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WO2007036332A2 - Filterelement mit integralem aufbau und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Filterelement mit integralem aufbau und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2007036332A2
WO2007036332A2 PCT/EP2006/009262 EP2006009262W WO2007036332A2 WO 2007036332 A2 WO2007036332 A2 WO 2007036332A2 EP 2006009262 W EP2006009262 W EP 2006009262W WO 2007036332 A2 WO2007036332 A2 WO 2007036332A2
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WO
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filter
filter element
drainage
membrane
element according
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/009262
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English (en)
French (fr)
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WO2007036332A3 (de
Inventor
Reinhard Voigt
Ulrich Meyer-Blumenroth
Jens Lipnizki
Original Assignee
Microdyn - Nadir Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Microdyn - Nadir Gmbh filed Critical Microdyn - Nadir Gmbh
Publication of WO2007036332A2 publication Critical patent/WO2007036332A2/de
Publication of WO2007036332A3 publication Critical patent/WO2007036332A3/de

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    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B21/00—Warp knitting processes for the production of fabrics or articles not dependent on the use of particular machines; Fabrics or articles defined by such processes
    • D04B21/14—Fabrics characterised by the incorporation by knitting, in one or more thread, fleece, or fabric layers, of reinforcing, binding, or decorative threads; Fabrics incorporating small auxiliary elements, e.g. for decorative purposes
    • D04B21/16—Fabrics characterised by the incorporation by knitting, in one or more thread, fleece, or fabric layers, of reinforcing, binding, or decorative threads; Fabrics incorporating small auxiliary elements, e.g. for decorative purposes incorporating synthetic threads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
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    • B01D63/081—Manufacturing thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
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    • B01D69/10—Supported membranes; Membrane supports
    • B01D69/107—Organic support material
    • B01D69/1071—Woven, non-woven or net mesh
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/04—Filters

Definitions

  • the invention relates to a filter element for the micro-, ultra- and Nanof ⁇ ltration of liquids and gases.
  • Conventional filter systems z. As used for wastewater treatment include filtration modules with a top and bottom open tubular or box-shaped housing in which a plurality of flat filter elements are arranged parallel to each other. The spaces between the filter elements form passages which can be flowed through.
  • the filter elements are designed as pockets or cassettes, in which a flexible or rigid drainage element is surrounded on both sides by a carrier membrane coated with a filter membrane, referred to below as membrane nonwoven.
  • Each filter element has centrally or peripherally arranged outflow openings, via which it is connected to a pipe system for sucking the permeate passing through the filter membrane.
  • the drainage element serves as a spacer and shaping support for the membrane nonwovens and for the discharge of the permeate to the drainage openings and the suction.
  • the flow resistance of the drainage element influences the pressure distribution in the interior of the filter element and coupled with it the filter efficiency.
  • the filter membranes commonly used consist of a microporous polymer film having an asymmetric pore size distribution deposited on a carrier fleece.
  • the upper side of such an asymmetric filter membrane is formed as a thin, finely porous, 0.2 to 2 micron thick separating layer, in which the actual filtration takes place.
  • This separating layer is supported by an example about 50 to about 200 microns thick support layer, which is constructed increasingly coarse-pored downwards.
  • Asymmetric filter membranes are primarily made by a process developed by Loeb and Sourirajan called phase inversion.
  • a polymer is dissolved in a solvent, spread as a film on a porous support and precipitated with a non-solvent, the so-called precipitant, to a phase inversion membrane.
  • the carrier is usually a thin fleece made of synthetic fiber.
  • the precipitant is with the Polymer solvent infinitely miscible. Therefore, the solvent is diluted by the precipitating agent more and more until the polymer precipitates as a filter membrane.
  • asymmetrically structured filter membranes can be produced from various soluble polymers.
  • suitable polymers are cellulose acetates, polyamides, polyacrylonitriles, polyolefins, polysulfones and polyether ketones.
  • a specific structure of the filter membrane is formed. Precipitants that dissolve with high heat of mixing in the polymer solvent lead to the formation of a finger-structured filter membrane. On the other hand, precipitants with low mixing heat lead to sponge-like structured filter membranes. By choosing the precipitant or the solvent so the structure of a filter membrane is adjustable.
  • the separation mechanism of these filter membranes is based i.a. on the exclusion of all particles and macromolecules which have larger diameters or molecule diameters than the pore diameters of the membrane top. Macromolecules with significantly smaller molecular diameters can in principle permeate the filter membrane. This molecular cut-off or cutoff limit is defined to retain 90% of a test molecule of known molecular size from the filter membrane. By appropriate choice of the polymers used and the conditions of membrane production, a certain molecular separation limit can be established.
  • EP 0 707 884 Bl discloses an apparatus for filtering and separating in particular biological organic flow media by reverse osmosis and micro, ultra and nanofiltration with a pressure-tight housing, with an inlet for the flow medium and outlets for the retentate and the permeate and a plurality of Housing recorded, spaced apart filter elements, which are formed in the manner of a membrane cushion, and which are flowed around by the flow medium, wherein in the housing a plurality of separate stacks of membrane pads behind or next to each other is arranged and wherein the stacks are sequentially or parallel flowed around by the flow medium.
  • EP 0 129 663 B1 teaches a membrane cushion for water desalination by reverse osmosis, ultrafiltration, hyperfiltration, gas permeation and the like, in which a drainage layer between two outer filter membranes arranged and the drainage layer with the filter membranes in a peripheral zone is continuous and pressure-tight welded.
  • WO 03/037489 A1 describes a filtration module for purifying wastewater with a plurality of filter membrane pockets having at least one opening for draining their interior, which are arranged vertically, parallel and preferably equidistant from one another in a rigid holder such that the intermediate spaces between adjacent filter membrane pockets are intensively flowed through by a liquid.
  • the known filter elements are designed as flexible pockets or rigid cassettes with a multilayer structure. Typically, these filter elements include 5 to 7, or more layers in a symmetrical arrangement, of the form: filter membrane support nonwoven adhesive layer drainage element adhesive layer support nonwoven filter membrane.
  • the filter membranes adjacent filter elements can be pressed against each other while blocking the reflux and the separation of the filter cake.
  • the membrane nonwoven surface is adhesively bonded to the drainage element.
  • the growth rate of filter cake is directly proportional to the transmembrane volume flow and thus to the transmembrane differential pressure.
  • the known filter systems have the areas of filter flow, filter element interior and suction.
  • a small pressure difference (Pv - Pa> 0) is applied between the filter flow (Pv) and suction (Pa) by means of suction-side or supply-side pressure pumps, so that part of the liquid to be filtered flows from the filter flow through the filter membrane to the suction.
  • Pv filter flow
  • suction suction
  • Pv suction-side or supply-side pressure pumps
  • a location-dependent static pressure Pi acts in the filter element interior, where Pi lies between Pa and Pv (Pa ⁇ Pi ⁇ Pv) and drops towards each outflow opening.
  • the volume of liquid flowing through the filter membrane per unit time and area is proportional to the transmembrane differential pressure Pv-Pi.
  • Pv-Pi transmembrane differential pressure
  • filter cake will build faster in regions of high transmembrane differential pressure, ie near a drain port, than in remote regions.
  • the edge extraction disclosed in WO 03/037489 A1 promotes the growth of filter cake on the edge of the filter element and, associated therewith, the premature drop in filter performance. This problem is avoided in the prior art by providing the filter elements with a plurality of uniformly distributed over the surface of the filter element outlet or suction.
  • the production of the known filter elements essentially comprises the following steps: Continuous membrane deposition on a nonwoven web by means of phase inversion Finishing of the coated nonwoven web in separate membrane nonwovens Bonding, laminating or mechanical fixing of the prefabricated membrane nonwovens to drainage elements on both sides
  • the object of the present invention is to provide a cost-effective, efficient, thin and at the same time robust filter element for the micro-, ultra- and nanofiltration of liquids.
  • a filter element consisting of a drainage element and a filter membrane deposited on the drainage element.
  • the drainage element is a sheet whose two surfaces have a filter membrane.
  • Another object of the invention is to provide a method for the cost-effective production of filter elements.
  • the drainage element is a moving flexible web material on which the filter membrane is deposited continuously on both sides simultaneously or sequentially on the first side and subsequently on the second side.
  • Fig. 3 is a perspective view of a drainage element
  • Fig. 4 shows an example of a plant for the production of the filter elements.
  • FIG. 1 The schematic sectional view of FIG. 1 shows a drainage element 4 and a filter membrane 1 deposited on the drainage element 4.
  • the drainage element 4 is preferably a flat structure whose two surfaces have a filter membrane 1.
  • the filter element 4 is formed into a filter bag with liquid-tight sealed edge and one or more outlet openings.
  • Each drain port is located at the center of a partial surface of the filter element and is formed by a portion of the surface of the drainage element that is free of filter membrane.
  • the discharge openings are formed from two opposite congruent and filter material-free partial surfaces of the two surfaces of the drainage element.
  • each drain opening is designed to further reduce the flow resistance as a circular passage through the filter element.
  • the filter membrane 1 has an anisotropic pore structure with an outer active layer 2 and a support layer 3 connected to the drainage element, wherein the diameter of the pores in the active layer 2 is less than or equal to the diameters of the pores in the support layer 3 are.
  • the diameters of the pores in the active layer are 0.001 to 5.0 ⁇ m, in particular 0.01 to 0.5 ⁇ m, and in the support layer 0.05 to 10 ⁇ m.
  • the filter membrane 1 preferably consists of a plastic such as polysulfone, sulfonated polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyacrylonitrile, acrylonitrile / vinyl chloride copolymer, polyvinylidene fluoride, mixtures of polyvinylidene fluoride and polyvinyl acetate, polytetrafluoroethylene, polyvinylpyrrolidone, (co) polyamide, poly (vinylidene fluoride).
  • a plastic such as polysulfone, sulfonated polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyacrylonitrile, acrylonitrile / vinyl chloride copolymer, polyvinylidene fluoride, mixtures of polyvinylidene fluoride and polyvinyl acetate, polytetrafluoroethylene, polyvinylpyrrolidone, (co) polyamide, poly (vinylidene flu
  • amide mixtures blends of aromatic polyamide with polyvinylpyrrolidone, cellulose regenerate, cellulose acetate blends, cellulose acetate / cellulose nitrate blends or polycarbonate block copolymer and is between 0.1 to 5 mm thick.
  • the drainage element 4 consists of a woven or knitted fabric of yarns, filaments or wires of polymers or of metals and has a total thickness of 0.1 to 18 mm, in particular from 1.0 to 5.0 mm.
  • the filter membrane 1 is connected to the drainage element 4 such that the drainage element 4 from its surface to a depth of up to 3 mm - depending on the selected total thickness of the filter element - is permeated by membrane material, said Yarns, filaments or wires of the fabric or knitted fabric of the drainage element 5, 6 are partially enclosed by membrane material.
  • Fig. 3 shows a preferred embodiment of the drainage element 4 in the form of a spacer knitted fabric.
  • the spacer fabric consists of a first and second planar mesh construction 5, 6 and arranged between first and second stitch construction pile system of pile threads 7.
  • the pile threads 7 are spatially arranged regularly to each other and in the warp or weft direction of the mesh structures 5, 6, each pile thread 7 is alternately guided through stitches of the first and second stitch construction 5 and 6, such that the pile thread 7 has a sawtooth or spiral course.
  • Suitable materials for the spacer fabric are plastics - especially polyesters, as well as inorganic materials, e.g. Glass fibers or metals.
  • the thickness of the mesh constructions 5, 6 is between 0.1 to 4 mm and the pile thread system is 0.3 to 10 mm high.
  • the mesh density of the pile thread system is 100 to 300 cm-2 and the pile thread has a specific thread weight of 30 to 100 dtex.
  • thermally fixed spacer knitted fabric in which the pile threads elastically deform under mechanical tensile or compressive stress and resume their original sawtooth or spiral shape when relieved.
  • the filter elements are produced by depositing a filter membrane of a polymer directly on one or both sides of a drainage element by means of a membrane-forming process.
  • the filter membrane is deposited by phase inversion (wet precipitation) from a polymer solution, by thermal phase inversion, by interfacial condensation, or by cast film technique.
  • the filter membrane is continuously deposited on both surfaces of a moving, in the form of a flexible sheet material supplied drainage element 8.
  • the drainage element 8 is fed successively by means of driven rollers 12 to a coating unit 9, a precipitation unit 10 and a drying unit 11.
  • the polymer solution 13 is applied by means of doctor blades, slot dies or rollers on both sides of the drainage element 8 simultaneously or sequentially to the first and subsequently to the second side.
  • the precipitation unit 10 usually consists of one or more, equipped with rollers 12 containers that are filled with precipitation solution 14 different concentration levels.
  • the drainage element 8 coated with polymer solution 13 is immersed in the precipitation solution 14 of the first container and is passed through by the rollers 12 the first and possibly further container with precipitation solution 14 and then dried in the drying unit 1 1 by means of hot air, heated rollers or infrared radiation.

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Abstract

Filterelement bestehend aus einem flächigen Drainageelement (4) und einer direkt auf dem Drainageelement (4) abgeschiedenen Filtermembran (1) die einen Teil des Drainageelements umschliesst. Bevorzugt ist das Drainageelement (4) ein polymeres Abstandsgewirke bestehend aus einem ersten und zweiten Maschengewebe sowie einem dazwischen angeordneten beabstandenden und verbindenden Polfadensystem.

Description

Filterelement mit integralem Aufbau und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Filterelement für die Mikro-, Ultra- und Nanofϊltration von Flüssigkeiten und Gasen.
Herkömmliche Filtersysteme, die z. B. zur Abwasserreinigung eingesetzt werden, beinhalten Filtrationsmodule mit einem oben und unten offenen röhr- oder kastenförmigen Gehäuse, in dem mehrere flache Filterelemente parallel zueinander angeordnet sind. Die Zwischenräume zwischen den Filterelementen bilden Durchgänge, die durchströmbar sind. Die Filterelemente sind als Taschen oder Kassetten gestaltet, bei denen ein flexibles oder starres Drainageelement beidseitig von einem mit einer Filtermembran beschichteten Trägervlies - im folgenden als Membranvlies bezeichnet - umgeben ist. Jedes Filterelement besitzt mittig oder randseitig angeordnete Abflussöffnungen, über die es an ein Rohrsystem zur Absaugung des durch die Filtermembran hindurchtretenden Permeates angeschlossen ist. Das Drainageelement dient als Abstandshalter und formgebende Stütze für die Membranvliese sowie zur Ableitung des Permeates zu den Abflussöffnungen und zur Absaugung. Der Strömungswiderstand des Draina- geelementes beeinflußt die Druckverteilung im Inneren des Filterelementes und damit gekoppelt die Filtereffizienz.
Die üblicherweise verwendeten Filtermembranen bestehen aus einem auf einem Trägervlies abgeschiedenen mikroporösen Polymerfilm mit asymmetrischer Porengrößenverteilung. Die Oberseite einer solchen asymmetrischen Filtermembran ist als dünne, feinporöse, 0,2 bis 2 μm dicke Trennschicht ausgebildet, in der die eigentliche Filtration erfolgt. Diese Trennschicht wird von einer beispielsweise etwa 50 bis etwa 200 μm dicken Stützschicht getragen, welche nach unten hin zunehmend grobporiger aufgebaut ist.
Asymmetrische Filtermembranen werden vornehmlich nach einem von Loeb und Sourirajan entwickelten, als Phaseninversion bezeichneten Verfahren hergestellt. Dabei wird ein Polymer in einem Lösungsmittel gelöst, als Film auf einem porösen Träger ausgebreitet und mit einem Nichtlösungsmittel, dem sogenannten Fällmittel, zu einer Phaseninversionsmembran gefällt. Als Träger dient in der Regel ein dünnes Vlies aus synthetischer Faser. Das Fällmittel ist mit dem Polymerlösungsmittel unbegrenzt mischbar. Daher wird das Lösungsmittel durch das Fällmittel immer mehr verdünnt, bis das Polymer als Filtermembran ausfällt.
Nach diesem Verfahren können aus verschiedenen löslichen Polymeren asymmetrisch strukturierte Filtermembranen hergestellt werden. Beispiele für geeignete Polymere sind Cellulose- acetate, Polyamide, Polyacrylnitrile, Polyolefine, Polysulfone und Polyetherketone. Je nach eingesetztem Fällmittel bildet sich eine bestimmte Struktur der Filtermembran aus. Fällmittel, die sich mit hoher Mischungswärme im Polymerlösungsmittel lösen, fuhren zur Ausformung einer fingerstrukturierten Filtermembran. Fällmittel mit geringer Mischungswärme führen hingegen zu schwammartig strukturierten Filtermembranen. Durch die Wahl des Fällmittels bzw. auch des Lösungsmittels ist also die Struktur einer Filtermembran einstellbar.
Der Trennmechanismus dieser Filtermembranen beruht u.a. auf dem Ausschluß aller Partikel und Makromoleküle, die größere Durchmesser bzw. Moleküldurchmesser haben als die Porendurchmesser der Membranoberseite. Makromoleküle mit deutlich kleineren Moleküldurchmessern können prinzipiell die Filtermembran permeieren. Diese molekulare Trenngrenze oder Ausschlußgrenze wird so definiert, daß 90 % eines Testmoleküls bekannter Molekülgröße von der Filtermembran zurückgehalten wird. Durch entsprechende Wahl der verwendeten Polymere und der Bedingungen der Membranherstellung kann eine bestimmte molekulare Trenngrenze hergestellt werden.
EP 0 707 884 Bl offenbart eine Vorrichtung zum Filtern und Trennen von insbesondere biologisch organischen Strömungsmedien durch Umkehrosmose sowie Mikro-, Ultra- und Nanofiltration mit einem druckdichten Gehäuse, mit einem Einlaß für das Strömungsmedium und Auslässen für das Retentat sowie das Permeat und einer Mehrzahl im Gehäuse aufgenommener, voneinander beabstandeter Filterelemente, die nach Art eines Membrankissens ausgebildet sind, und die vom Strömungsmedium umflossen werden, wobei im Gehäuse eine Mehrzahl von gesonderten Stapeln von Membrankissen hinter- oder nebeneinander angeordnet ist und wobei die Stapel sequentiell oder parallel vom Strömungsmedium umflossen werden. -J-
EP 0 129 663 Bl lehrt ein Membrankissen für Wasserentsalzung durch Umkehrosmose, Ultrafiltration, Hyperfiltration, Gaspermeation und dergleichen, bei dem eine Drainageschicht zwischen zwei äußeren Filtermembranen angeordnet und die Drainageschicht mit den Filtermembranen in einer Randzone durchgehend und druckdicht verschweißt ist.
WO 03/037489 Al beschreibt ein Filtrationsmodul zur Reinigung von Abwasser mit mehreren, mindestens eine Öffnung zur Entwässerung ihres Innenraums aufweisenden Filtermembrantaschen, die vertikal, parallel und vorzugsweise in gleichem Abstand zueinander in einem starren Halter so angeordnet sind, daß die zwischen benachbarten Filtermembrantaschen liegenden Zwischenräume intensiv von einer Flüssigkeit durchströmbar sind.
Die bekannten Filterelemente sind als flexible Taschen oder starre Kassetten mit mehrschichtigem Aufbau ausgebildet. Üblicherweise beinhalten diese Filterelemente 5 bis 7 oder auch mehr Schichten in einer symmetrischen Anordnung der Gestalt: Filtermembran-Trägervlies-Haft- schicht-Drainageelement-Haftschicht-Trägervlies-Filtermembran.
Bei dem bestimmungsgemäßen Einsatz eines Filterelementes werden Partikel oder Makromoleküle, deren Durchmesser zu groß ist, um die Membranporen zu passieren, auf der Membranoberfläche zurückgehalten und bleiben teilweise haften. Durch Akkumulation solcher Partikel über längere Zeiträume baut sich Filterkuchen auf, der die Membranoberflächen zunehmend verstopft und die Filterleistung reduziert. Im Rahmen der Anlagenwartung werden die Membranoberflächen regelmäßig mechanisch gereinigt und von Filterkuchen befreit, z.B. mittels Bürsten, Wasserstrahl und bevorzugt mittels Rückspülung. Bei der Rückspülung wird im Gegensatz zum normalen Filterbetrieb für kurze Zeit abflußseitig ein Überdruck angelegt, wodurch Filtrat aus dem Inneren des Filterelementes durch die Filtermembran nach außen strömt und dabei Partikel aus teils oder gänzlich verstopften Membranporen schwemmt. Allerdings birgt die Rückspülung die Gefahr, das Membranvlies zu überdehnen und Risse in der zugempfindlichen Filtermembran zu verursachen. Zudem können die Filtermembranen benachbarter Filterelemente gegeneinander gepreßt werden und dabei den Rückfluß und die Ablösung des Filterkuchens blockieren. Um derartige Probleme zu vermeiden, wird bei einigen der bekannten Filterelemente das Membranvlies flächig haftend mit dem Drainageelement verbunden. Die Wachstumsrate von Filterkuchen ist direkt proportional zum transmembranen Volumenstrom und damit zum transmembranen Differentialdruck. Hinsichtlich des Flüssigkeitsdruckes weisen die bekannten Filtersysteme die Bereiche Filtervorlauf, Filterelement-Innenraum und Absaugung auf. Im Betrieb wird zwischen Filtervorlauf (Pv) und Absaugung (Pa) mittels abflußseitiger Saug- oder vorlaufseitiger Druckpumpen eine geringe Druckdifferenz (Pv - Pa > 0) angelegt, so daß ein Teil der zu filternden Flüssigkeit vom Filtervorlauf durch die Filtermembran zur Absaugung strömt. Unter normalen Betriebsbedingungen sind Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall in Filtervorlauf und Absaugung gering, so daß im wesentlichen die konstanten Drücke Pv und Pa auf die Filterelemente und die Abflußöffnungen wirken. Dies gilt nicht für den Filterelement-Innenraum (Pi), in dem das Permeat schnell strömt und zudem die Strömungsgeschwindigkeit zu jeder Abflußöffnung hin zunimmt. Gemäß der Bernoulli-Gleichung wirkt im Filterelement-Innenraum ein ortsabhängiger statischer Druck Pi, wobei Pi zwischen Pa und Pv liegt (Pa < Pi < Pv) und zu jeder Abflußöffnung hin abfällt. Das durch die Filtermembran pro Zeit- und Flächeneinheit strömende Flüssigkeitsvolumen ist proportional zum transmembranen Differentialdruck Pv - Pi. Daher baut sich Filterkuchen in Bereichen mit hohem transmembranem Differentialdruck d.h. nahe einer Abflußöffnung schneller auf als in abgelegenen Bereichen. So begünstigt z.B. die in WO 03/037489 Al offenbarte Randabsaugung das Wachstum von Filterkuchen am Rand des Filterelementes und damit verbunden den verfrühten Abfall der Filterleistung. Dieses Problem wird im Stand der Technik vermieden, indem die Filterelemente mit mehreren gleichmäßig über die Fläche des Filterelementes verteilten Abflußöffnungen bzw. Absaugungen versehen werden.
Die Herstellung der bekannten Filterelemente umfaßt im wesentlichen folgende Schritte: Kontinuierliche Membranabscheidung auf einer Vliesbahn mittels Phaseninversion Konfektionieren der beschichteten Vliesbahn in separate Membranvliese Beidseitiges Aufkleben, Laminieren oder mechanisches Fixieren der konfektionierten Membranvliese auf Drainageelementen
Flüssigkeitsdichtes Versiegeln des Randes von Membranvlies und Drainage-element mittels thermisch oder mit Ultraschall erzeugter Schweißnaht, oder mittels Klebe-, Faden- oder Fügenaht Anbringen von Abflußöffnungen. Hierbei werden die Membranvliese in der Regel manuell konfektioniert und auf die Draina- geelemente aufgeklebt, laminiert oder montiert, wobei schon geringe mechanische Spannungen oder kleine Handhabungsfehler die empfindlichen Membranvliese beschädigen können. Zudem können verborgene Defekte, wie z.B. schwache Klebestellen im Betrieb zur vorzeitigen Zerstörung des Filterelementes durch Rückspülung führen. Der mit den manuellen Fertigungsschritten verbundene Aufwand und Fehlerausschuß trägt in erheblichem Maße zu den Herstellungskosten der Filterelemente bei.
Für viele Anwendungen ist es erforderlich, Filterelemente möglichst raumsparend zu dimensionieren und/oder ihren externen S trömungs wider stand zu minimieren. Hierfür ist es notwendig, die Filterelemente möglichst dünn auszubilden ohne zugleich ihren internen Strömungswiderstand merklich zu erhöhen. Bei den bekannten Filterelementen sind die Möglichkeiten zur Dickenreduzierung aufgrund ihres mehrschichtigen komplexen Aufbaus jedoch stark eingeschränkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges, effizientes, dünnes und zugleich robustes Filterelement für die Mikro-, Ultra- und Nanofiltration von Flüssigkeiten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filterelement bestehend aus einem Draina- geelement und einer auf dem Drainageelement abgeschiedenen Filtermembran gelöst. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Drainageelement ein Flächengebilde, dessen beide Oberflächen eine Filtermembran aufweisen. Weitere Ausführungsformen und Gestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis 20 beschrieben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für die kostengünstige Herstellung von Filterelementen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem eine Filtermembran aus einem Polymeren mittels Membran bildender Verfahren auf einer oder beiden Seiten eines Drainageelements abgeschieden wird. In einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Drainageelement ein bewegtes flexibles Bahnmaterial, auf dem die Filtermembran kontinuierlich auf beiden Seiten gleichzeitig oder sequentiell auf der ersten Seite und nachfolgend auf der zweiten Seite abgeschieden wird. Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit näheren Angaben zu den Verfahrensschritten ist dem Anspruch 24 zu entnehmen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen 1 bis 4 und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Filterelement,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Oberfläche eines Filterelementes,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Drainageelementes, und
Fig. 4 ein Beispiel einer Anlage zur Herstellung der Filterelemente.
Die schematische Schnittansicht der Fig. 1 zeigt ein Drainageelement 4 und eine auf dem Drainageelement 4 abgeschiedene Filtermembran 1. Bevorzugt ist das Drainageelement 4 ein Flächengebilde, dessen beide Oberflächen eine Filtermembran 1 aufweisen.
Die Oberflächen und der Innenraum des Drainageelementes 4 sind durchlässig für Flüssigkeiten und Gase. Zweckmäßigerweise ist das Filterelement zu einer Filtertasche mit flüssigkeitsdicht versiegeltem Rand und einer oder mehreren Abflußöffnungen geformt. Jede Abflußöffnung ist im Mittelpunkt einer Teilfläche des Filterelementes angeordnet und wird von einem Teil der Oberfläche des Drainageelementes gebildet, der frei von Filtermembran ist.
Insbesondere für die parallele Anordnung von Filterelementen in einem Filtermodul werden die Abflußöffnungen aus zwei einander gegenüberliegenden kongruenten und von Filtermaterial freien Teilflächen der beiden Oberflächen des Drainageelementes gebildet. Alternativ hierzu wird jede Abflußöffnung zur weiteren Minderung des Strömungswiderstandes als kreisrunder Durchgang durch das Filterelement ausgestaltet. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, weist die Filtermembran 1 einen anisotropen Porenaufbau auf mit einer außenliegenden Aktivschicht 2 und einer mit dem Drainageelement verbundenen Stützschicht 3, wobei die Durchmesser der Poren in der Aktivschicht 2 kleiner/gleich den Durchmessern der Poren in der Stützschicht 3 sind. Insbesondere betragen die Durchmesser der Poren in der Aktivschicht 0,001 bis 5,0 μm, insbesondere 0,01 bis 0,5 μm und in der Stützschicht 0,05 bis 10 μm.
Bevorzugt besteht die Filtermembran 1 aus einem Kunststoff wie Polysulfon, sulfoniertem Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyacrylnitril, Acrylnitril/Vinylchlo- rid-Copolymer, Polyvinylidenfluorid, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyvinyl- acetat, Polytetrafluorethylen, Polyvinylpyrrolidon, (Co-)Polyamid, Poly-amidmischungen, Mischungen aus aromatischem Polyamid mit Polyvinylpyrrolidon, Celluloseregenerat, Cellulo- seacetat-Blends, Celluloseacetat/Cellulosenitrat Blends oder Polycarbonat-Blockcopolymer und ist zwischen 0,1 bis 5 mm dick.
Das Drainageelement 4 besteht aus einem Gewebe oder Gewirke aus Garnen, Filamenten oder Drähten aus Polymeren oder aus Metallen und hat eine Gesamtdicke von 0,1 bis 18 mm, insbesondere von 1,0 bis 5,0 mm.
Wie in Fig. 2 angedeutet, ist die Filtermembran 1 mit dem Drainageelement 4 derart verbunden, daß das Drainageelement 4 von seiner Oberfläche bis zu einer Tiefe von bis zu 3 mm - abhängig von der gewählten Gesamtdicke des Filterelementes - von Membranmaterial durchsetzt ist, wobei die Garne, Filamente oder Drähte des Gewebes oder Gewirkes des Drainageelementes 5, 6 teilweise von Membranmaterial umschlossen sind.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Drainageelementes 4 in Form eines Abstandsgewirkes. Das Abstandsgewirke besteht aus einer ersten und zweiten flächigen Maschenkonstruktion 5, 6 und einem zwischen erster und zweiter Maschenkonstruktion angeordneten Polfadensystem aus Polfäden 7. Die Polfäden 7 sind räumlich regelmäßig zueinander und in Ketten- oder Schußrichtung der Maschenkonstruktionen 5, 6 angeordnet, wobei jeder Polfaden 7 abwechselnd durch Maschen der ersten und zweiten Maschenkonstruktion 5 und 6 geführt ist, derart, daß der Polfaden 7 einen sägezahn- oder spiralförmigen Verlauf aufweist.
Als Material für das Abstandsgewirke eignen sich Kunststoffe - insbesondere Polyester, sowie anorganische Materialien, wie z.B. Glasfasern oder Metalle. Die Dicke der Maschenkonstruktionen 5, 6 beträgt zwischen 0,1 bis 4 mm und das Polfadensystem ist 0,3 bis 10 mm hoch. Die Maschendichte des Polfadensystems beträgt 100 bis 300 cm-2 und der Polfaden besitzt ein spezifisches Fadengewicht von 30 bis 100 dtex.
Besonders bevorzugt ist ein thermisch fixiertes Abstandsgewirke, bei dem sich die Polfäden bei mechanischer Zug- oder Druckspannung elastisch verformen und bei Entlastung ihren ursprünglichen sägezahn- oder spiralförmigen Verlauf wieder einnehmen.
Erfindungsgemäß werden die Filterelemente hergestellt, indem eine Filtermembran aus einem Polymeren mittels Membran bildender Verfahren direkt auf einer oder beiden Seiten eines Drainageelements abgeschieden wird. Bevorzugt wird die Filtermembran mittels Phaseninversion (Naßfällung) aus einer Polymerlösung, mittels thermischer Phaseninversion, mittels Phasengrenzflächen-Kondensation oder mittels Gießfilmtechnik abgeschieden.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Anlage zur Herstellung der erfindungsgemäßen Filterelemente mittels Phaseninversion (Naßfällung). Zur effizienten Durchführung des Verfahrens wird die Filtermembran kontinuierlich auf beiden Oberflächen eines bewegten, in Form eines flexiblen Bahnmaterials zugeführten Drainageelementes 8 abgeschieden. Hierzu wird das Drainageele- ment 8 mittels angetriebener Walzen 12 aufeinanderfolgend einer Beschichtungseinheit 9, einer Fällungseinheit 10 und einer Trockeneinheit 11 zugeführt. In der Beschichtungseinheit 9 wird die Polymerlösung 13 mittels Rakel, Schlitzdüsen oder Walzen auf beide Seiten des Drainageelementes 8 gleichzeitig oder sequentiell auf die erste und nachfolgend auf die zweite Seite aufgetragen. Die Fällungseinheit 10 besteht in der Regel aus einem oder mehreren, mit Walzen 12 ausgerüsteten Behältern, die mit Fällungslösung 14 verschiedener Konzentrationsstufen gefüllt sind. Nach der Beschichtung taucht das mit Polymerlösung 13 beschichtete Draina- geelement 8 in die Fällungslösung 14 des ersten Behälters ein, wird mittels der Walzen 12 durch den ersten und ggf. weitere Behälter mit Fällungslösung 14 geführt und anschließend in der Trocknungseinheit 1 1 mittels Heißluft, beheizten Walzen oder Infrarotstrahlung getrocknet.

Claims

Patentansprüche
1. Filterelement bestehend aus einem Drainageelement und einer auf dem Drainageelement abgeschiedenen Filtermembran.
2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drainageelement ein Flächengebilde ist.
3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen des Drainageelementes eine Filtermembran aufweisen.
4. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement zu einer Filtertasche mit flüssigkeitsdicht versiegeltem Rand und einer oder mehreren Abflußöffnungen geformt ist.
5. Filterelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abflußöffnung von einer Teilfläche des Filterelementes umgeben ist und daß jede Abflußöffnung im Mittelpunkt der sie umgebenden Teilfläche angeordnet ist.
6. Filterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abflußöffnung aus einem Teil der Oberfläche des Drainageelementes besteht, wobei dieser Teil der Oberfläche des Drainageelementes frei von Filtermembran ist.
7. Filterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abflußöffnung aus zwei einander gegenüberliegenden kongruenten Teilflächen der beiden Oberflächen des Drainageelementes besteht, wobei die kongruenten Teilflächen frei von Filtermembran sind.
8. Filterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abflußöffnung als kreisrunder Durchgang durch das Filterelement ausgestaltet ist.
9. Filterelement nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran einen anisotropen Porenaufbau aufweist mit einer außenliegenden Aktivschicht und einer mit dem Drainageelement verbundenen Stützschicht, wobei die Durchmesser der Poren in der Aktivschicht kleiner/gleich den Durchmessern der Poren in der Stützschicht sind.
10. Filterelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Poren in der Aktivschicht 0,001 bis 5,0 μm, insbesondere 0,01 bis 0,5 μm und in der Stützschicht 0,05 bis 10 μm betragen.
11. Filterelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran aus Kunststoff, insbesondere aus Polysulfon, sulfoniertem Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyacrylnitril, Acrylnitril/-Vinylchlorid-Copolymer, Polyvinyliden- fluorid, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyvinylacetat, Polytetrafluorethy- len, Polyvinylpyrrolidon, (Co-)Polyamid, Polyamidmischungen, Mischungen aus aromatischem Polyamid mit Polyvinylpyrrolidon, Celluloseregenerat, Celluloseace- tat-Blends, Celluloseacetat/Cellulosenitrat Blends oder Polycarbonat-Blockcopolymer besteht.
12. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran eine Dicke von 0,01 bis 5 mm aufweist.
13. Filterelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Drainage-element aus einem Gewebe oder Gewirke aus Garnen, Filamenten oder Drähten aus Polymeren oder anorganischen Materialien, insbesondere aus Metallen oder Glasfasern besteht und eine Gesamtdicke von 0,1 bis 18 mm, insbesondere von 1 bis 5 mm aufweist.
14. Filterelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran mit dem Drainageelement derart verbunden ist, daß das Drainageelement von seiner Oberfläche bis zu einer Tiefe von bis zu 3 mm von Membranmaterial durchsetzt ist, wobei die Garne, Filamente oder Drähte des Gewebes oder Gewirkes des Drainageelementes teilweise von Membranmaterial umschlossen sind.
15. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drainageelement ein Abstandsgewirke aus einer ersten und zweiten flächigen Maschenkonstruktion und einem zwischen erster und zweiter Maschenkonstruktion angeordneten Polfadensystem aus Polfäden ist.
16. Filterelement nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsgewirke aus Polyester oder Polyolefinen besteht.
17. Filterelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten und zweiten Maschenkonstruktion jeweils 0,1 bis 4 mm und die Höhe des Polfadensystems 0,3 bis 10 mm beträgt.
18. Filterelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Polfadensystem aus räumlich regelmäßig zueinander und in Ketten- oder Schußrichtung der ersten und zweiten Maschenkonstruktion angeordneten Reihen von Polfäden besteht, und daß jeder Polfaden abwechselnd durch Maschen der ersten und zweiten Maschenkonstruktion geführt ist, derart, daß der Polfaden einen sägezahn- oder spiralförmigen Verlauf aufweist.
19. Filterelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschendichte des Polfadensystems 100 bis 300 cm-2 beträgt und daß der Polfaden ein spezifisches Fadengewicht von 30 bis 100 dtex hat.
20. Filterelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsgewirke derart thermisch fixiert ist, daß sich die Polfäden bei mechanischer Zug- oder Druckspannung elastisch verformen und bei Entlastung ihren ursprünglichen sägezahn- oder spiralförmigen Verlauf wieder einnehmen.
21. Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes, bei dem eine Filtermembran aus einem Polymeren mittels Membran bildender Verfahren auf einer oder beiden Seiten eines Drainageelements abgeschieden wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran mittels Phaseninversion (Naßfällung) aus einer Polymerlösung, mittels thermischer Phaseninversion, mittels Phasengrenzflächen-Kondensation oder mittels Gießfilmtechnik abgeschieden wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Drainageelement ein bewegtes flexibles Bahnmaterial ist und daß die Filtermembran kontinuierlich auf beiden Seiten des Drainageelementes gleichzeitig oder sequentiell auf der ersten Seite und nachfolgend auf der zweiten Seite des Drainageelements abgeschieden wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23 , wobei die Filtermembran mittels Phaseninversion (Naßfällung) aus Polymerlösung abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Drainageelement mittels angetriebener Walzen aufeinanderfolgend einer Be- schichtungs-, einer Fällungs- und einer Trockeneinheit zugeführt wird; daß die Polymerlösung mittels Rakel, Schlitzdüsen oder Walzen auf beide Seiten des Drainageelementes aufgetragen wird; daß die auf beiden Seiten des Drainageelementes befindliche Polymerlösung mit einer Fällungslösung beaufschlagt wird; und daß das beschichtete Drainageelement mittels Heißluft, beheizten Walzen oder Infrarotstrahlung getrocknet wird.
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