DE3938245C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtrationsverfahren zum Betrieb einer Filtervorrichtung zum Filtrieren eines flüssigen Mediums mit einer Zulaufkammer und einer Ablaufkammer und einem dazwischen angeordneten relativ grobporigen Filterträger, auf dem ein relativ feinporiges Filtermaterial aus ferromagnetischen Partikeln angeordnet wird, das von einem periodisch veränderbaren Magnetfeld einer Elektromagnetanordnung, die voneinem steuerbar periodisch veränderlichen Strom durchflossen wird, beaufschlagt wird.

Aus der US 38 73 448 ist ein Filter bekannt, bei dem ein Elektromagnet so um eine Filterschicht angeordnet ist, daß seine Feldlinien im wesentlichen parallel dazu verlaufen. Hierdurch werden beim Filtern durch ein statisches Magnetfeld magnetisierbare Partikel festgehalten, so daß sich nach und nach eine schwer durchlässige Partikelschicht aufbaut. Um die Durchlässigkeit wieder zu erhöhen, erfolgt eine Rückspülung des Filters, wobei der Elektromagnet mit Wechselstrom betrieben wird, wodurch die Partikel aufgelockert werden und ausgeschwämmt werden können. Eine gesteuerte Filtration nicht magnetischer Partikel ist nicht vorgesehen.

Weiterhin ist aus der DE 31 19 034 C1 ein Filter für das Abscheiden magnetisierbarer Partikel mit einem äußeren Elektromagneten bekannt, in dessen Magnetfeld über einem Filterträgersieb Kugeln aus ferromagnetischem Material eingelagert sind, deren Oberfläche mit hochpermeablen Partikeln bestückt sind. Diese Partikel und die Kugeln sind vorzugsweise mit Kunststoff, z. B. Polytetrafluorethylen, überzogen. Vor einem Rückspülen des Filters wird der Elektromagnet mit einem abklingenden Wechselstrom beaufschlagt, damit eine Entmagnetisierung der Kugeln und magnetisierten Partikel erfolgt.

Weiterhin ist aus der DE 36 00 607 A1 ein Filter für magnetisierbare Stoffe bekannt, in dessen siebartigen Träger Permanentmagnete in Hülsen verschieblich gehalten sind, und wobei auf dem Träger eine Filterschicht aus magnetisierbaren Filterpartikeln aufgebaut ist. Bei einem Rückspülen werden die Permanentmagnete aus der Filterschicht herausgezogen.

Filtervorrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt, und sie haben den Nachteil, daß das feinporige Filtermaterial nach kurzem Gebrauch verstopft ist, wodurch die Filterleistung nachläßt, so daß das Filtermaterial gegen neues ausgetauscht werden muß. Insbesondere, wenn teure Filtermaterialien, die besonders widerstandsfähig sind bei hohen Drücken und/oder zur Filtrierung von agressiven Medien benutzt werden oder die sehr feinporig sind und zur Reversosmose genutzt werden, zum Einsatz kommen, ist durch den erforderlichen häufigen Materialwechsel der Filterbetrieb recht teuer. Es ist deshalb gebräuchlich, zur Einschränkung und Verzögerung der Filterverstopfung eine Querbestromung des Filtermaterials in der Einlaufkammer vorzunehmen und das sich vor dem Filtermaterial bildende Konzentrat abzuführen. Die Filtereigenschaften, insbesondere die Porengröße und die Druckbeständigkeit sind im wesentlichen durch das feinporige Filtermaterial, das gewöhnlich als Filtervlies, als Sintermaterial oder als Membran ausgebildet ist, jeweils für bestimmte Anwendungen festgelegt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Filtrationsverfahren für eine Filtervorrichtung zu schaffen, bei der unterschiedliche Filtereigenschaften erzeugt werden können und die einfach zu regenerieren ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß in einer Aufbauphase das Filtermaterial in die Zulaufkammer eingebracht wird und während einer folgenden Anlagerung des Filtermaterials an den Filterräger die Magnetanordnung, mit einem derart getakteten Strom bestromt wird, daß eine vorgegebene Porösität der Filterschicht entsteht, und danach in einer Filterphase die Zulaufkammer mit dem zu filtrierenden Medium versorgt wird, wobei die Elektromagnetanordnung mit einem derart getakteten Strom bestromt wird, daß weder eine Anlagerung zurückhaltender Partikel an das Filtermaterial noch eine Einlagerung derselben in dieses erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Als ferromagnetische Partikel können je nach der Art des zu filtrierenden Mediums und dessen auszufilternder Stoffe preisgünstige Ferritkristalle oder Eisen- oder Eisenlegierungspartikel unmittelbar verwandt werden, falls diese nämlich nicht von dem Medium angegriffen werden, oder es können vorteilhaft mit inerten Materialien ummantelte Partikel benutzt werden. Die Ummantelung kann z. B. aus einem weitgehend beständigen Kunststoff wie Tetrafluorethylen oder einer Glasschicht bestehen, die mit einem bekannten Mikroverkapselungsverfahren auf die Ferritkristalle oder Eisenteilchen aufgebracht ist. Die ummantelten Partikel lassen sich insbesondere für eine Trinkwasserfilterung oder eine Reversosmose verwenden, da im Trinkwasser ein niedriger Eisengehalt bevorzugt ist.

Die Filtereigenschaften sind einerseits durch die Partikelgröße und weiterhin durch deren Schichtdicke zu bestimmen und leicht zu variieren. Darüberhinaus lassen sich Partikel unterschiedlicher Oberflächenstruktur und unterschiedlicher Form einzeln oder in geeigneten Mischungen oder Schichtungen bedarfsweise in einfacher Weise zusammensetzen. Es lassen sich auch Partikel aus nicht-ferromagnetischem Material beim Aufbau der Filterschicht in diese einlagern.

Weiterhin lassen sich die Filtereigenschaften vorteilhaft durch die Stärke des Magnetfelds während des Aufbringens des Filtermaterials und während des Filterbetriebs beeinflussen.

Besonders vorteilhaft ist es, daß durch eine periodische Variation des Magnetfeldes die veränderlichen magnetischen Bindekräfte in Wechselwirkung mit der Strömungskraft des flüssigen Mediums eine Vibration der Partikel bewirken, durch die eine Einlagerung des Filterschlammes und ein Verstopfen der Filterporen zu verhindern ist. Auf diese Weise bleibt bei einem Querstrombetrieb, durch den das Konzentrat beseitigt wird, das Filter fast unbegrenzt konstant durchlässig. Hierdurch werden völlig neue Anwendungsgebiete der Brauchwasserregenerierung, der Meerwasserentsalzung zur Bewässerung und der Trinkwassergewinnung erschlossen.

Statt für einen Querstrombetrieb läßt sich die Filtervorrichtung auch für einen periodischen Betrieb ausgestalten, wobei gebrauchtes Filtermaterial nach Abschaltung des Magnetfelds aus dem Filterträger völlig ausgespült wird und die ferromagnetischen Partikel dann durch das erneut eingeschaltete Magnetfeld wieder in situ zu einer Filterschicht zusammengelagert werden, worauf das zurückbleibende Konzentrat abgeführt wird, bevor der Filtervorgang wieder weitergeführt wird.

Das ausgespülte Filtermaterial läßt sich auch bei besonders festhaftender Filterkontaminierung in eine gesonderte Wasch- und Reinigungsvorrichtung abpumpen, von wo es nach einer mechanischen und/oder chemischen Reinigung einer späteren Wiederverwendung zuzuführen ist.

Das steuerbare Magnetfeld läßt sich sowohl durch einen relativ zur Filtrierschicht verschieblich gelagerten Permanentmagneten oder bevorzugt durch mindestens einen elektrisch steuerbaren Elektromagneten erzeugen. Die Wicklung des Elektromagneten läßt sich als Zylinderspule außerhalb der Filterkammern anordnen, oder sie kann in diesen, insbesondere in dem Filterträger selbst, eingelagert sein. Die Bestromung kann mit Gleichstrom oder mit üblichem Netz-Wechselstrom erfolgen, da die Mobilität der feinen Magnetpartikel in dem flüssigen Medium relativ gering ist, so daß die kurzen Unterbrechungen eines netzfrequenten Stromes nicht stören.

Eine beispielhafte Ausgestaltung ist in Fig. 1 dargestellt, wo eine z. B. zylindrische Anordnung gezeigt ist, die axial durchströmt ist. Prinzipiell ist die Anordnung in fachmännischer Weise auf andere geometrische Formen, z. B. ein radial durchströmtes Filter, umzugestalten.

Fig. 1 zeigt eine Filtervorrichtung, schematisch im Schnitt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Filtervorrichtung schematisch.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 besteht aus einer Zulaufkammer (1) und einer Ablaufkammer (2) zwischen denen ein grobporiger Filterträger (3) angeordnet ist, auf dem sich auf der Zustromseite eine feinporige Filterschicht (4) befindet, die aus ferromagnetischen Partikeln besteht. Abstromseitig des Filterträgers (3) ist ein Elektromagnet (5) angeordnet, der eine Magnetisierungswicklung (50) trägt. Der eine Magnetpol (51) erstreckt sich über die gesamte Filterfläche und zwar abstromseitig des Filterträgers (3), und der zweite Magnetpol (52) liegt seitlich der Filterkammern (1, 2), so daß im zustromseitigen Filterträgerbereich zu dem Filterträger (3) hin ein hoher Magnetfeldgradient vorliegt, also in der Zulaufkammer (1) ein zum Filterträger (3) hin zunehmendes Magnetfeld besteht, das dort eingebrachte Magnetpartikel dorthin zieht und dort als die Filterschicht (4) festhält.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird das Filtermaterial in die Zulaufkammer (1) eingeschwämmt, und dann wird es durch das eingeschaltete Magnetfeld als Filtrierschicht (4) angezogen und zusammengelagert, wonach das zu filternde Medium, z. B. Zuwasser (ZW), mit einer Pumpe (P) durch das Filter (1, 2, 3, 4) gepumpt wird, so daß das Filtrat (F) in einen Filtrattank (FT) und zum Gebrauch aus der Ablaufkammer (2) abzuleiten ist.

Die Vorrichtung läßt sich im Querstrombetrieb betreiben, wenn ein den Filterdruck haltendes Dosierventil (DV) gegenüberliegend zum Einlauf (E) der Zulaufkammer (1) querstrommäßig zum Filter (3, 4) angeordnet ist. Aus dem druckhaltenden Dosierventil (DV) tritt das Konzentrat (AW1) aus, und es ist von dort abzuführen.

Für einen periodischen Betrieb der Vorrichtung und eine vorteilhafte Wiederaufbereitung des Filtermaterials ist diese Vorrichtung mit umsteuerbaren Mehrwegventilen (V1- V5) zu- und ablaufseitig ausgestattet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind einlaufseitig von der Pumpe (P) vier verschiedene Zulaufmöglichkeiten durch die Ventile (V1-V3) zu schalten, nämlich von ungefiltertem Wasser (ZW), von frischem Filtermaterial aus einem Filtermaterialtank (FM), von bereits gebrauchtem, wiederaufbereitetem Filtermaterial aus einer Waschvorrichtung (WV) oder von gefiltertem Wasser aus dem Filtrattank (FT). Außerdem läßt sich das wiederaufbereitete Filtermaterial in den Filtermaterialtank (FM) zurückführen.

Druckseitig der Pumpe (P) ist über das Ventil (V4) entweder im Filterbetrieb die Zulaufkammer (1) oder im Reinigungsbetrieb die Ablaufkammer (2) angeschlossen. Im Reinigungsbetrieb wird die Filtervorrichtung (1, 2, 3, 4) bei abgeschaltetem Magnetfeld invers betrieben und das freiwerdende Filtermaterial und das beim Filtern vorher zurückgehaltene Konzentrat durch die entsprechend geschalteten Ventile (V4, V5) in die Waschvorrichtung (WV) geleitet, von wo ausgangsseitig das belastete Abwasser (AW2) abgeführt wird.

Die Ventile (V1-V5) sind in der Filterbetriebsstellung dargestellt.

Es sind folgende Ventilschaltungen vorgesehen:

Filtermaterial zuführen:
FM - V3 - V2 - P - V4 - 1.

Filtrieren:
ZW - V1 - V2 - P - V4 - 1 - 4 - 3 - 2 - V4 - V5 - FT, F.

Reinigen:
ZW - V1 - V2 - P - V4 - 2 - 3 - 1 - V4 - V5 - WV - V3 - AW2.

Spülen und Filtermaterial zurückführen:
FT - V1 - V2 - P - V4 - 2 - 1 - V4 - V5 - WV - V3 - V2 - FM.

Weitere Schaltungsarten lassen sich fachmännisch vornehmen.

Die gezeigte Ventilanordnung läßt sich fachmännisch auf andere Anordnungen übertragen, die die gleichen oder entsprechende Wege zwischen den Komponenten steuerbar herstellen lassen.

Das Magnetfeld wird entsprechend einer jeweils geforderten Packungsdichte der Partikel in seiner Intensität gewählt. Sie wird bei einer Wasserfiltration vorzugsweise über eine Leitfähigkeitsmessung des Filtrats bestimmt, wozu der Sensor (S) dient, der die Stromquelle (I) des Magneten (5) steuert. Diese ist eingangsseitig mit einer Netzwechselspannung (U) beaufschlagt.

Das Magnetfeld wird vorzugsweise periodisch verändert, indem die Stromquelle mit einem Takt beaufschlagt ist. Dieser Takt ist für die Zeit des Filteraufbaus so gewählt, daß sich eine vorgegebene Porösität in Verbindung mit dem zugeführten ferromagnetischen Material ausbildet, und weiterhin während der Filtrierzeit so gewählt, daß die Filterschicht so vibriert, daß sich keine Kontamination an die Filterpartikel anlagert und kein zurückgehaltenes Material in das Filter einlagert.

Die Pumpe (P) ist für eine Reversosmose zweckmäßig für einen Druck von 10 bis 15 bar ausgelegt.

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise stark vergrößert eine Anordnung der Magnetspule (50′) im Filterträger (30) der aus einer engmaschigen, gitterartigen Leiteranordnung mit einer isolierenden Schutzbeschichtung, z. B. aus mehrschichtiger Emaille, besteht. Das Magnetfeld bildet sich in den Maschenöffnungen der Leiter aus, in denen sich das zuerst zugeführte Filtermaterial (4′) bei vorhandenem Magnetfeld einlagert, worauf sich dann eine weitere Filterschicht (40) aufbaut. Die Dicke und die Struktur dieser Schicht ist je nach der Stromstärke und deren Frequenz sowie dem zugeführten Material ausgebildet. Die im Einzelfall geeignete Stromstärke, Frequenz und Filtermaterialmenge und Materialart ist durch Versuche fachmännisch leicht zu bestimmen.

Weitere Anwendungen sind chemisch-biologische Trennverfahren und Anreicherung von Stoffen auf der Konzentratseite.

Claims (9)

1. Filtervorrichtung zum Betrieb einer Filtervorrichtung zum Filtrieren eines flüssigen Mediums mit einer Zulaufkammer (1) und einer Ablaufkammer (2) und einem dazwischen angeordneten relativ grobporigen Filterträger (3, 30) auf dem ein relativ feinporiges Filtermaterial (4, 40) aus ferromagnetischen Partikeln angeordnet wird, das von einem periodisch veränderbaren Magnetfeld einer Elektromagnetanordnung (5, 50′), die von einem steuerbar periodisch veränderlichen Strom (I) durchflossen wird, beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Aufbauphase das Filtermaterial (4′, 40) in die Zulaufkammer (1) eingebracht wird und während einer folgenden Anlagerung des Filtermaterials (4′, 40) an den Filterträger (3, 30) die Magnetanordnung (5, 50′) mit einem derart getakteten Strom (I) bestromt wird, daß eine vorgegebene Porösität der Filterschicht entsteht, und danach in einer Filterphase die Zulaufkammer (1) mit einem zu filtrierenden Medium versorgt wird, wobei die Elektromagnetanordnung (5, 50′) mit einem derart getakteten Strom (I) bestromt wird, daß weder eine Anlagerung zurückhaltender Partikel an das Filtermaterial (4′, 40) noch eine Einlagerung derselben in dieses erfolgt.

2. Filtrationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Filterphase der Zulaufkammer (1) laufend zu filtrierendes Medium zugeführt und ein vor dem Filtermaterial (4, 40) sich bildendes Konzentrat laufend abgeführt wird, wobei die Zulaufkammer (1) druckbeaufschlagt wird.

3. Filtrationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in der Zulaufkammer (1) eine steigende Intensität in Richtung auf den Filterträger (3, 30) hin aufweist.

4. Filtrationsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einem Magneten (5) erzeugt ist, dessen eine Polfläche (51) sich flächig abstromseitig des Filterträgers (3) erstreckt und dessen andere Polfläche (52) sich seitlich der Kammer (1, 2) befindet.

5. Filtrationsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einer netzförmigen stromdurchflossenen Leiteranordnung (50′) in oder auf dem Filterträger (30) erzeugt wird.

6. Filtrationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetisierungsstrom (I) abhängig von einem Meßsignal mindestens eines Sensors (S) gesteuert wird, der ablaufkammerseitig im Filtrat angeordnet ist.

7. Filtrationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterphase periodisch unterbrochen wird, und dann in einer Reinigungsphase die Ablaufkammer (2) druckbeaufschlagt wird und die Zulaufkammer (1) mit einer Filtermaterialreinigungsvorrichtung (WV) verbunden wird und anschließend eine neue Aufbauphase beginnt.

8. Filtrationsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Partikel vor dem Einbringen in die Zulaufkammer (1) mit einem Schutzüberzug mikroverkapselt werden.

9. Filtrationsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzüberzug mit Kunststoff, z. B. Polytetrafluorethylen, oder mit Glas vorgenommen wird.