NL1006137C2

NL1006137C2 - Ultrafiltration device.

Info

Publication number: NL1006137C2
Application number: NL1006137A
Authority: NL
Inventors: Johan Jan Scharstuhl
Original assignee: Prime Water Systems N V
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-12-01
Also published as: WO1998053901A1; AU6750998A

Description

Ultrafiltratie-inrichtingUltrafiltration device

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een ultrafiltratie-inrichting voor watersterilisatie, omvattende een filterhuis voorzien van een toevoer- en een afvoeraan-sluiting, en met daarin aangebracht een bundel capillaire 5 ultrafiltratiemembranen, waarbij de capillaire membranen aan een eerste uiteinde open zijn en aan een andere uiteinde gesloten zijn, en aan het eerste uiteinde zijn gevat in een membraanhouder die de ruimte tussen de capillaire membranen en het filterhuis afsluit.The present invention relates to an ultrafiltration device for water sterilization, comprising a filter housing provided with an inlet and an outlet connection, and containing a bundle of capillary ultrafiltration membranes, the capillary membranes being open at a first end and at a other end are closed, and at the first end are contained in a membrane holder which closes the space between the capillary membranes and the filter housing.

10 Een dergelijke ultrafiltratie-inrichting is beschre ven in de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 1.004.210. Deze ultraf iltratie-inrichting is geschikt voor de verwijdering van micro-organismen en organische verontreinigingen uit leidingwater en kan in of bij een wateraftappunt, zoals de uit-15 stroombuis van een mengkamer of bijvoorbeeld een tandartsboor, worden toegepast. De hierin toegepaste hydrofiele capillaire ultrafiltratiemembranen zijn uitermate efficiënt in het verwijderen van de levende micro-organismen en de organische verontreinigingen uit het leidingwater. Uit proeven is 20 gebleken dat bij circa 7 x 106 kolonie-vormende eenheden per ml van een bacteriënsuspensie van E. coli er na filtratie met behulp van de ultrafiltratie-inrichting geen E. coli in het gefiltreerde water kon worden aangetoond. Dergelijke micro-organismen kunnen zich in het leidingnet, maar ook na verla-25 ten van dit leidingnet ontwikkelen.Such an ultrafiltration device is described in Dutch patent application no. 1,004,210. This ultra-filtration device is suitable for the removal of micro-organisms and organic contaminants from tap water and can be used in or near a water tap, such as the outflow pipe from a mixing chamber or, for example, a dental drill. The hydrophilic capillary ultrafiltration membranes used herein are extremely efficient in removing the living micro-organisms and organic contaminants from the tap water. Tests have shown that at approximately 7 x 106 colony-forming units per ml of a bacterial suspension of E. coli, after filtration using the ultrafiltration device, no E. coli could be detected in the filtered water. Such microorganisms can develop in the pipeline network, but also after leaving this pipeline network.

Dit is ondermeer specifiek het geval in tandartsinstrumentarium. In tandartsinstrumentarium wordt water onder andere gebruikt voor het spoelen van de mond, als koelwater bij het boren en voor het reinigen van de uitgeboorde tand 30 met behulp van een lucht/watermengsel. In het tandartsinstrumentarium is sprake van zeer lange dunne leidingen en is de doorstroming hiervan gering, aangezien er niet veel water wordt gebruikt en de druk te gering is. Er is aangetoond dat zich op de binnenzijde van deze leidingen een "biofilm" 35 vormt, waardoor het aantal bacteriën in het water in de leidingen van dit tandartsinstrumentarium zich explosief verme- 1 00 61 37 2 nigvuldigt, ook wanneer het water uit het toevoerleidingnet-werk nagenoeg geen micro-organismen bevat, en daardoor aanvaardbare normen ver overschrijdt. Bij gebruik van dergelijk water bij tandartshandelingen komen dus grote aantallen ziek-5 teverwekkers in de mondholte van de patiënt, hetgeen een gevaar voor zijn of haar gezondheid oplevert. Toepassing van de hiervoor beschreven ultrafiltratie-inrichting leidt tot een duidelijke verbetering in de hygiëne bij tandartshandelingen. Er kunnen zich echter problemen voordoen wanneer in het aan-10 gevoerde water luchtbellen aanwezig zijn. Dergelijke luchtbellen kunnen de poriën van het asymmetrische membraan verstoppen waardoor niet voldoende water beschikbaar is voor een afdoende koeling van de boor en voor het spoelen van de mond.This is specifically the case in dental instruments, among other things. In dental instruments, water is used, among other things, for rinsing the mouth, as cooling water during drilling and for cleaning the drilled tooth 30 using an air / water mixture. In the dental instruments there are very long thin pipes and their flow is low, because not much water is used and the pressure is too low. It has been shown that a "biofilm" 35 forms on the inside of these pipes, causing the number of bacteria in the water in the pipes of this dental instrument to multiply explosively, even when the water from the supply pipe network. work contains virtually no micro-organisms, and therefore far exceeds acceptable standards. Thus, when such water is used in dental procedures, large numbers of pathogens enter the patient's oral cavity, posing a risk to his or her health. The use of the ultrafiltration device described above leads to a marked improvement in hygiene in dental procedures. However, problems can arise when air bubbles are present in the water supplied. Such air bubbles can clog the pores of the asymmetric membrane, so that not enough water is available for adequate cooling of the drill and for rinsing the mouth.

Met de onderhavige uitvinding is beoogd deze ultra-15 filtratie-inrichting verder te verbeteren door te vermijden dat de in het leidingwater aanwezige lucht zich in de poriën van de membraanwand van de capillaire ultrafiltratiemembranen kan verzamelen en de poriën aldus kan "verstoppen". Dit leidt namelijk tot een capaciteitsverlies van de ultrafiltratie-in-20 richting. Specifiek bij het genoemde tandartsinstrumentarium is dit een probleem, omdat er weinig ruimte beschikbaar is voor het plaatsen van een ultrafiltratie-inrichting, aangezien de ultrafiltratie-inrichting zo dicht mogelijk bij de plaats moet zijn gepositioneerd waar het water uittreedt, 25 bijvoorbeeld de boorkop van een tandartsboor. De ultrafiltratie- inrichting dient in dit geval in het boorinstrument of in de toevoerleiding hiervan te worden aangebracht. Op beide plaatsen is de beschikbare ruimte gering.The object of the present invention is to further improve this ultra-filtration device by preventing the air present in the tap water from collecting in the pores of the membrane wall of the capillary ultrafiltration membranes and thus "clogging" the pores. Namely, this leads to a loss of capacity of the ultrafiltration in-20 direction. This is a problem specifically with the said dental instruments, because there is little space available for placing an ultrafiltration device, since the ultrafiltration device must be positioned as close as possible to the place where the water exits, for example the drill bit of a dental drill. The ultrafiltration device in this case must be arranged in the drilling instrument or in its supply line. The available space is limited in both places.

De uitvinding verschaft thans een ultrafiltratie-30 inrichting voor watersterilisatie, omvattende een filterhuis voorzien van een toevoer- en een afvoeraansluiting, en met daarin opgenomen een bundel hydrofiele capillaire ultrafil-tratiemembranen, waarbij de capillaire membranen aan een eerste uiteinde open zijn en aan een andere uiteinde gesloten 35 zijn, en aan het eerste uiteinde zijn gevat in een membraan-houder die de ruimte tussen de capillaire membranen en het filterhuis afsluit, met het kenmerk, dat de hydrofiele ultra-filtratiemembranen asymmetrisch zijn, waarbij de grote poriën zich aan de aanstroomzijde (buitenzijde) van het membraan en 1 00 61 37 3 de kleine poriën zich aan de binnenzijde ervan bevinden dan wel andersom, dat het eerste uiteinde een permeaatafvoer van een capillair ultrafiltratiemembraan vormt, en dat ten minste één hydrofoob capillair membraan is opgenomen in de bundel 5 capillaire hydrofiele ultrafiltratiemembranen, waarbij het hydrofobe capillaire membraan aan een eerste uiteinde open is en aan het andere uiteinde gesloten is, en aan het eerste uiteinde is gevat in de membraanhouder.The invention now provides an ultrafiltration device for water sterilization, comprising a filter housing having a supply and a discharge connection, and including a bundle of hydrophilic capillary ultrafiltration membranes, the capillary membranes being open at one end and at another end are closed, and at the first end are contained in a membrane container which closes the space between the capillary membranes and the filter housing, characterized in that the hydrophilic ultra-filtration membranes are asymmetrical, the large pores being located on the upstream side (outside) of the membrane and the small pores are on the inside thereof or vice versa, that the first end forms a permeate drain of a capillary ultrafiltration membrane, and that at least one hydrophobic capillary membrane is included in the bundle 5 capillary hydrophilic ultrafiltration membranes, the hydrophobic capillary mem brane at one first end is open and closed at the other end, and at the first end is contained in the membrane holder.

Uit onderzoek is gebleken dat wanneer één of meer 10 hydrofobe capillaire membranen in de bundel capillaire ultra-filtratiemembranen zijn opgenomen de in het te filtreren water aanwezige luchtbellen zich hoofdzakelijk in de wand van het hydrofobe capillaire membraan verzamelen en via het lumen van het membraan worden afgevoerd. Het opnemen van een der-15 gelijk hydrofoob membraan resulteert daarmee in een aanzienlijke capaciteitsverbetering van de ultrafiltratie-inrichting en waarborgt een continue constante wateraanvoer. Het aantal in de bundel hydrofiele capillaire ultrafiltratiemembranen op te nemen hydrofobe capillaire membranen kan afhangen van de 20 specifieke toepassing en het aantal gebruikte ultrafiltratiemembranen .Research has shown that when one or more hydrophobic capillary membranes are included in the bundle of capillary ultrafiltration membranes, the air bubbles present in the water to be filtered collect mainly in the wall of the hydrophobic capillary membrane and are discharged via the lumen of the membrane . The inclusion of such a hydrophobic membrane thus results in a considerable capacity improvement of the ultrafiltration device and ensures a continuous constant water supply. The number of hydrophobic capillary membranes to be included in the bundle of hydrophilic capillary ultrafiltration membranes may depend on the specific application and the number of ultrafiltration membranes used.

In een voorkeursuitvoeringsvorm bestaat het filter-huis uit een flexibel materiaal, zodat deze eenvoudig in een flexibele slang voor water kan worden aangebracht.In a preferred embodiment, the filter housing consists of a flexible material, so that it can be easily fitted in a flexible hose for water.

25 Gewoonlijk is het hydrofobe capillaire membraan ver vaardigd uit een hydrofoob materiaal zoals nylon, polysulfon, polyethersulfon of een ander geschikt materiaal, en in het bijzonder uit nylon. Nylon heeft namelijk gunstige hydrofobe eigenschappen en een capillair membraan is op eenvoudige en 30 goedkope wijze in allerlei afmetingen uit nylon te vervaardigen.Usually, the hydrophobic capillary membrane is made from a hydrophobic material such as nylon, polysulfone, polyether sulfone or other suitable material, and in particular nylon. Namely, nylon has favorable hydrophobic properties and a capillary membrane can be manufactured from nylon in various dimensions in a simple and inexpensive manner.

De uitvinding wordt hierna verder toegelicht aan de hand van de tekening, waarin de enige figuur een aanzicht in doorsnede toont van de ultrafiltratie-inrichting volgens de 35 uitvinding.The invention is further elucidated hereinafter with reference to the drawing, in which the only figure shows a cross-sectional view of the ultrafiltration device according to the invention.

In de figuur is het filterhuis aangeduid met het verwijzingscijfer 10. Het filterhuis 10 is voorzien van een toevoeraansluiting 11 en een afvoeraansluiting 12. In het filterhuis 10 is een bundel capillaire ultrafiltratiemembra- 1 0061 37 4 nen 20 aangebracht en tevens een hydrofoob capillair membraan 25. Aan een eerste uiteinde 21 zijn de capillaire membranen 20 en 25 gevat in een filterhouder 30 die de ruimte tussen de capillaire membranen en het filterhuis afsluit. Deze filter-5 houder kan bijvoorbeeld bestaan uit een hars, zoals epoxy of polyurethaan, waarin de membranen 20 en 25 zijn ingebed en aan deze zijde zijn de capillaire membranen open. Aan het andere uiteinde 22 zijn de capillaire membranen 20 en 25 gesloten door bijvoorbeeld heat sealen of door toepassing van 10 harsproppen 40. In een voorkeursuitvoeringsvorm is het filterhuis 10 vervaardigd uit een flexibel materiaal, zodat de ultrafiltratie-inrichting in een flexibele slang voor water kan worden geplaatst.In the figure, the filter housing is indicated by the reference numeral 10. The filter housing 10 is provided with a supply connection 11 and a discharge connection 12. In the filter housing 10, a bundle of capillary ultrafiltration membranes 20 is arranged, as well as a hydrophobic capillary membrane 25 At a first end 21, the capillary membranes 20 and 25 are contained in a filter holder 30 which closes the space between the capillary membranes and the filter housing. This filter-holder can for instance consist of a resin, such as epoxy or polyurethane, in which the membranes 20 and 25 are embedded and on this side the capillary membranes are open. At the other end 22, the capillary membranes 20 and 25 are closed by, for example, heat sealing or by using resin plugs 40. In a preferred embodiment, the filter housing 10 is made of a flexible material, so that the ultrafiltration device can be placed in a flexible hose for water. be placed.

In het filterhuis 10 kan met voordeel een koolstof-15 filter worden opgenomen. Dit filter kan zijn opgebouwd met geactiveerde koolstofkorrels die zijn opgenomen in een door-stroombare behuizing. Door het koolstoffilter worden in het water opgeloste organische verontreinigingen die de capillaire ultrafiltratiemembranen 20 zouden kunnen passeren, verwij-20 derd. Het koolstoffilter kan op verschillende wijzen in het filterhuis 10 worden opgenomen.A carbon-15 filter can advantageously be accommodated in the filter housing 10. This filter can be constructed with activated carbon granules contained in a flow-through housing. Organic impurities dissolved in the water which could pass through the capillary ultrafiltration membranes 20 are removed by the carbon filter. The carbon filter can be received in the filter housing 10 in various ways.

Te filtreren water komt via de toevoeraansluiting 11 binnen het filterhuis 10 van de ultrafiltratie-inrichting.Water to be filtered enters the filter housing 10 of the ultrafiltration device via the supply connection 11.

Het water kan de poriën in de wand van de capillaire ultra-25 filtratiemembranen 20 passeren, waarna het gefiltreerde water, het permeaat, de capillaire ultrafiltratiemembranen 20 aan het eerste uiteinde 21 verlaten. Hier bevindt zich tevens de afvoeraansluiting 20 van de ultrafiltratie-inrichting. Verontreinigingen zoals ziekteverwekkende bacteriën kunnen de 30 poriën in de wand van de capillaire ultrafiltratiemembranen 20 niet passeren en worden op uitermate efficiënte wijze uit het water gefiltreerd.The water can pass through the pores in the wall of the ultrafiltration capillary membranes 20, after which the filtered water, the permeate, leaves the ultrafiltration capillary membranes 20 at the first end 21. The discharge connection 20 of the ultrafiltration device is also located here. Contaminants such as pathogenic bacteria cannot pass through the pores in the wall of the capillary ultrafiltration membranes 20 and are filtered out of the water in an extremely efficient manner.

De poriën hebben een asymmetrische structuur, waarbij de poriediameter afneemt in de stroomrichting van de 35 vloeistofstroom in de membraanwand, d.w.z. met de grotere poriën aan de aanstroomzijde van de capillaire ultrafiltratiemembranen 20. Door de asymmetrische structuur van de poriën ontstaat een grote opslagcapaciteit voor uitgefilterde deeltjes en kunnen de capillaire ultrafiltratiemembranen na 1 0061 37 5 een periode van gebruik door omkeren van de waterstroom uitstekend worden gereinigd en opnieuw worden gebruikt.The pores have an asymmetrical structure, the pore diameter decreasing in the flow direction of the liquid flow in the membrane wall, ie with the larger pores on the inflow side of the capillary ultrafiltration membranes 20. The asymmetrical structure of the pores creates a large storage capacity for filtered particles. and the capillary ultrafiltration membranes can be excellently cleaned and reused after a period of use by reversing the water flow.

In het te filtreren water zal altijd enige lucht aanwezig zijn. Deze lucht kan poriën van de capillaire ultra-5 filtratiemembranen 20 relatief moeilijk passeren en zal zich in deze poriën verzamelen. Wanneer lucht zich verzamelt in een porie van het ultrafiltratiemembraan raakt deze porie "verstopt". Door deze porie zal geen of onvoldoende water meer kunnen passeren, waardoor een capaciteitsverlies van de 10 ultrafiltratieinrichting optreedt. Dit wordt voorkomen door het toevoegen van één of meer hydrofobe capillaire membranen aan de bundel ultrafiltratiemembranen.There will always be some air in the water to be filtered. This air is relatively difficult to pass through pores of the ultra-5 capillary filtration membranes and will collect in these pores. When air collects in a pore of the ultrafiltration membrane, this pore "clogs". No or insufficient water will be able to pass through this pore, as a result of which a capacity loss of the ultrafiltration device will occur. This is prevented by adding one or more hydrophobic capillary membranes to the ultrafiltration membrane bundle.

Er is gevonden dat wanneer één of meer van dergelij-ke hydrofobe capillaire membranen 25 in de bundel ultrafil-15 tratiemembranen 20 aanwezig zijn, de in het te filtreren water aanwezige luchtbellen zich aanvankelijk hoofdzakelijk in de poriën van deze hydrofobe capillaire membranen 25 verzamelen en vervolgens terechtkomen in het lumen van het hydrofobe membraan. De verzamelde luchtbellen zullen via het lumen 20 van het hydrofobe capillaire membraan 25 met het permeaat worden afgevoerd. Door het opnemen van een hydrofoob capillair membraan verzamelt zich nagenoeg geen lucht meer in de poriën van de hydrofiele capillaire ultrafiltratiemembranen 20. Dit resulteert in een aanzienlijke verbetering van de 25 ultrafiltratie-inrichting.It has been found that when one or more such hydrophobic capillary membranes 25 are present in the bundle of ultrafiltration membranes 20, the air bubbles contained in the water to be filtered initially accumulate mainly in the pores of these hydrophobic capillary membranes 25 and then enter the lumen of the hydrophobic membrane. The collected air bubbles will be vented through the lumen 20 of the hydrophobic capillary membrane 25 with the permeate. By incorporating a hydrophobic capillary membrane, substantially no more air accumulates in the pores of the hydrophilic capillary ultrafiltration membranes 20. This results in a considerable improvement of the ultrafiltration device.

Een uitermate geschikt materiaal om de hydrofobe capillaire membranen uit te vervaardigen is nylon. Dit materiaal heeft gunstige hydrofobe eigenschappen en laat zich eenvoudig verwerken voor het vervaardigen van hydrofobe ca-30 pillaire membranen van verschillende afmetingen.An extremely suitable material for producing the hydrophobic capillary membranes is nylon. This material has favorable hydrophobic properties and is easy to process for the production of hydrophobic capillary membranes of various sizes.

De hiervoor beschreven ultrafiltratie-inrichting kan in één van zijn vele mogelijke uitvoeringsvormen worden toe-gepast op een plaats waar water wordt gebruikt, zoals in een leidingwaterkraan of in tandartsinstrumentarium. In de toe-35 voerslang voor een tandartsboor bevindt zich bijvoorbeeld naast de elektrische leidingen en de luchtleiding ook een waterleiding voor koelwater voor het koelen van de boorkop. Een dergelijke kunststofwaterleiding bezit een doorsnede van ongeveer 2 mm. In een dergelijke leiding kan een effectief 10061 37 6 werkende ultrafiltratie-inrichting worden aangebracht die slechts vijf capillaire ultrafiltratiemembranen en één hydrofoob capillair membraan omvat. De lengte van deze capillaire membranen bedraagt ongeveer 20 cm, de diameter van de capil-5 laire ultrafiltratiemembranen ongeveer 0,8 mm en de diameter van het hydrofobe capillaire membraan bedraagt ongeveer 0,03 mm. Het zal duidelijk zijn dat de lengte, diameter, aantal van de ultrafiltratiemembranen en hydrofobe materialen afhankelijk is van de toepassingsdoeleinden. Een dergelijke ultra-10 filtratie-inrichting maakt een vloeistofstroom van ongeveer 200 ml/min. mogelijk.The ultrafiltration device described above can be used in one of its many possible embodiments in a place where water is used, such as in a tap water tap or in dental instruments. In the supply hose for a dental drill, for example, in addition to the electric lines and the air line, there is also a water pipe for cooling water for cooling the drill bit. Such a plastic water pipe has a diameter of about 2 mm. In such a conduit, an effective 10061 37 6 operating ultrafiltration device may be provided comprising only five capillary ultrafiltration membranes and one hydrophobic capillary membrane. The length of these capillary membranes is about 20 cm, the diameter of the capillary ultrafiltration membranes is about 0.8 mm, and the diameter of the hydrophobic capillary membrane is about 0.03 mm. It will be understood that the length, diameter, number of the ultrafiltration membranes and hydrophobic materials depend on the application purposes. Such an ultra-10 filtration device makes a liquid flow of about 200 ml / min. possible.

De hierboven beschreven uitvoeringsvorm moet niet worden opgevat als een beperking van de uitvinding. Binnen het kader van de onderhavige uitvinding en de hiernavolgende 15 conclusies kan de ultrafiltratie-inrichting in diverse uitvoeringsvormen worden gerealiseerd, welke alle binnen de bescherm ings omvang van de uitvinding liggen.The embodiment described above should not be construed as a limitation of the invention. Within the scope of the present invention and the following claims, the ultrafiltration device can be realized in various embodiments, all of which are within the scope of the invention.

10061 3710061 37

Claims

An ultrafiltration device for water sterilization, comprising a filter housing provided with a supply and a discharge connection, and containing a bundle of hydrophilic capillary ultrafiltration membranes, the capillary membranes being open at one first end and closed at another end , and at the first end are contained in a membrane container which closes the space between the capillary membranes and the filter housing, characterized in that the hydrophilic ultrafiltration membranes are asymmetrical, the large pores being located on the inflow side (outside) of the membrane and the small pores are on the inside thereof or vice versa, that the first end forms a permeate drain of a capillary ultrafiltration membrane, and that at least one hydrophobic capillary membrane is contained in the bundle of capillary hydrophilic ultrafiltration membranes, the hydrophobic capillary membrane at a first end is open and at the other end is closed, and at the first end is contained in the membrane holder.

Ultrafiltration device according to claim 1, characterized in that the filter housing consists of a flexible material.

Ultrafiltration device according to claim 1 or 2, characterized in that the hydrophobic membrane is made of a hydrophobic material such as nylon, polysulfone, polyether sulfone or another suitable material.

Ultrafiltration device according to any one of the preceding claims, characterized in that the device is provided with a carbon filter.

Dental instruments provided with an ultrafiltration device according to any one of claims 1-4. 10061 37