 shows schematically and greatly simplified a fifth embodiment of a separating container with radially arranged ceramic elements.
  • Fig. 9 shows schematically and greatly simplified a sixth embodiment of a separation container with chordantly arranged ceramic elements.
  • Fig. 10 schematically shows the flow of a ceramic element manufacturing method using extruded ceramic layers and a channel placeholder member sandwiched therebetween.
  • Fig. 11 schematically and simplified the main steps A, B and C of a manufacturing method for a ceramic element.
  • Fig. Fig. 12 schematically and schematically shows another embodiment of a ceramic member having a corrugated surface of front and back surfaces.
  • a ceramic element 10 in perspective and simplified perspective.
  • the ceramic element comprises a front side 12, a rear side 14, an upper end side 16, a lower end side 18 and two longitudinal sides 20, 22 connecting the front sides 16, 18.
  • the ceramic element 10 is illustrated in the exemplary embodiments in each case as an elongated rectangular parallelepiped. While this shape is preferred, it does not exclude other shapes such as square, circular, oval, elliptical, polygonal, front / back.
  • the shape of the ceramic element in particular the shape of the large contact surfaces with fluid forming front and back can be selected as needed.
  • the ceramic element has a relatively small thickness or height H, which is a few millimeters ter, preferably about 2 to 5 millimeters, is.
  • the length L is preferably about 100 to 250 millimeters and the width B is preferably about 20 to 100 millimeters.
  • the ceramic element 10 Inside the ceramic element 10 a plurality of channels 26 are provided, as can be seen from the sectional views of Fig. Lb) and lc). In Fig. Lb), the ceramic element 10 has a plurality of longitudinally extending, mutually parallel channels 26. Between the channels 26 each ceramic webs 28 are visible.
  • Fig. Lc are inclined to the longitudinally extending channels 26 arranged and crossing or transverse channels 26a exemplified.
  • the channels 26a orthogonal to the channels 26 in the upper half have a greater distance from one another than the channels 26a in the lower half of the ceramic element 10.
  • Somewhat below the center of the ceramic element 10 is exemplified a case in which the channels 26a are longitudinal extending channels 26 do not intersect orthogonal.
  • the channels are regularly arranged in a ceramic element, i. the all channels 26, 26a are designed in accordance with one of the three exemplary crossing profiles of FIG. 1c) for an entire ceramic element 10.
  • At intersecting channels 26, 26a respectively ceramic webs 28a are formed, which connect the ceramic layers surrounding the channels 26, 26a to the front or to the rear.
  • the channels 26, 26a are shown rectilinear in the examples, they can also be curved or bent. Furthermore, it is not absolutely necessary for the channels to have the same orientation, for example in the longitudinal direction. Rather, the channels can also be arbitrarily arranged to form irregularly arranged crossing areas in a plane.
  • fluid is placed under pressure around the ceramic element 10 (dashed arrows in FIG. 2 a) so that the fluid or solvent passes through the ceramic layers 30, 32 the channels 26, 26a is pressed surrounded.
  • components dissolved or suspended in the solvent preferably according to the principle of reverse osmosis, are retained on the ceramic layers 30, 32, possibly also on a membrane upstream of the ceramic element (s), not shown here.
  • Purified fluid which as permeate or Filtrate is called, flows into the channels 26 and 26 a.
  • the retained dissolved or suspended components accumulate, so that the so-called retentate forms.
  • At least one drainage opening 34 is provided in the ceramic element 10, as indicated in FIG. 2c).
  • This may for example be formed as a rectangular recess 34a in the front 12, so that for the channels 26, a connection is provided to the outside. This situation is also contained in the sectional view of Fig. 2d) (section line dd of Fig. 2c).
  • the channels 26 themselves can be guided such that there is a connection to the outside at the front side 12 or alternatively also at the rear side, an end face 16, 18 or longitudinal side 20, as indicated at the openings 34b.
  • interconnected channels 26, 26a and a single opening 34c may be provided.
  • the permeate or filtrate from all channels can be collected in the direction of the one opening 34c and flow away.
  • the arrangement of the openings 34a, 34b and 34c shown here is purely exemplary.
  • a ceramic element 10 has only one type of these openings 34a, 34b, 34c, wherein the openings 34a, 34b, 34c are preferably arranged in an end region of the ceramic element 10.
  • a connection of the channels 26, 26a to the outside can also take place by simply cutting off a piece of the ceramic element 10, for example by cutting along the section line aa of FIG. 1b).
  • FIG. 1 Another embodiment of a ceramic element 110 is simplified in Figure 12 and shown schematically.
  • the ceramic element 110 has a front side 112 and a rear side 114, which have bulges 113, 115, 117.
  • this ceramic element also comprises upper and lower end faces 116, 118 and longitudinal sides 120.
  • an opening 134b is illustrated for each channel 126, whereby of course other opening shapes and types are also possible, as they are have been described with reference to FIG. 2, for example.
  • FIG. 2 As can be seen from the sectional view of FIG.
  • these bulges 113 may be convex, wherein convex bulges 113 on the front and rear sides 112, 114 are opposite and accommodate a channel 126 of the ceramic element 110 between them.
  • the center point MK of the channel 126 is usually located at the crest line SL.
  • the channels 126 may also be arranged concentrically to the wave crests. Between the convex curvatures 113, notch-like depressions 115 are formed. The notch-like depressions 115 can, as shown in FIG.
  • the surface of the ceramic element 110 may also be referred to as wave-shaped, the convex curvatures 113 forming peaks and the concave curvatures 117 and the notch-like depressions 115 forming wave troughs.
  • Such a ceramic element 110 is formed as a one-piece element comprising a plurality of side-by-side and intersecting tubes, wherein the walls of the tubes of two adjacent channels 126 may intersect. As can be seen from the sectional views 12b and 12c, the size (diameter) of the channels 126 can be selected to be different.
  • the distance KA between the individual channels 126 can also be changed, for example, a shorter distance in FIG. 12b KA between adjacent channels 126 is shown as in Fig. 12c.
  • the one ceramic element may also have a pillow-like surface, which is essentially formed by the fact that wave crests or wave troughs of crossing channels superimpose on the surface or also intersect.
  • step A two ceramic layers 30, 32 and at least one channel placeholder element 36 are provided (step A).
  • the channel placeholder element 36 is received between the two ceramic layers 30, 32 (step B).
  • individual threads, wires or nets for crossing channels 26, 26a), strands or similar structures are used as the channel placeholder element 36.
  • Individual threads or wires can also be arranged randomly or chaotically, so that they cross at random and form an irregular network.
  • the ceramic layers 30, 32 are joined together, preferably by a pressing operation, so that the channel placeholder element 36 is completely surrounded by ceramic material (step B).
  • the intermediate product shown in step B may also be referred to as the ceramic element blank 38.
  • step C a burning process known for ceramic parts, in which the channel placeholder element 36 is thermally decomposed or melts, so that after the firing process the channels 26, 26a are formed in the solid ceramic element 10 (step C).
  • residues of ash or other debris in the channels should be removed by appropriate means, such as blowing out or sucking out the channels.
  • for such cleaning steps after Burning operation requires connections of the channels 26, 26a to the outside, for instance via the above-described openings 34a, 34b, 34c in the ceramic elements 10 (FIG. 2c).
  • the ceramic members 10 and 110 may be fabricated individually in respective molds into which the ceramic material and the at least one mating channel cut support member are placed. It is also conceivable, however, a continuous production, as shown schematically and simplified in Fig. 10. In this manufacturing process, the ceramic layers 30, 32 are extruded by means of corresponding extruding devices 40.
  • the channel placeholder element 36 preferably in the form of a grid or in the form of a plurality of parallel threads / strands, is unwound continuously from a roll 42 and received between the two extruded ceramic layers 30, 32 (at 44).
  • a pressing operation takes place in the rollers 46, so that a ceramic element blank 38 is formed, which can be supplied to a kiln, not shown, optionally after the ceramic element blank 38 has been previously separated into pieces.
  • a ceramic suspension may also be supplied from a reservoir 48 to enhance the connection between the extruded ceramic layers 30, 32 and to optimize the inclusion of the channel locator element in ceramic material.
  • pieces of the channel placeholder element 36 cut to a specific length to be inserted between the extruded ceramic layers 30, 32 so that a region is always formed between adjacent channel placeholder elements that is only made of ceramic material of the two Layers 30, 32 exists. This area can then serve as a separation point between individual ceramic elements, which can be separated from the strand-like ceramic element blank 38.
  • FIG. 3 shows, in a schematic and greatly simplified illustration, a separating container 60 in which a plurality of ceramic elements 10 are arranged.
  • the separation tank 60 is shown here as a schematic partial section.
  • the separation vessel 60 has a bottom 62, a preferably circular side wall 64 and a lid 66. Further, a boundary plate 68 is inserted between the lid 66 and the side wall 64.
  • the ceramic elements 10 are passed through openings in the registration plate 68, so that an upper part of the ceramic elements 10 with exemplary openings 34 are above the boundary plate 68.
  • the larger, lower part of the ceramic elements 10 is arranged below the boundary plate 68.
  • the solvent is passed through a solvent feed 74 into the solvent chamber 72.
  • the fluid or solvent is forced through the ceramic elements 10 due to the pressure prevailing in the solvent chamber 72, so that the permeate or filtrate collects in the channels 26, 26a of the ceramic elements. This permeate or filtrate flows upward in a substantially axial direction and exits again at the openings 34 of the ceramic elements above the boundary plate 68.
  • the permeate chamber 76 in which the permeate or filtrate is collected and can be removed by one
  • the ceramic members 10 are received in the apertures of the restricting plate 68 such that the permeate chamber 76 and the solvent chamber 72 are sealed to each other with suitable sealing means so that fluid communication between these chambers is only through the ceramic members and no direct exchange between the chambers is possible
  • a retentate outlet 80 is provided in order to be able to remove the retentate enriched with dissolved or suspended constituents, which collects in the region near the bottom, from the solvent chamber 72.
  • corresponding pumping devices are connected to the separation vessel 60.
  • the cover 66, the side wall 64, the bottom 62 and the limiting plate 68 are fixedly connected to each other by connecting rods 82 with clamping screws 84 attached thereto.
  • FIGS. 3 and 4 are schematic representations of a possible construction of the separating container 60 and of a possible arrangement of a plurality of ceramic elements 10 in such a separating container 60.
  • the Fig. 4 shows a plan view of the openings 88 in the boundary plate 68, through which the ceramic elements 10 are inserted.
  • the ceramic elements are not shown, but only the associated openings 88.
  • a plurality of ceramic elements 10 can be arranged, which together have a very large effective area in the solvent chamber, the surrounded by solvent. Because the pressure in the solvent chamber is the same everywhere is large, and since the ceramic elements 10 are arranged side by side with a distance of a few millimeters, resulting in very small forces acting on the individual ceramic elements resulting forces.
  • the pressure forces acting on the front or rear side of the ceramic elements cancel each other substantially, so that the pressure causes only a Aufspriebs Fisch on the lower end face of a ceramic element 10, which is located slightly above the bottom or the steel plate 70.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a separation tank 60 with two solvent chambers 72a and 72b separated from each other by a false bottom 90.
  • the ceramic elements 10 are made longer and extend through both the solvent chambers 72a, 72b and through the intermediate bottom 90, in which corresponding openings for ceramic elements 10 are arranged.
  • Corresponding to the two solvent chambers there are also two solvent feeds 74a, 74b and two retentate outlets 80a, 80b.
  • the upper solvent chamber 72b is defined by the restriction plate 68 through which the ceramic elements 10 pass.
  • the permeate chamber 76 is formed, in which the permeate or filtrate from both solvent chambers 72a, 72b is collected.
  • the structure is very similar to that of the separation tank 60 of FIG. 3.
  • Fig. 6 shows a third embodiment of a separation vessel 60, which is also divided into two solvent chambers 72a, 72b.
  • the solvent chambers 72a, 72b are separated from one another by a boundary plate 68a, in which the permeate chamber 76a is also formed and through which the ceramic elements 10 are guided.
  • the ceramic elements 10 have the openings 34a at about the middle of their longitudinal extent, so that the permeate or filtrate from the channels 26, 26a can flow through the openings 34a into the permeate chamber 76a.
  • two solvent feeds 74a, 74b and two retentate outlets 80a, 80b are again provided.
  • ventilation valves for the solvent chambers 72a, 72b are indicated at 92a or 92b.
  • the ceramic elements 10 are arranged such that their longitudinal extent is substantially parallel to the axial direction of the circular cylindrical separating container. The flow through the ceramic elements takes place substantially in the axial direction, so that the permeate or filtrate can be deposited in the permeate chamber usually above or below a solvent chamber.
  • separation containers 60a according to a fourth and fifth embodiment are indicated, in which the ceramic elements 10 are arranged essentially in the radial direction.
  • Each separation vessel 60a has a solvent chamber 72a and a permeate chamber 76a located outside or inside, preferably concentrically arranged.
  • the solvent chamber 72a and the permeate chamber 76a are each separated by a cover wall 68a, through which the ceramic elements 10 are inserted.
  • the supply of solvent or the removal of retentate or permeate or filtrate takes place in a substantially axial direction of the separation vessel 60a on different sides.
  • FIG. 9 shows schematically and simplified a structure of a separating container 60b, in which the ceramic elements 10 are arranged like a chord.
  • the separation vessel 60b is also divided into a solvent chamber 72b and a permeate chamber 76b.
  • the ceramic elements 10 are received at their two end faces in the boundary wall 68, so that act on any of the end faces buoyancy forces due to the pressure prevailing in the solvent chamber process pressure.
  • 88a, 88b designate openings in the boundary wall 68a, 68b through which the ceramic elements 10 extend and through which the ceramic elements 10 are supported.
  • the separation containers described above with reference to FIGS. 3 to 9 for the ceramic elements 10 may of course also be equipped with the ceramic elements 110 with a corrugated or pillow-like surface (see FIG. 12). In that regard, the above with respect to the structure of separating containers for the arrangement and recording of ceramic elements 10 also applies to the use of ceramic elements 110.
  • an embodiment of the Ceramic elements may be such that they have a central region with curved surfaces, for example corresponding to the ceramic element 110, with respect to their longitudinal extension, and that the respective upper and lower sections adjoining the central region are made plate-like, which is the reception this upper and lower sections simplified in corresponding receptacles or openings.
  • the ceramic elements 10 and 110 may consist for example of the following materials: ⁇ - ⁇ 2 0 3 , ⁇ - ⁇ 2 0 3 , Si0 2 , Ti0 2 , Zr0 2 , MgO, Y-oxides or others hardly or non-soluble substances such as natural clay used in pottery, among others. It is further pointed out that for the production of ceramic elements by means of the process steps presented, a type of ceramic dough of ceramic powder and a solvent or a solution, such as organic di-, tri- or polycarbonate acids in water, can be used. Such a ceramic dough may be prepared and used as a precursor for molding or extruding.
  • the invention collectively presents a ceramic filter with integrated drain. Compared to other ceramic-based filters, more effective area per unit volume can be accommodated in a separation vessel.
  • the permeate or filtrate can be kept very short, so that the hydraulic resistance of the system is much smaller.
  • the forces resulting from the required pressure on the feed solution (solvent) cancel each other out substantially, so that the resulting forces on the ceramic element (s) can be kept low.
  • the filtration comprises in particular micro, ultra and nanofiltration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramikelement für eine Fluidtrennvorrichtung zum Trennen von gelösten oder suspendierten Substanzen in einem Solvent, vorzugsweise durch Umkehrosmose, wobei das Keramikelement (10; 110) umfasst: einen festen Hauptkörper mit einer Vorderseite (12; 112) und einer Rückseite (14; 14), mit einer oberen und einer unteren Stirnseite (16; 116, 18; 118) und mit seitlichen Längsseiten (20; 120), die sich zwischen den beiden Stirnseiten (16; 116, 18; 118) erstrecken, wobei im Hauptkörper mehrere Kanäle (26; 126) vorgesehen sind, durch die Permeat bzw. Filtrat des gefilterten Solvents zu wenigstens einer Abflussöffnung (34; 134) abführbar ist, wobei die Kanäle (26; 126) im Hauptkörper derart vorgesehen sind, dass sie zur Vorderseite (12; 112) und zur Rückseite (14; 114) des Hauptkörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand aufweisenund wobei sich wenigstens einige der Kanäle (26, 26a) kreuzen und miteinander in Fluidverbindung stehen.

Description

Keramikelement für eine Fluidtrennvorrichtung Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramikelement für eine Fluidtrennvorrichtung zum Trennen von gelösten oder suspendierten Substanzen in einem Solvent bzw. Suspension, vorzugsweise durch Umkehrosmose oder Filtration.
Zur Trennung von gelösten oder suspendierten Substanzen z.B. organischen Molekülen und/oder Salzen in einem Lösungsmittel bzw. Suspension z.B. Wasser oder Alkohol (Fluid bzw. Solvent) wird in vielen Fälle die sogenannte Umkehrosmose bzw. eine Filtration eingesetzt. Bei der Umkehrosmose wird ein Medium durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran gepresst. Aus dem Ausgangsfluid bzw. Solvent erhält man das gereinigte Permeat bzw. Filtrat sowie das mit der gelösten Substanz aufkonzentrierte Retentat. In der Regel liegt die halbdurchlässige Membran im Fluidweg vor dem Keramikelement. Es sind aber auch Keramikmaterialien und Keramikelemente bekannt, die selbst als halbdurchlässige Membran dienen können.
Bisher bekannte Filter mit Keramikelementen zur Verwendung für die Umkehrosmose oder andere Filtertechniken, wie etwa Mikro-, Ultra- oder Nanofiltration, erfordern hohe Prozessdrücke, die beispielsweise bei der Meerwasserentsalzung bei etwa 60 bis 80 bar liegen. Der osmotische Druck von Meerwasser liegt mit etwa 30 bar allerdings deutlich tiefer als der für die Umkehrosmose aufgewendete Prozessdruck. Der hohe Prozessdruck ist insbesondere erforderlich aufgrund von langen und teilweise durch mehrere Schichten hindurchführenden Wegen für das Fluid bzw. Permeat bzw. Filtrat, wie etwa bei Wickelmodulen für die Umkehrosmose, bei denen zusätzlich zum osmotischen Druck auch der hohe hydraulische Widerstand zu überwinden ist.
Aus der DE 43 29 473 Cl ist ein Keramikelement bekannt, das einen festen Hauptkörper umfasst mit halbschalenartiger Vorderseite und Rückseite, wobei im Hauptkörper mehrere Kanäle vorgesehen sind, durch die Permeat bzw. Filtrat des gefilterten Solvents zu wenigstens einer Abflussöffnung abführbar ist, wobei die Kanäle im Hauptkörper derart vorgesehen sind, dass sie zur Vorderseite und zur Rückseite des Hauptkörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Keramikelement bereitzustellen, bei dem diese Nachteile vermieden werden können. Hierzu wird vorgeschlagen, dass sich wenigstens einige der Kanäle kreuzen und miteinander in Fluidverbindung stehen. Dabei können die Kanäle ein Kanalsystem bilden, das durch mehrere erste zueinander parallele Kanäle und durch mehrere zweite zueinander parallele Kanäle gebildet ist, wobei die ersten und die zweiten Kanäle zueinander geneigt ausgerichtet sind, insbesondere zueinander orthogonal ausgerichtet sind. Die Kanäle bilden somit eine Art hohles Gitter im Keramikelement, das insbesondere den Vorteil aufweist, dass auch bei einer Verstopfung eines Kanals genügend andere freie Kanäle bzw. Kanalabschnitt vorhanden sind, durch die das Permeat bzw. Filtrat abfließen kann. Die Kanäle kreuzen sich bevorzugt orthogonal, so dass sie im Wesentlichen rechteckige Maschen des Kanalnetzwerks bilden. Natürlich sind auch Maschen in Form von Parallelogrammen bzw. Rhomben, beliebigen Vielecken und dergleichen denkbar.
Ferner ist es auch denkbar, eine unregelmäßige Anordnung von sich kreuzenden Kanälen vorzusehen, die im Erscheinungsbild auch als zufällig bezeichnet werden kann.
Weiterbildend wird vorgeschlagen, dass wenigstens einige der Kanäle parallel zueinander ausgerichtet sind.
Bevorzugt weisen die Vorderseite und die Rückseite eine Wölbungen umfassende Oberfläche auf. Dabei kann die Oberfläche wellenartig oder kissenartig ausgebildet sein mit zueinander im Wesentlichen parallel verlaufenden Wellenbergen und Wellentälern, wobei ein Wellenberg auf der Vorderseite einem Wellenberg auf der Rückseite gegenüber liegt, derart, dass zwischen dem vorderseitigen und dem rückseitigen Wellenberg ein Kanal aufgenommen ist. Der Abstand von benachbarten Wellenbergen und Wellentälern kann dabei insbesondere in Abhängigkeit der Durchmesser der Kanäle bzw. der zwischen Oberfläche und Kanal erforderlichen Materialdicke gewählt werden. So ist es insbesondere denkbar, dass die Wellenberge und Wellentäler unterschiedliche oder gleiche Krümmungsradien aufweisen. Ferner können die Wellentäler auch nicht gekrümmt ausgebildet sein, sondern eine kerbenartige Form aufweisen.
Eine kissenartige Oberfläche ist gebildet durch Wellenberge bzw. Wellentäler von sich kreuzenden Kanälen. Dabei entstehen über Kreuzungsbereichen von zwei Kanälen kissenartige Erhebungen aufgrund der sich dort kreuzenden Wellenberge.
Hierzu wird ferner vorgeschlagen, dass der Mittelpunkt eines Kanals auf einer Verbindungslinie befindet, welche die beiden Scheitelpunkte von gegenüberliegenden Wellenbergen der Vorder- und Rückseite verbindet. Denkbar ist auch eine konzentrische Anordnung des Kanals bezogen auf die gegenüberliegenden Wellenberge. Alternativ kann der Hauptkörper plattenartig ausgebildet sein mit einer Vorderseite und einer zu dieser im Wesentlichen parallelen Rückseite, wobei die Kanäle im Hauptkörper in einer zur Vorderseite und zur Rückseite im Wesentlichen parallelen Ebene vorgesehen sind, derart, dass die Kanäle zur Vorderseite und zur Rückseite des Hauptkörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand aufweisen.
Wesentlicher Vorteil von solchen Keramikelementen, die plattenartig oder mit gewölbter Oberfläche ausgebildet sind, kann darin gesehen werden, dass die Vorderseite und die Rückseite, welche die größten Flächen des Keramikelements bilden mit dem gleichen Druck beaufschlagt werden können, so dass die auf das Keramikelement wirkende resultierende Kraft sehr gering ist. Durch die Ausführungsform mit gewölbter Oberfläche kann die spezifisch wirksame Oberfläche gegenüber einer plattenartigen Ausgestaltung noch etwas vergrößert werden, was die Filterleistung noch weiter verbessern kann. Ferner erreicht durch das Keramikmaterial der Vorder- oder der Rückseite diffundierendes Permeat bzw. Filtrat sehr schnell einen Kanal und kann auf diese Weise rasch abfließen. Es konnte in Versuchen festgestellt werden, dass der hydraulische Widerstand deutlich verringert wird, so dass bei der Verwendung solcher Keramikelemente in einer Fluid-Trennvorrichtung von geringeren Prozessdrücken auszugehen ist, die etwa 10% bis 50% geringer sind als die aktuellen Prozessdrücke. Geringere Prozessdrücke führen dabei auch zu geringerem Energieverbrauch und insgesamt zu einer besseren Wirtschaftlichkeit von derartigen Anlagen.
Die wenigstens eine Abflussöffnung ist vorzugsweise als Bohrung ausgeführt, die mit we- nigstens einem der Kanäle in Verbindung steht, wobei die Bohrung vorzugsweise an der Vorderseite oder der Rückseite des Hauptkörpers angeordnet ist.
Die wenigstens eine Abflussöffnung kann auch durch ein offenes Ende eines Kanals selbst gebildet sein, das in einer der Seiten des Hauptkörpers, vorzugsweise der oberen Stirnseite des Hauptkörpers angeordnet ist.
Das Keramikelement weist vorzugsweise eine Länge von etwa 100 bis 250 Millimetern und eine Breite von etwa 20 bis 100 Millimetern auf bei einer bevorzugten Dicke bzw. Höhe von etwa 2 bis 5 Millimetern. Die Kanäle weisen vorzugsweise einen Durchmesser bzw. eine lich- te Höhe von etwa 0,1 bis 2,0 Millimetern auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung ei- nes Keramikelements mit wenigstens einem der oben beschriebenen Merkmale, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer ersten Schicht aus Keramikmaterial und einer zweiten Schicht aus Keramikmaterial;
Bereitstellen von wenigstens einem Kanalplatzhalterelement aus einem organischen oder anorganischen Material;
Anordnen des wenigstens einen Kanalplatzhalterelements zwischen der ersten und er zweiten Schicht aus Keramikmaterial;
Zusammenfügen, insbesondere Zusammenpressen der ersten und der zweiten Schicht aus Keramikmaterial, derart, dass die beiden Schichten miteinander verbunden werden und das Kanalplatzhalterelement mit Keramikmaterial umgeben ist,
Brennen des die beiden Schichten aus Keramikmaterial und das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement umfassenden Keramikelementrohlings, wobei beim Brennen das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement thermisch zersetzt wird oder zum Schmelzen gebracht wird, so dass nach dem Brennen mehrere hohle Kanäle im festen Keramikelement ausgebildet sind.
Das hier vorgestellte Verfahren ist sehr einfach und es sind keine Umformungen des Keramikmaterials erforderlich, um die Kanäle zu bilden. Da das Keramikmaterial bereits fest ge- worden ist, bevor das Kanalplatzhalterelement thermisch zersetzt wird bzw. im geschmolzenen Zustand aus dem Keramikelement abfließen kann, können die gewünschten Hohlräume für die Kanäle zuverlässig und sicher gebildet werden.
Das Verfahren kann beispielsweise ein Bereitstellen einer Suspension mit darin enthaltenem Keramikmaterial umfassen, wobei ein Teil, insbesondere etwa die Hälfte der Suspensionsmenge auf eine saugfähige Unterlage, z.B. Gipsform gegossen wird. Das Kanalplatzhalterelement kann nach leichter Verfestigung der Suspension aufgelegt und leicht angedrückt werden. Danach kann die restliche Suspension darüber gegossen werden. Das Verfahren kann beispielsweise ein insbesondere gleichmäßiges Schichten eines Keramikpulvers in eine Pressform umfassen, wobei das Pulver vorzugsweise leicht gepresst wird. Danach kann das Kanalplatzhalterelement auf diese Pulverschicht gelegt werden. Anschließend kann weiteres Keramikpulver gleichmäßig darüber geschüttet werden. Der Formling wird danach unter hohem Druck semi-stabil gepresst.
Das Verfahren kann beispielsweise das insbesondere gleichmäßige Auftragen eines Keramikteiges in eine Pressform umfassen, der gegebenenfalls leicht gepresst wird. Danach wird das Kanalplatzhalterelement auf den Keramikteig gelegt. Anschließend wird weiterer Keramikteig insbesondere gleichmässig darüber aufgetragen und der Formling wird gepresst.
Beim Verfahren kann vorzugsweise vor dem Brennen ein Entwässern oder/und Pressen des Keramikelementrohlings durchgeführt werden. Dies dient insbesondere der verbesserten Bildung von Keramikverbindungen zwischen den beiden Keramikschichten im Bereich des Kanalplatzhalterelements bzw. in den von diesem gebildeten Zwischenräumen.
Nach dem Brennen, vorzugsweise nach einer Abkühlungsphase, kann ein Ausblasen oder Aussaugen der Kanäle erfolgen, um eventuelle Rückstände des ursprünglichen Kanalplatzhalterelements in den Kanälen zu entfernen. Ein Ausblasen ist in solchen Fällen möglich, bei denen das Kanalplatzhalterelement aus einem Material bestand, das thermisch zersetzt worden ist und von dem lediglich Asche zurückbleibt. Bei einem Material, das während des Brennvorgangs schmilzt, kann es unter Umständen erforderlich sein, ein Keramikelement nochmals zu erhitzen, um letzte Rückstände nochmals zu schmelzen und aus dem Keramikelement herauszubringen, insbesondere Auszublasen oder Auszusaugen.
Die erste und die zweite Schicht aus Keramikmaterial können bevorzugt durch ein Extrudierverfahren hergestellt werden, und das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement kann zwischen den extrudierten Stränge aus Keramikmaterial angeordnet werden, derart, dass ein strangartiger Keramikelementrohling hergestellt wird.
Bei einem solchen Herstellungsverfahren mit extrudierten Keramikschichten kann der kontinuierliche Keramikrohling vor oder nach dem Brennen in Stücke aufgetrennt werden, insbe- sondere in Stücke, welche im Wesentlichen die gewünschten Dimensionen eines weiter zu verarbeitenden Keramikelements aufweisen.
Das Kanalplatzhalterelement kann auch in voneinander getrennten Stücken in bevorzugt regelmäßigen Abständen zwischen die extrudierten Keramikschichten eingebracht werden, so dass im kontinuierlichen Keramikelementrohling abwechselnd Abschnitte mit und Abschnitte ohne Kanalplatzhalterelement vorhanden sind. Bei einem derartigen Keramikelementrohling erfolgt ein Auftrennen in einzelne Keramikelemente vorzugsweise an Stellen zwischen zwei Kanalplatzhalterelementen. Das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement kann fadenartig oder netzartig ausgebildet sein, und ist vorzugsweise aus einem Kunststoff oder natürlichen Fasern, wie etwa Holz oder Papier, hergestellt. Das Material des Kanalplatzhalterelements soll sich bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1200°C. rückstandsfrei zersetzen. Folglich können Kunststoffe eingesetzt werden, die vorzugsweise bei der Zersetzung keine toxischen oder korrosiven Gase abgeben. Andere denkbare Materialien sind Gummiarten oder Silikone. Ferner sind auch hochschmelzende Wachse als Material für das Kanalplatzhalterelement denkbar. Ferner sind auch Materialien einsetzbar, die einen Gasanteil abgeben, der während des Brennvorgangs zu einer Auflockerung des Keramikmaterials um die zu bildenden Kanäle führt. Alternativ ist die Herstellung eines Keramikelements mit wenigstens einem der oben beschriebenen Merkmale auch möglich unter Verwendung eines Verfahrens des selektiven La- sersinterns. Das Keramikelement wird dabei in einer bekannten Weise Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung von Laserstrahlen, die das Keramikmaterial an entsprechenden Stellen erhitzen und so das Sintern hervorrufen, können beliebige dreidimensionale Geometrien, gerade auch solche mit Hohlräumen und ggf. auch mit Hinterschneidungen hergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist ein einstückiges Keramikelement, das mit entsprechenden Hohlkanälen versehen ist. Ein Zusammensetzen von einzelnen Teilen aus gebranntem Keramikmaterial zu einem ganzen Keramikelement ist nicht erforderlich.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch einen Trennbehälter mit wenigstens einer Solventzuführung zur Einspeisung eines Fluids, in dem zu trennende Fremdstoffe enthalten sind, wenigstens einem Permeat- bzw. Filtratabfluss zur Ableitung von Fluid, von dem die Fremdstoffe getrennt sind, und mit wenigstens einem Retentatabfluss zur Ableitung von Fluid in dem die Fremdstoffe in höherer Konzentration vorliegen, wobei die Solventzuführung und der Retentatabfluss an einer gemeinsamen Solventkammer angeordnet sind, und wobei der Permeat- bzw. Filtratabfluss an einer von der Soventkammer getrennten Permeatkammer angeordnet ist, wobei im Trennbehälter mehrere Keramikelemente mit wenigstens einem der oben beschriebenen Merkmale angeordnet sind, durch die eine Fluidverbindung zwischen der Solventkammer und der Permeatkammer gebildet wird, wobei die Keramikelemente durch Öffnungen einer Begrenzungswand der Solventkammer hindurchgeführt sind und durch die Öffnungen gehalten sind, derart, dass die wenigstens eine Ausflussöffnung der Keramikelemente außerhalb der Solventkammer in der Permeatkammer liegen, wobei an den Öffnungen Dichtungselemente vorgesehen sind, welche die Fluidtrennung zwischen Solventkammer und Permeatkammer gewährleisten. Ein solcher Trennbehälter kann auch als Filtermodul bezeichnet werden. Der Trennbehälter bildet einen Hauptteil einer entsprechenden Anlage zur Reinigung bzw. Filterung von Fluiden insbesondere mittels Umkehrosmose. Der Trennbehälter kann austauschbar ausgeführt sein, so dass er bei nachlassender Leistung in einfacher Weise ausgetauscht werden kann. Es ist im Übrigen auch denkbar, bedarfsweise im Trennbehälter einzelne Keramikelemente auszutauschen. Die Begrenzungswand stützt dabei im Wesentlichen die zwischen der Solventkammer und der Permeatkammer entstehende resultierend Kraft ab, die insbesondere durch die druckdifferenz in diesen beiden Kammern herrührt.
Der Trennbehälter ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet, insbesondere als Kreiszylinder, wobei die Keramikelemente im Trennbehälter derart aufgenommen sind, dass das Permeat bzw. Filtrat in im Wesentlichen radialer Richtung durch die Keramikelemente abfließt, vorzugsweise in die konzentrisch angeordnete, als Hohlzylinder ausgeführte Permeatkammer.
Wenn der Trennbehälter zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere als Kreiszylinder, können alternativ die Keramikelemente im Trennbehälter derart aufgenommen sein, dass das Permeat bzw. Filtrat in im Wesentlichen axialer Richtung durch die Keramikelemente abfließt, vorzugsweise in eine oberhalb der Solventkammer angeordnete Permeatkammer.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Permeatkammer gebildet wird durch eine Begrenzungsplatte, deren Unterseite die Solventkammer begrenzt und deren Oberseite die Unterseite der Permeatkammer bildet, und durch einen weiteren Behälterdeckel, der mit seiner Unterseite die Permeatkammer begrenzt und mit seiner Oberseite die Außenseite des Trennbehälters bildet, wobei die Begrenzungsplatte und der Behälterdeckel mit dem Trennbehälter, insbesondere mit dessen Seitenwand verbunden sind, vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung. Dabei kann die Begrenzungsplatte die Öffnungen zur Aufnahme und zum Halten der Keramikelemente aufweisen, und sie kann vorzugsweise aus Metall, insbesondere Edelstahl hergestellt sein, wobei vorzugsweise der Behälterdeckel aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Die Keramikelemente können zusätzlich an einer weiteren Begrenzungswand der Solvent- kammer, insbesondere dem Boden des Trennbehälters abgestützt oder in einer in der Solventkammer angeordneten Halterung aufgenommen sind. Bei einer derartigen Abstützung der Keramikelement sind die auf die Keramikelemente wirkenden resultierenden Kräfte sehr klein, weil die Druckkräfte des Fluids (Solvents) in der Solventkammer beidseitig auf die flächigen Abschnitte des plattenartigen Keramikelements wirken.
Derjenige Teil der Keramikelemente, der sich in der Solventkammer befindet beträgt bevor- zugt etwa 70 bis 95% bezogen auf das Gesamtvolumens eines Keramikelements und derjenige Teil der Keramikelemente, der sich in der Permeatkammer befindet liegt vorzugsweise bei etwa 1 bis 30 %. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein Teil des Volumens eines Keramikelements auch in einer Halterung oder oder in der Behälterplatte aufgenommen sein kann, so dass die Summe von Volumenanteilen in der Solventkammer und der Permeatkammer nicht zwangsweise 100% ergeben müssen.
Im Trennbehälter können die plattenartigen Keramikelemente dicht nebeneinander angeordnet sein, wobei der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten Keramikelementen vorzugsweise etwa 2 bis 10 Millimeter beträgt. Eine dichte Anordnung der mehreren Keramikelemente führt zu einer großen wirksamen Fläche für die Filterung bzw. Reinigung des Fluids (Solvents). Diese wirksame Fläche wird auch dadurch erhöht, dass die plattenartigen Keramikelemente mit ihrer Vorderseite und mit ihrer Rückseite in Kontakt mit dem Solvent stehen. Gemäß einem letzten Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Fluidtrennvorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Fluidtrennverfahrens nach dem Prinzip der Umkehrosmose, die wenigstens einen oben beschriebenen Trennbehälter mit wenigstens einem der genannten Merkmale umfasst. Es wird darauf hingewiesen, dass unter den Begriff Fluid selbstverständlich auch Gase fallen, in denen andere Moleküle gelöst vorkommen können oder in denen Schwebstoffe enthalten sind. Somit können unter Solvent bzw. Permeat bzw. Filtrat bzw. Retentat, wie sie hier verwendet werden, sowohl Gase als auch Flüssigkeiten verstanden werden. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
Fig. 1 zeigt in den Teilfiguren a) bis c) schematisch und vereinfacht eine Ausführungsform des Keramikelements a) als perspektivische Darstellung, b) als Längsschnitt mit parallelen Kanälen und c) als Längsschnitt mit unterschiedlichen Ausgestaltungen von sich kreuzenden Kanälen.
Fig. 2 zeigt schematisch in Teilfigur c) das Keramikelement der Fig la) mit möglichen For- men von Abflussöffnungen und in den Teilfiguren a), b) und d) Querschnitte entsprechend den Schnittlinien a-a der Fig. lb), b-b der Fig. lc) und d-d der Fig. 2c).
Fig. 3 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine erste Ausführungsform eines Trennbehälters mit Keramikelementen in einer Schnittdarstellung, etwa entsprechend einer Schnittlinie III-III der Fig. 4.
Fig. 4 zeigt schematisch und stark vereinfacht den Trennbehälter der Fig. 3 in einer geschnittenen Draufsicht entsprechend der Schnittlinie IV-IV der Fig. 3.
Fig. 5 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine zweite Ausführungsform eines Trennbehälters.
Fig. 6. zeigt schematisch und stark vereinfacht eine dritte Ausführungsform eines Trennbehälters.
Fig. 7 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine vierte Ausführungsform eines
Trennbehälters mit radial angeordneten Keramikelementen.
Fig. 8 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine fünfte Ausführungsform eines Trenn- behälters mit radial angeordneten Keramikelementen.
Fig. 9 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine sechste Ausführungsform eines Trennbehälters mit sehnenartig angeordneten Keramikelementen.
Fig . 10 zeigt schematisch den Ablauf eines Herstellungsverfahrens für Keramikelemente unter Verwendung von extrudierten Keramikschichten und einem dazwischen aufgenommenen Kanalplatzhalterelement.
Fig . 11 zeigt schematisch und vereinfacht die Hauptschritte A, B und C eines Herstellungsverfahrens für ein Keramikelement.
Fig . 12 zeigt schematisch und vereinfach eine weitere Ausführungsfrom eines Keramikelements mit gewölbter bzw. gewellter Oberfläche von Vorder- und Rückseite.
In Fig. la) ist schematisch und vereinfacht eine Ausführungsform eines Keramikelements 10 perspektivisch dargestellt. Das Keramikelement umfasst eine Vorderseite 12, eine Rückseite 14, eine obere Stirnseite 16, eine untere Stirnseite 18 und zwei die Stirnseiten 16, 18 ver- bindende Längsseiten 20, 22. Das Keramikelement 10 ist in den Ausführungsbeispielen jeweils als länglicher rechteckiger Quader dargestellt. Diese Formgebung ist zwar bevorzugt, schließt aber andere Formen mit beispielsweise quadratischer, kreisförmiger, ovaler, elliptischer, vieleckiger Vorder-/Rückseite nicht aus. Die Form des Keramikelements, insbesondere die Form der die großen Kontaktflächen mit Fluid bildenden Vorder- und Rückseite kann bedarfsgerecht gewählt werden.
Das Keramikelement weist 10 eine relativ kleine Dicke oder Höhe H auf, die wenige Millime- ter, bevorzugt etwa 2 bis 5 Millimeter, beträgt. Die Länge L beträgt bevorzugt etwa 100 bis 250 Millimeter und die Breite B beträgt vorzugsweise etwa 20 bis 100 Millimeter.
Im Inneren des Keramikelements 10 sind mehrere Kanäle 26 vorgesehen, wie sie aus den Schnittdarstellungen der Fig. lb) und lc) ersichtlich sind. In Fig. lb) weist das Keramikelement 10 mehrere in Längsrichtung verlaufende, zueinander parallele Kanäle 26 auf. Zwischen den Kanälen 26 sind jeweils Keramikstege 28 ersichtlich.
In Fig. lc) sind zu den in Längsrichtung verlaufenden Kanälen 26 geneigt angeordnete und kreuzende bzw. quer verlaufende Kanäle 26a beispielhaft dargestellt. Die zu den Kanälen 26 orthogonalen Kanäle 26a in der oberen Hälfte weisen einen größeren Abstand zueinander auf als die Kanäle 26a in der unteren Hälfte des Keramikelements 10. Etwas unterhalb der Mitte des Keramikelements 10 ist beispielhaft ein Fall dargestellt, bei dem die Kanäle 26a die längs verlaufenden Kanäle 26 nicht orthogonal schneiden. Üblicherweise sind die Kanäle in einem Keramikelement regelmäßig angeordnet, d.h. die alle Kanäle 26, 26a sind entsprechend einem der drei beispielhaften kreuzenden Verläufe der Fig. lc) für ein ganzes Keramikelement 10 ausgeführt. Bei kreuzenden Kanälen 26, 26a sind jeweils Keramikstege 28a ausgebildet, welche die Keramikschichten verbinden, die die Kanäle 26, 26a nach vorne bzw. nach hinten umgeben.
Auch wenn die Kanäle 26, 26a in den Bespielen geradlinig dargestellt ist, können diese auch gekrümmt bzw. gebogen vorgesehen sein. Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Kanäle eine gleiche Ausrichtung, etwa in Längsrichtung, aufweisen. Vielmehr können die Kanäle auch beliebig unter Ausbildung von unregelmäßig angeordneten Kreuzungsbereichen in einer Ebene angeordnet sein.
Das Prinzip der Aufteilung von zu reinigendem Fluid (Solvent) in ein Permeat bzw. Filtrat und ein Retentat wird vereinfacht anhand der Querschnitte der Fig. 2a) und b) erklärt, die entsprechend den Schnittlinien a-a und b-b der Fig. b) und lc) dargestellt sind.
Um ein Fluid bzw. Solvent unter Verwendung eines bzw. mehrere Keramikelemente 10 zu reinigen, wird Fluid unter Druck um das Keramikelement 10 gegeben (gestrichelte Pfeile in Fig. 2a), so dass das Fluid bzw. Solvent durch die Keramikschichten 30, 32, welche die Kanäle 26, 26a umgeben gepresst wird. Dabei werden an den Keramikschichten 30, 32, ggf. auch an einer dem bzw. den Keramikelement(en) vorgeschalteten, hier nicht näher dargestellten Membran, im Solvent gelöste oder suspendierte Bestandteile zurückgehalten, vorzugsweise nach dem Prinzip der Umkehrosmose. Gereinigtes Fluid, das als Permeat bzw. Filtrat bezeichnet wird, strömt in die Kanäle 26 bzw. 26a. Im Solvent reichern sich die zurückgehaltenen gelösten bzw. suspendierten Bestandteile an, so dass sich das sogenannte Retentat bildet. Damit das in den Kanälen 26, 26a gesammelte Permeat bzw. Filtrat abfließen kann, ist im Keramikelement 10 wenigstens eine Abflussöffnung 34 vorgesehen, wie dies in Fig. 2c) angedeutet ist. Diese kann beispielsweise als rechteckige Aussparung 34a in der Vorderseite 12 ausgebildet sein, so dass für die Kanäle 26 eine Verbindung nach außen vorhanden ist. Diese Situation ist auch in der Schnittdarstellung der Fig. 2d) enthalten (Schnittlinie d-d der Fig. 2c). Alternativ können auch die Kanäle 26 selbst so geführt sein, dass an der Vorderseite 12 oder alternativ auch an der Rückseite, einer Stirnseite 16,18 oder Längsseite 20, eine Verbindung nach außen besteht, so wie dies bei den Öffnungen 34b angedeutet ist. Ferner kann bei untereinander verbundenen Kanälen 26, 26a auch eine einzelne Öffnung 34c vorgesehen sein. Aufgrund der netzartigen Struktur der Kanäle 26, 26a kann das Permeat bzw. Filtrat aus allen Kanälen in Richtung der einen Öffnung 34c gesammelt werden und abfließen. Die hier dargestellte Anordnung der Öffnungen 34a, 34b und 34c ist rein beispielhaft. In der Regel weist ein Keramikelement 10 lediglich eine Art dieser Öffnungen 34a, 34b, 34c auf, wobei die Öffnungen 34a, 34b, 34c bevorzugt in einem Endbereich des Keramikelements 10 angeordnet sind. In diesem Zusammenhang wird auch darauf hingewiesen, dass eine Verbindung der Kanäle 26, 26a nach außen auch durch einfaches Abtrennen eines Stücks des Keramikelements 10 erfolgen kann, beispielsweise durch ein Abtrennen entlang der Schnittlinie a-a der Fig. lb).
Eine andere Ausführungsform eines Keramikelements 110 ist in Fig. 12 vereinfacht und schematisch dargestellt. Das Keramikelement 110 weist eine Vorderseite 112 und eine Rückseite 114 auf, die Wölbungen 113, 115, 117 aufweisen. Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) umfasst auch dieses Keramikelement obere und untere Stirnseiten 116, 118 sowie Längsseiten 120. Ferner ist beispielhaft für jeden Kanal 126 eine Öffnung 134b dargestellt, wobei selbstverständlich auch andere Öffnungsformen und -arten in Frage kommen, wie sie etwa unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben worden sind. Wie aus der Schnittdarstellung der Fig. 12b ersichtlich ist, können diese Wölbungen 113 konvex ausgebildet sein, wobei sich konvexe Wölbungen 113 auf der Vorder- und Rückseite 112, 114 gegenüber liegen und zwischen sich einen Kanal 126 des Keramikelements 110 aufnehmen. Verbindet man die Scheitelpunkte von zwei gegenüberliegenden Wellenbergen 113 der Vorder- und Rückseite 112, 114, liegt der Mittelpunkt MK des Kanals 126 in der Regel auf Scheitelverbindungslinie SL. Je nach Ausgestaltung der Krümmungsradien der Wölbungen, können die Kanäle 126 auch konzentrisch zu den Wellenbergen angeordnet sein. Zwischen den konvexen Wölbungen 113 sind kerbenartige Vertiefungen 115 ausgebildet. Die kerbenartigen Vertiefungen 115 können, wie dies in Fig. 12c dargestellt ist auch als konkave Wölbungen 117 ausgebildet sein. Man kann die Oberfläche des Keramikelements 110 auch als wellenförmig bezeichnen, wobei die konvexen Wölbungen 113 Wellenberge bilden und die konkaven Wölbungen 117 bzw. die kerbenartigen Vertiefungen 115 Wellentäler bilden. Ein derartiges Keramikelement 110 ist als einstückiges Element ausgebildet, das mehrere nebeneinander und überschneidend angeordnete Röhren umfasst, wobei sich die Wandungen der Röhren von zwei benachbarten Kanälen 126 überschneiden können. Wie aus den Schnittdarstellungen 12b und 12c ersichtlich, können die Größe (Durchmesser) der Kanäle 126 unterschiedlich groß gewählt werden. Dies gilt auch für die Ausgestaltung der konvexen bzw. konkaven Wölbungen 113, 115, insbesondere deren Krümmungsradien, oder der kerbenartigen Vertiefungen 117. Ferner kann auch der Abstand KA zwischen den einzelnen Kanälen 126 verändert werden, so ist beispielsweise in Fig. 12b ein kürzerer Abstand KA zwischen benachbarten Kanälen 126 dargestellt als in Fig. 12c.
Auch wenn dies nicht gesondert dargestellt ist, kann die ein Keramikelement auch eine kissenartige Oberfläche aufweisen, die im Wesentlichen dadurch gebildet ist, dass sich Wellenberge bzw. Wellentäler von kreuzenden Kanälen an der Oberfläche überlagern bzw. ebenfalls kreuzen.
Die Herstellung von Keramikelementen 10 bzw. 110 erfolgt im Wesentlichen durch die in Fig. 11 dargestellten Hauptschritte A, B und C. Zunächst werden zwei Keramikschichten 30, 32 und wenigstens ein Kanalplatzhalterelement 36 bereitgestellt (Schritt A). Das Kanalplatzhalterelement 36 wird zwischen die beiden Keramikschichten 30, 32 aufgenommen (Schritt B). Als Kanalplatzhalterelement 36 kommen beispielsweise einzelne Fäden, Drähte oder Netze (für kreuzende Kanäle 26, 26a), Stränge oder ähnliche Strukturen zum Einsatz. Einzelne Fäden oder Drähte können auch zufällig oder chaotisch angeordnet werden, so dass sie sich zufällig kreuzen und ein unregelmäßiges Netz bilden. Die Keramikschichten 30, 32 werden miteinander verbunden, vorzugsweise durch einen Pressvorgang, so dass das Kanalplatzhalterelement 36 vollständig von Keramikmaterial umgeben ist (Schritt B). Das in Schritt B dargestellte Zwischenprodukt kann auch als Keramikelementrohling 38 bezeichnet werden. Danach erfolgt ein für Keramikteile bekannter Brennvorgang, bei dem das Kanalplatzhalterelement 36 thermisch zersetzt wird oder schmilzt, so dass es nach dem Brennvorgang die Kanäle 26, 26a im festen Keramikelement 10 ausgebildet sind (Schritt C). Natürlich sind Reste von Asche oder andere Rückstände in den Kanälen durch geeignete Maßnahmen zu entfernen, wie etwa Ausblasen oder Aussaugen der Kanäle. Natürlich sind für derartige Reinigungsschritte nach dem Brennvorgang Verbindungen der Kanäle 26, 26a nach außen erforderlich, etwa über die oben beschriebenen Öffnungen 34a, 34b, 34c in den Keramikelementen 10 (Fig. 2c).
Die Keramikelemente 10 bzw. 110 können beispielsweise einzeln in entsprechenden Formen hergestellt werden, in welche das Keramikmaterial und das wenigstens eine passende (zugeschnittene) Kanalplatzhalterelement gegeben werden. Denkbar ist aber auch eine kontinuierliche Herstellung, wie sie in Fig. 10 schematisch und vereinfacht dargestellt ist. Bei diesem Herstellungverfahren werden die Keramikschichten 30, 32 mittels entsprechender Extrudiervorrichtungen 40 extrudiert. Das Kanalplatzhalterelement 36, vorzugsweise in Form von einem Netz bzw. Gitter oder in Form von mehreren parallel verlaufenden Fäden/Strängen wird kontinuierlich von einer Rolle 42 abgewickelt und zwischen den beiden extrudierten Keramikschichten 30, 32 aufgenommen (bei 44). Anschließend erfolgt ein Pressvorgang bei den Walzen 46, so dass ein Keramikelementrohling 38 entsteht, der einem nicht dargestellten Brennofen zugeführt werden kann, gegebenenfalls nachdem vorgängig der Keramikelementrohling 38 in Stücke aufgetrennt worden ist. Gegebenenfalls kann bei 44 auch noch eine Keramiksuspension aus einem Vorratsbehälter 48 zugeführt werden, um die Verbindung zwischen den extrudierten Keramikschichten 30, 32 zu verbessern und um das Einschließen des Kanalplatzhalterelements in Keramikmaterial zu optimieren. Alternativ zu einem kontinuierlich abgerollten Kanalplatzhalterelement 36 ist es auch denkbar, dass jeweils auf eine bestimmte Länge zugeschnittene Stücke des Kanalplatzhalterelements 36 zwischen die extrudierten Keramikschichten 30, 32 eingesetzt werden, so dass zwischen benachbarten Kanalplatzhalterelementen immer ein Bereich ausgebildet wird, der nur aus Keramikmaterial der beiden Schichten 30, 32 besteht. Dieser Bereich kann dann als Trennstelle zwischen einzelnen Keramikelementen dienen, die von dem strangartigen Keramikelementrohling 38 abgetrennt werden können.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen und stark vereinfachten Darstellung einen Trennbehälter 60, in dem mehrere Keramikelemente 10 angeordnet sind. Der Trennbehälter 60 ist hier als schematische Teilschnitt dargestellt. Der Trennbehälter 60 weist einen Boden 62, eine bevorzugt kreisförmige Seitenwand 64 und einen Deckel 66 auf. Ferner ist zwischen dem Deckel 66 und der Seitenwand 64 eine Begrenzungsplatte 68 eingesetzt. Die Keramikelemente 10 sind durch Öffnungen in der Begrezungsplatte 68 hindurch geführt, so dass ein oberer Teil der Keramikelemente 10 mit beispielhaften Öffnungen 34 oberhalb der Begrenzungsplatte 68 liegen. Der größere, untere Teil der Keramikelemente 10 ist unterhalb der Begrenzungsplatte 68 angeordnet. Die Begrezungsplatte 68, die Seitenwand 64 und der Boden 62, der hier beispielhaft durch eine Stahlplatte 70 verstärkt ist, umgeben die Solventkammer 72, in der das zu reinigende Fluid unter Druck enthalten ist. Das Solvent wird durch eine Solventzuführung 74 in die Solventkammer 72 geleitet. Das Fluid bzw. Solvent wird aufgrund des in der Solventkammer 72 herrschenden Drucks durch die Keramikelemente 10 gedrückt, so dass sich in den Kanälen 26, 26a der Keramikelemente das Permeat bzw. Filtrat sammelt. Dieses Permeat bzw. Filtrat fließt in im Wesentlichen axialer Richtung nach oben und tritt an den Öffnungen 34 der Keramikelemente oberhalb der Begrenzungsplatte 68 wieder aus. Durch die Oberseite der Begrenzungsplatte 68 und die Unterseite des Deckels 66 wird die Permeatkammer 76 begrenzt, in der das Permeat bzw. Filtrat gesammelt und durch einen oder mehrere Permeatauslässe 78 abgeführt werden kann. Natürlich sind die Keramikelemente 10 derart in den Öffnungen der Begrenzungsplatte 68 aufgenommen, dass die Permeatkammer 76 und die Solventkammer 72 zueinander mit geeigneten Dichtungsmitteln abgedichtet sind, so dass eine Fluidverbindung zwischen diesen Kammern lediglich über die Keramikelemente besteht und kein direkter Austausch zwischen den Kammern möglich ist. Im Bereich des Bodens 62, hier beispielhaft in der Stahlplatte 70, ist ein Retentatauslass 80 vorgesehen, um das mit gelösten bzw. suspendierten Bestandteilen angereicherte Retentat, das sich im bodennahen Bereich sammelt, aus der Solventkammer 72 abführen zu können. Natürlich sind zur Erzeugung des Prozessdrucks im Trennbehälter 60 entsprechende Pumpvorrichtungen mit dem Trennbehälter 60 verbunden. Der Deckel 66, die Seitenwand 64, der Boden 62 und die Begrenzungsplatte 68 sind durch Verbindungsstangen 82 mit daran angebrachten Spannschrauben 84 fest miteinander verbunden.
Entlang des Umfangs des Trennbehälters 60 sind mehrere derartige Schraubverbindungen 82, 84 angeordnet, wie dies auch beispielhaft aus der Darstellung der Fig. 4 ersichtlich ist, in der entsprechende Öffnungen 86 für die Verbindungsstangen angedeutet sind. Die Draufsicht als Teilschnittdarstellung entspricht etwa einem Schnitt entlang der Schnittlinie IV-IV der Fig. 3, wobei die Anzahl der dargestellten Keramikelemente 10 nicht exakt wiedergegeben ist. Es handelt sich bei den beiden Figuren 3 und 4 um Prinzipdarstellungen für eine mögliche Konstruktion des Trennbehälters 60 und für eine mögliche Anordnung von mehre- ren Keramikelementen 10 in einem solchen Trennbehälter 60.
Die Fig . 4 zeigt eine Draufsicht auf die Öffnungen 88 in der Begrenzungsplatte 68, durch die hindurch die Keramikelemente 10 eingesetzt sind. In der Fig. 4 sind die Keramikelemente nicht dargestellt, sondern lediglich die zugehörigen Öffnungen 88. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass im Trennbehälter 60 eine Mehrzahl von Keramikelementen 10 angeordnet werden kann, die gemeinsam eine sehr große wirksame Fläche in der Solventkammer aufweisen, die von Solvent umgeben wird. Da der Druck in der Solventkammer überall gleich groß ist, und da die Keramikelemente 10 mit einem Abstand von wenigen Millimetern nebeneinander angeordnet sind, ergeben sich sehr geringe auf die einzelnen Keramikelemente wirkende resultierende Kräfte. Die auf die Vorder- bzw. Rückseite der Keramikelemente wirkenden Druckkräfte heben sich im Wesentlichen auf, so dass der Druck lediglich eine Auf- triebswirkung an der unteren Stirnseite eines Keramikelements 10 hervorruft, die etwas oberhalb des Bodens bzw. der Stahlplatte 70 angeordnet ist.
Aus den Querschnittsdarstellungen der Keramikelemente 10 der Fig. 2a) und b) ist ersichtlich, dass das zu reinigende Fluid (Solvent) auf sehr kurzem Weg durch das Keramikmaterial zu den Kanälen 26, 26a geführt wird. Auf diese Weise kann der Prozessdruck deutlich geringer gehalten werden, da im Vergleich zu herkömmlichen Filteranordnungen geringere hydraulische Wiederstände auftreten. Es wird derzeit davon ausgegangen, dass in einer Anlage, die einen Trennbehälter mit den oben beschriebenen Keramikelementen aufweist, eine Reduktion des Prozessdruck um 10% bis 50% erreicht werden kann.
Fig . 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Trennbehälters 60 mit zwei Solventkammern 72a und 72b, die voneinander durch einen Zwischenboden 90 getrennt sind. Die Keramikelemente 10 sind länger ausgeführt und erstrecken sich durch beiden Solventkammern 72a, 72b und durch den Zwischenboden 90 hindruch, in dem entsprechende Öffnungen für Kera- mikelemente 10 angeordnet sind. Entsprechend den zwei Solventkammern, gibt es auch zwei Solventzuführungen 74a, 74b und zwei Retentatauslässe 80a, 80b. Die obere Solventkammer 72b ist durch die Begrenzungsplatte 68 begrenzt, durch welche die Keramikelemente 10 hindruchgehen. Oberhalb der Begrenzungsplatte 68 ist die Permeatkammer 76 ausgebildet, in der das Permeat bzw. Filtrat aus beiden Solventkammern 72a, 72b gesammelt wird. Im Übrigen ist der Aufbau sehr ähnlich zu demnjenigen des Trennbehälters 60 der Fig. 3.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Trennbehälters 60, der ebenfalls in zwei Solventkammern 72a, 72b aufgeteilt ist. Die Solventkammern 72a, 72b sind durch eine Be- grenzungsplatte 68a voneinander getrennt, in der auch die Permeatkammer 76a ausgebildet ist und durch die hindurch die Keramikelemente 10 geführt sind. In diesem Beispiel weisen die Keramikelemente 10 die Öffnungen 34a etwa in der Mitte Ihrer Längserstreckung auf, so dass das Permeat bzw. Filtrat aus den Kanälen 26, 26a durch die Öffnungen 34a in die Permeatkammer 76a fließen kann. Entsprechend der Aufteilung in zwei Solventkammern 72a, 72b sind wieder zwei Solventzuführungen 74a, 74b und zwei Retentatauslässe 80a, 80b vorgesehen. Ferner sind bei 92a bzw. 92b Entlüftungsventile für die Solventkammern 72a, 72b angedeutet. Bezogen auf eine im Wesentlichen kreiszylindrische Grundform des Trennbehälters 60 sind in den Ausführungsformen der Fig. 3 bis 6 die Keramikelemente 10 so angeordnet, dass ihre Längserstreckung im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung des kreiszylinderförmigen Trennbehälters ist. Das Durchströmen der Keramikelemente erfolgt im Wesentlichen in axialer Richtung, so dass das Permeat bzw. Filtrat in der Regel oberhalb oder unterhalb einer Solventkammer in der Permeatkammer abgeschieden werden kann.
In den Figuren 7 und 8 sind Trennbehälter 60a gemäß einer vierten und fünften Ausfüh- rungsform angedeutet, bei denen die Keramikelemente 10 im Wesentlichen in radialer Richtung angeordnet sind. Jeder Trennbehälter 60a weist eine Solventkammer 72a auf und eine dazu außen oder innen liegende, bevorzugt konzentrisch angeordnete Permeatkammer 76a. Die Solventkammer 72a und die Permeatkammer 76a sind jeweils durch eine Begrezungs- wand 68a voneinander getrennt, durch welche die Keramikelemente 10 hindurch gesteckt sind. Die Zuführung von Solvent bzw. das Abführen von Retentat bzw Permeat bzw. Filtrat erfolgt in im Wesentlichen axialer Richtung des Trennbehälters 60a auf verschiedenen Seiten.
Fig. 9 zeigt schließlich schematisch und vereinfacht einen Aufbau eines Trennbehälters 60b, bei dem die Keramikelemente 10 sehnenartig angeordnet. Der Trennbehälter 60b ist ebenfalls in eine Solventkammer 72b und eine Permeatkammer 76b aufgeteilt. Die Keramikelemente 10 sind an ihren beiden Stirnseiten in der Begrenzungswand 68 aufgenommen, so dass auf keine der Stirnseiten Auftriebskräfte wirken aufgrund des in der Solventkammer herrschenden Prozessdrucks.
In den Fig. 7, 8 und 9 sind mit 88a, 88b Öffnungen in der Begrenzungswand 68a, 68b bezeichnet, durch die hindurch die Keramikelemente 10 verlaufen und durch die die Keramikelemente 10 abgestützt bzw. gehalten werden. Die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 9 für die Keramikelemente 10 beschriebenen Trennbehälter können selbstverständlich auch mit den Keramikelementen 110 mit gewölbter bzw. gewellter oder kissenartiger Oberfläche bestückt sein (siehe Fig. 12). Insoweit gilt das in Bezug auf den Aufbau von Trennbehältern für die Anordnung und Aufnahme von Keramikelementen 10 Gesagte auch für die Verwendung von Keramikelementen 110. Selbstverständlich sind aufgrund der anderen Oberflächenbeschaffenheit ggf. Aufnahmeöffnungnen für die Keramikelemente 110 anzupassen, so dass eine entsprechende Dichtigkeit gewährleistet werden kann. Vorteilhaft kann auch eine Ausgestaltung der Keramikelemente derart sein, dass sie bezogen auf Ihre Längserstreckung einen mittleren Bereich aufweisen, der gewölbte Oberflächen aufweist, beispielsweise entsprechend dem Keramikelement 110, und dass die jeweiligen oberen und unteren Abschnitte, die sich an den mittleren Bereich anschließen, plattenartig ausgeführt sind, was die Aufnahme dieser oberen und unteren Abschnitte in entsprechenden Aufnahmen bzw. Öffnungen vereinfacht.
Abschließend wird noch darauf hingewiesen, dass die Keramikelemente 10 bzw. 110 beispielsweise aus folgenden Materialien bestehen können : α-ΑΙ203, γ-ΑΙ203, Si02, Ti02, Zr02, MgO, Y-Oxiden oder andere kaum- oder nicht-lösliche Substanzen wie z.B. natürlicher Ton der unter anderem in Töpfereien eingesetzt wird. Ferner wird noch darauf hingewiesen, dass zur Herstellung von Keramikelementen mittels der vorgestellten Verfahrensschritte eine Art Keramikteig aus Keramikpulver und einem Lösungsmittel oder einer Lösung, wie etwa organische Di-, Tri- oder Polycarbonatsäuren in Wasser, verwendet werden kann. Ein solcher Keramikteig kann als Vorprodukt für das Formpressen oder das Extrudieren hergestellt und verwendet werden.
Die Erfindung stellt zusammenfassend einen Keramikfilter mit integriertem Abfluss dar. Im Vergleich zu anderen keramikbasierten Filtern, kann mehr wirksame Fläche pro Volumeneinheit in einem Trennbehälter aufgenommen bzw. zur Verfügung gestellt werden. Der Permeat- bzw. Filtratweg kann sehr kurz gehalten werden, so dass der hydraulische Widerstand des Systems wesentlich kleiner wird. Die Kräfte herrührend vom erforderlichen Druck auf der Feedlösung (Solvent) heben sich gegeneinander zum wesentlichen Teil auf, so dass die resultierenden Kräfte auf dem/den Keramikelement/en niedrig gehalten werden können. Die Filtration umfasst insbesondere die Mikro-, Ultra- und Nanofiltration.

Claims

Ansprüche
1. Keramikelement für eine Fluidtrennvorrichtung zum Trennen von gelösten oder suspendierten Substanzen in einem Solvent, vorzugsweise durch Umkehrosmose, wobei das Keramikelement (10; 110) umfasst:
einen festen Hauptkörper mit einer Vorderseite (12; 112) und einer Rückseite (14; 114), mit einer oberen und einer unteren Stirnseite (16; 116, 18; 118) und mit seitlichen Längsseiten (20; 120), die sich zwischen den beiden Stirnseiten (16; 116, 18; 118) erstrecken,
wobei im Hauptkörper mehrere Kanäle (26; 126) vorgesehen sind, durch die Permeat bzw. Filtrat des gefilterten Solvents zu wenigstens einer Abflussöffnung (34; 134) abführbar ist,
wobei die Kanäle (26; 126) im Hauptkörper derart vorgesehen sind, dass sie zur Vorderseite (12; 112) und zur Rückseite (14; 114) des Hauptkörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens einige der Kanäle (26, 26a) kreuzen und miteinander in Fluidverbindung stehen..
2. Keramikelement nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der Kanäle (26; 126) parallel zueinander ausgerichtet sind.
3. Keramikelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorderseite (112) und die Rückseite (114) eine Wölbungen (113, 115, 117) umfassende Oberfläche aufweisen.
4. Keramikelement nach Anspruch 3, wobei die Oberfläche wellenartig oder kissenartig ausgebildet ist mit zueinander im Wesentlichen parallel verlaufenden Wellenbergen (113) und Wellentälern (115, 117), wobei ein Wellenberg (113) auf der Vorderseite (112) einem Wellenberg (113) auf der Rückseite (114) gegenüber liegt, derart, dass zwischen dem vorderseitigen und dem rückseitigen Wellenberg (113) ein Kanal (126) aufgenommen ist, wobei eine kissenartige Oberfläche durch Wellenberge bzw.
Wellentäler von sich kreuzenden Kanälen gebildet sind.
5. Keramikelement nach Anspruch 1, wobei der Hauptkörper plattenartig ausgebildet ist mit einer Vorderseite (12) und einer zu dieser im Wesentlichen parallelen Rückseite (14), wobei die Kanäle (26) im Hauptkörper in einer zur Vorderseite (12) und zur
Rückseite (14) im Wesentlichen parallelen Ebene vorgesehen sind, derart, dass die Kanäle (26) zur Vorderseite (12) und zur Rückseite (14) des Hauptkörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand aufweisen.
Keramikelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanäle (26, 26a) ein Kanalsystem bilden, das durch mehrere erste zueinander parallele Kanäle (26) und durch mehrere zweite zueinander parallele Kanäle (26a) gebildet ist, wobei die ersten und die zweiten Kanäle zueinander geneigt ausgerichtet sind, insbesondere zueinander orthogonal ausgerichtet sind.
Keramikelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Abflussöffnung (34) als Bohrung (34c) ausgeführt ist, die mit wenigstens einem der Kanäle (26, 26a) in Verbindung steht, wobei die Bohrung (34c) vorzugsweise an der Vorderseite (12) oder der Rückseite (14) des Hauptkörpers angeordnet ist.
Keramikelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Abflussöffnung (34) durch ein offenes Ende (34b) eines Kanals (26) selbst gebildet ist, das in einer der Seiten, vorzugsweise der oberen Stirnseite (16) des Hauptkörpers angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer ersten Schicht (30) aus Keramikmaterial und einer zweiten Schicht (32) aus Keramikmaterial;
Bereitstellen von wenigstens einem Kanalplatzhalterelement (36) aus einem organischen oder anorganischen Material;
Anordnen des wenigstens einen Kanalplatzhalterelements (36) zwischen der ersten und er zweiten Schicht (30, 32) aus Keramikmaterial;
Zusammenfügen, insbesondere Zusammenpressen der ersten und der zweiten Schicht (30, 32) aus Keramikmaterial, derart, dass die beiden Schichten miteinander verbunden werden und das Kanalplatzhalterelement (36) mit Keramikmaterial umgeben ist, Brennen des die beiden Schichten (30, 32) aus Keramikmaterial und das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement (36) umfassenden Keramikelementrohlings (38), wobei beim Brennen das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement (36) thermisch zersetzt wird oder zum Schmelzen gebracht wird, so dass nach dem Brennen mehrere hohle Kanäle (26, 26a) im festen Keramikelement (10) ausgebildet sind.
0. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das wenigstens eine Kanalplatzhalterelement (36) fadenartig oder netzartig ausgebildet ist, und vorzugsweise aus einem Kunststoff oder natürlichen Fasern, wie etwa Holz oder Papier, hergestellt ist.
Trennbehälter (60) mit wenigstens einer Solventzuführung (74) zur Einspeisung eines Fluids, in dem zu trennende Fremdstoffe enthalten sind, wenigstens einem Permeatab- fluss (78) zur Ableitung von Fluid, von dem die Fremdstoffe getrennt sind, und mit wenigstens einem Retentatabfluss (80) zur Ableitung von Fluid in dem die Fremdstoffe in höherer Konzentration vorliegen, wobei die Solventzuführung (74) und der Retentatabfluss (80) an einer gemeinsamen Solventkammer (72) angeordnet sind, und wobei der Permeatabfluss (78) an einer von der Solventkammer (72) getrennten Permeatkammer (76) angeordnet ist, wobei im Trennbehälter mehrere Keramikelemente (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet sind, durch die eine Fluidverbindung zwischen der Solventkammer (72) und der Permeatkammer (76) gebildet wird, wobei die Keramikelemente (10) durch Öffnungen (88) einer Begrenzungswand (68) der Solventkammer (72) hindurchgeführt sind und durch die Öffnungen (88) gehalten sind, derart, dass die wenigstens eine Ausflussöffnung (34) der Keramikelemente (10) außerhalb der Solventkammer (72) in der Permeatkammer (76) liegen, wobei an den Öffnungen (88) der Begrenzungswand (68) Dichtungselemente vorgesehen sind, welche die Fluidtrennung zwischen Solventkammer (72) und Permeatkammer (76) gewährleisten.
Trennbehälter nach Anspruch 11, wobei der Trennbehälter zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere als Kreiszylinder, wobei die Keramikelemente im Trennbehälter derart aufgenommen sind, dass das Permeat bzw. Filtrat in im Wesentlichen radialer Richtung durch die Keramikelemente abfließt, vorzugsweise in die konzentrisch angeordnete, als Hohlzylinder ausgeführte Permeatkammer.
Trennbehälter nach Anspruch 11, wobei der Trennbehälter zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere als Kreiszylinder, wobei die Keramikelemente im Trennbehälter derart aufgenommen sind, dass das Permeat bzw. Filtrat in im Wesentlichen axialer Richtung durch die Keramikelemente abfließt, vorzugsweise in eine oberhalb der Solventkammer angeordnete Permeatkammer.
Trennbehälter nach Anspruch 13, wobei die Permeatkammer gebildet wird durch eine Begrenzungsplatte, deren Unterseite die Solventkammer begrenzt und deren Oberseite die Unterseite der Permeatkammer bildet, und durch einen weiteren Behälterdeckel, der mit seiner Unterseite die Permeatkammer begrenzt und mit seiner Oberseite die Außenseite des Trennbehälters bildet, wobei die Begrenzungsplatte und der Behälterd- eckel mit dem Trennbehälter, insbesondere mit dessen Seitenwand verbunden sind, vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung, wobei vorzugsweise die Begrenzungsplatte die Öffnungen zur Aufnahme und zum Halten der Keramikelemente aufweist, und wobei sie vorzugsweise aus Metall, insbesondere Edelstahl hergestellt ist, und wobei vorzugsweise der Behälterdeckel aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Fluidtrennvorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Fluidtrennverfahrens nach dem Prinzip der Umkehrosmose, umfassend wenigstens einen Trennbehälter nach einem der Ansprüche 11 bis 14.
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