DE10122095A1 - Membrane elements and a method for their production - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Membranelemente, die aus einem Trägerelement und einer Membranfolie bestehen, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.The present invention relates to membrane elements consisting of a support element and a Membrane film exist, a process for their preparation and their use.
Als Membranelemente werden allgemein die Bauteile einer Filtrationsvorrichtung bezeichnet, die in ein Filtrationsmodul eingesetzt werden. Von der Konstruktion und dem Aufbau der Membranelemente hängt die Leistung des Filtrationsmoduls im wesentlichen ab.The components of a filtration device are generally referred to as membrane elements, which are used in a filtration module. From the construction and construction of the Membrane elements essentially depend on the performance of the filtration module.
Membranelemente, die einen keramischen Aufbau aufweisen, der die mechanische Festigkeit des Membranelementes gewährleistet, sind allgemein bekannt. Daneben kommen aber auch Zusammenstellungen verschiedener Materialien zum Einsatz, die verklebt oder anderweitig miteinander gefügt werden.Membrane elements that have a ceramic structure that the mechanical strength guaranteed the membrane element are generally known. But also come Assortments of different materials to use, which are glued or otherwise be joined together.
Ein Nachteil insbesondere der heute gebräuchlichen keramischen Membranelemente liegt darin, dass diese aufwendig herzustellen sind und im Falle des Versagens oder des Verschleißes der für die Filtration verantwortlichen Schicht vollständig entsorgt werden müssen.A disadvantage, in particular, of the ceramic membrane elements that are in use today in that these are complex to manufacture and in the event of failure or failure Wear of the layer responsible for the filtration are completely disposed of have to.
Der Einsatz von keramischen Membranfolien erfordert den Einsatz von Trägerelementen, die sowohl die mechanische Festigkeit, als auch die fluiddynamischen Eigenschaften der Membranelemente gewährleisten.The use of ceramic membrane foils requires the use of carrier elements that both the mechanical strength and the fluid dynamic properties of the Ensure membrane elements.
Aus DE 37 15 183 sind Filtrationsmodule bekannt, in denen jeweils ein Abstandselement und ein Membranelement abwechselnd zusammengefügt werden. Die Abstandselemente können aus verschiedenen Kunststoffen aber auch aus Metall hergestellt werden. Die Abstandselemente weisen einseitig einen Rand auf, so dass das Abstandselement das Membranelement aufnehmen kann. Das Abstandselement weist Vorsprünge auf seinen beiden Oberflächen auf, die das Membranelement stützen sollen. Nachteilig an dieser Konstruktion ist die geringe Membranfläche pro eingesetztem Abstandselement. From DE 37 15 183 filtration modules are known, in each of which a spacer and a membrane element can be assembled alternately. The spacers can be made from various plastics but also from metal. The Spacers have an edge on one side, so that the spacer element Can accommodate membrane element. The spacer has protrusions on both of them Surfaces that should support the membrane element. The disadvantage of this construction is the small membrane area per spacer used.
Aus DE 33 27 431 sind Filtrationsmodule bekannt, bei denen ein Filtrationsstapel aus scheibenförmigen Filtrationselementen, die jeweils aus einer tellerartigen Trägerplatte, einer tellerartigen Leitplatte und einer zwischen Leitplatte und Trägerplatte liegenden mit einer Filterschicht versehenden Membran aufgebaut ist. Der Aufbau eines solchen Filtermoduls ist sehr aufwendig und es kommt häufig zu Schwierigkeiten beim Versuch die Stapel abzudichten.From DE 33 27 431, filtration modules are known in which a filtration stack is made disc-shaped filtration elements, each consisting of a plate-like support plate, one plate-like guide plate and one between the guide plate and carrier plate with a Filter layer-providing membrane is constructed. The structure of such a filter module is very complex and there are often difficulties when trying to seal the stack.
Aus EP 0 396 853 sind ebenfalls Filtrationsmodule bekannt, die Abstandselemente und Membrankissen aufweisen. Durch die Abstandselemente werden die Membrankissen in einem vorgegebenen Abstand im Filtrationsmodul fixiert. Die Abstandselemente stellen allerdings Totvolumen im Filtrationsmodul dar.Filtration modules are also known from EP 0 396 853, the spacing elements and Have membrane cushions. The spacer elements make the membrane cushions in one fixed distance in the filtration module. However, the spacers Dead volume in the filtration module.
Aus DE 44 39 982 sind Filtrationsmodule bekannt, die wesentlich kleinere Abstandselemente als bisherige Filtrationsmodule aufweisen. Dies gelingt dadurch, dass ein flächiges, nicht poröses Stabilisierungselement in ein als Membrankissen gestaltetes Membranelement eingebaut wird. Das Totvolumen wird zwar verringert, es hat aber eine immer noch nicht zu vernachlässigende Größe.From DE 44 39 982, filtration modules are known which have significantly smaller spacer elements have than previous filtration modules. This succeeds in that a flat, not porous stabilizing element in a membrane element designed as a membrane cushion is installed. The dead volume is reduced, but it still does not have one negligible size.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb Filterelemente bereitzustellen, die sowohl eine vollständige Abdichtung der Membranfolie in den Randbereichen, als auch die mechanische Befestigung der Membranfolie auf dem Trägerelement gewährleisten, wobei die Befestigung und Abdichtung nicht zum Auftreten von Totvolumina oder Totzonen führen soll, die die Reinigung erheblich erschweren können. Auch ist auf eine einfache und kostengünstige Herstellmöglichkeit Wert zu legen.The object of the present invention was therefore to provide filter elements which both a complete seal of the membrane film in the edge areas, as well as the ensure mechanical attachment of the membrane film on the support member, the Fastening and sealing should not lead to the occurrence of dead volumes or dead zones, which can make cleaning much more difficult. It is also simple and inexpensive Manufacturing possibility to attach importance.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass Filtrationselemente die aus einem Trägerelement, welches beidseitig mit einer Membran verbunden ist, so stabil hergestellt werden können, dass auf Abstandselemente, die die Membranelemente stützen, verzichtet werden kann, so dass kaum Totvolumina in einem mit den erfindungsgemäßen Filterelementen ausgestatteten Filtrationsmodulen entstehen. Surprisingly, it was found that filtration elements which consist of a carrier element, which is connected on both sides to a membrane, can be manufactured so stably that spacer elements that support the membrane elements can be dispensed with, so that hardly any dead volumes in one equipped with the filter elements according to the invention Filtration modules are created.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Membranelement gemäß Anspruch 1, mit zumindest einer Permeatablauföffnung, welches ein Trägerelement und eine auf beiden Seiten des Trägerelementes aufgebrachte Membran, die jeweils ebenfalls die Permeatablauföffnung enthalten, aufweist, wobei die Oberfläche der Seiten des Trägerelementes Strukturen aufweist, die der Zuführung des Permeats zur Permeatablauföffnung dienen und die als Membran verwendete keramische Membranfolie stützen, und der äußere Rand des Trägerelementes mit den Membranfolien verbunden ist.The present invention therefore relates to a membrane element according to claim 1, with at least one permeate discharge opening, which has a carrier element and one on both Sides of the support element applied membrane, each also the Contained permeate drain opening, wherein the surface of the sides of the Carrier element has structures that the supply of the permeate to Serve permeate drain opening and the ceramic membrane film used as a membrane support, and the outer edge of the carrier element is connected to the membrane films.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Membranelementen gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst ein Trägerelement und zwei Membranfolien getrennt hergestellt werden, die Membranfolien in der Größe dem Trägerelement angepasst werden, die Membranfolien auf den Seitenflächen des Trägerelementes aufgebracht werden und anschließend das Membranelement mit zumindest einer Permeatablauföffnung versehen wird.The present invention also relates to a method for producing Membrane elements according to at least one of claims 1 to 11, which thereby is characterized in that a carrier element and two membrane foils are separated first are produced, the membrane foils are adapted in size to the carrier element Membrane films are applied to the side surfaces of the support element and the membrane element is then provided with at least one permeate drain opening.
Das erfindungsgemäße Membranelement hat den Vorteil, dass durch die Konstruktion des Trägerelements dieses fluiddynamische Strukturen beinhaltet kann und somit ein verbesserter Permeatablauf erzielt werden kann. Durch die Konstruktion des Trägerelementes ist ausserdem die mechanische Integration der keramischen Membranfolie in das Membranelement gewährleistet, wodurch eine Beschädigung der filteraktiven Membranfolie weitestgehend verhindert werden kann.The membrane element according to the invention has the advantage that the construction of the Carrier element can contain this fluid dynamic structures and thus an improved Permeate drain can be achieved. The construction of the support element is also the mechanical integration of the ceramic membrane film into the membrane element guaranteed, thereby damaging the filter-active membrane film as much as possible can be prevented.
Je nach Wahl der für das Membranelement verwendeten Materialien für das Trägermaterial und die Membranfolie können die erfindungsgemäßen Membranelemente zur Filtration von Medien eingesetzt werden, die mit herkömmlichen Membranelementen nicht bzw. nur schwerlich filtriert werden konnten, wie z. B. Heißfiltrationen oder Filtrationen von organischen Lösungsmitteln oder organischen oder wässrigen alkalischen oder sauren Lösungen.Depending on the choice of the materials used for the membrane element for the carrier material and the membrane film can use the membrane elements according to the invention for the filtration of Media are used that are not or only with conventional membrane elements could hardly be filtered, such as. B. hot or filtration of organic solvents or organic or aqueous alkaline or acidic Solutions.
Membranfolien im Sinne der vorliegenden Erfindung können auch Metall-, insbesondere Stahlgewebe oder -vliese sein mit Porengröße von bis zu 100 µm. Die erfindungsgemäßen Membranelemente mit zumindest einer Permeatablauföffnung zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein Trägerelement und eine auf beiden Seiten des Trägerelementes aufgebrachte Membran, die jeweils ebenfalls die Permeatablauföffnung enthalten, aufweist, wobei die Oberfläche der Seiten des Trägerelementes Strukturen aufweist die der Zuführung des Permeats zur Permeatablauföffnung dienen und die als Membran verwendete keramische Membranfolie stützen und der äußere Rand des Trägerelementes mit den Membranfolien verbunden ist.Membrane films in the sense of the present invention can also be metal, in particular Steel mesh or non-woven fabric with a pore size of up to 100 µm. The invention Membrane elements with at least one permeate discharge opening are characterized in that a carrier element and a membrane applied to both sides of the carrier element, which also each contain the permeate drain opening, the surface of the On the side of the carrier element has structures for the supply of the permeate Serve permeate drain opening and the ceramic membrane film used as a membrane support and the outer edge of the support element is connected to the membrane films.
Die erfindungsgemäßen Membranelemente können eine kreisförmige oder rechteckige Form aufweisen. Handelt es sich bei dem Membranelement um ein kreisförmiges Element, so weist dieses zumindest eine Permeatablauföffnung in zentraler Position auf. Weist das Membranelement eine rechteckige oder quadratische Form auf, so weist es zumindest eine Permeatablauföffnung auf. Es sind weitere Formen für das erfindungsgemäße Membranelement möglich, wie z. B. ein Tortenstück, ein Dreieck, ein Achteck ein Vieleck, ein Trapez oder ein Parallelogramm. Ganz besonders bevorzugt weisen erfindungsgemäße Membranelemente eine kreisförmige oder ovale Form auf, da diese Formen eine größere Stabilität aufweisen. Eine ovale oder kreisförmige Form hat außerdem den Vorteil, dass Ecken vermieden werden, da diese, wenn wie bei dem erfindungsgemäßen Membranelement verschiedene Materialien in den Ecken aufeinander stoßen, diese Stellen des Membranelementes nur schwer abzudichten sind und im Betrieb deshalb eine potentielle Undichtigkeit darstellen.The membrane elements according to the invention can have a circular or rectangular shape exhibit. If the membrane element is a circular element, it points this has at least one permeate discharge opening in a central position. Know that Membrane element has a rectangular or square shape, so it has at least one Permeate drain opening. There are other forms for the membrane element according to the invention possible, such as B. a piece of cake, a triangle, an octagon, a polygon, a trapezoid or a Parallelogram. Membrane elements according to the invention very particularly preferably have a circular or oval shape because these shapes have greater stability. A oval or circular shape also has the advantage that corners are avoided because this if, as in the membrane element according to the invention, different materials in the Butts meet each other, these places of the membrane element are difficult to seal and therefore represent a potential leak in operation.
In einer besonderen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Membranelementes weist dieses ein Trägerelement, welches ein polymeres Material, z. B. ausgewählt aus Polypropylen, Polyamid, Polyester, ABS, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybenzimidazol oder Polyimidazol aufweist, auf. Ganz besonders bevorzugt weist das Membranelement ein Trägerelement aus Polypropylen, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid oder Polyimidazol auf.In a special embodiment of the membrane element according to the invention, it has a carrier element which is a polymeric material, e.g. B. selected from polypropylene, Polyamide, polyester, ABS, polycarbonate, polysulfone, polyether sulfone, polyetherimide, Polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyethylene, polyvinyl chloride, polybenzimidazole or Has polyimidazole. The membrane element very particularly preferably has Carrier element made of polypropylene, polysulfone, polyether sulfone, polyetherimide, polyamideimide or polyimidazole.
Die Trägerelement aus polymeren Materialien, wie z. B. Polypropylen, Polyamid, Polyester, ABS, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybenzimidazol oder Polyimidazol sind mittels des Spritzgussverfahrens in verschiedenen Geometrien kostengünstig herzustellen. Es wurde beobachtet, dass die Wärmedehnungskoeffizienten von polymeren Materialien und der keramischen Membranfolie deutliche Unterschiede aufweisen. Hier ist durch den Einsatz von Kompositmaterialien, insbesondere von hohen Glasfaseranteilen im Polymeren, eine Reduzierung zu erreichen.The carrier element made of polymeric materials, such as. B. polypropylene, polyamide, polyester, ABS, polycarbonate, polysulfone, polyether sulfone, polyetherimide, polyamideimide, Polyphenylene sulfide, polyethylene, polyvinyl chloride, polybenzimidazole or polyimidazole inexpensive to produce in various geometries using the injection molding process. It it has been observed that the coefficient of thermal expansion of polymeric materials and the ceramic membrane film have clear differences. Here is through the use of Composite materials, especially of high glass fiber contents in the polymer, a Achieve reduction.
Vorzugsweise weist das Membranelement deshalb ein Trägerelement aus einem Kompositmaterial auf. Das Kompositmaterial weist vorzugsweise neben zumindest einem polymeren Material Glasfasern oder Kohlefasern, besonders bevorzugt Glasfasern auf. Vorzugsweise weist das Trägerelement einen Anteil an Glasfasern von 1 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 40 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 20 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Polymermaterial auf. Durch die Verwendung von glasfaserverstärkten Polymeren Materialien wird die Stabilität des Trägerelementes verbessert und die Längenausdehnung des polymeren Materials wird dem der keramischen Membranfolie angepasst. Als besonders vorteilhaft hat sich die Kombination von Polypropylen, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybenzimidazol oder Polyimidazol mit Glasfasern als Material für das Trägerelement herausgestellt.The membrane element therefore preferably has a carrier element made of a Composite material. The composite material preferably has at least one polymeric material glass fibers or carbon fibers, particularly preferably glass fibers. The carrier element preferably has a glass fiber content of 1 to 50% by weight, particularly preferably from 10 to 40% by weight and very particularly preferably from 20 to 30 wt .-% based on the polymer material. By the use of glass fiber-reinforced polymer materials, the stability of the carrier element is improved and the linear expansion of the polymeric material becomes that of the ceramic membrane film customized. The combination of polypropylene, polysulfone, Polyether sulfone, polyetherimide, polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyethylene, Polyvinyl chloride, polybenzimidazole or polyimidazole with glass fibers as the material for the Highlighted support element.
Vorzugsweise weist das Trägerelement auf den Seiten, auf denen die Membranfolie aufgebracht ist, Strukturen auf, die den Ablauf des Permeat beschleunigen. Beispiel für solche Strukturen sind z. B. geordnete oder ungeordnete Erhebungen auf den Seitenflächen. Die Erhebungen können punktförmig oder linienförmig sein. Besonders bevorzugt weisen die Erhebungen ein gleichförmiges oder kegelstumpfförmiges Profil auf. Die ein kegelstumpfförmiges Profil aufweisenden Erhebungen sind vorzugsweise so auf der Oberfläche des Trägerelements angeordnet, dass der breitere Teil zum Trägerelement und der schlankere Teil zur Membranfolie zeigt. Solche Profile oder Prägungen können auch eine pyramidale Form aufweisen, wobei die Grundflächen der Pyramiden aneinander angrenzen können oder ein gewisser Abstand zwischen den Grundflächen vorhanden ist. Sowohl bei der Verwendung einer kegelförmigen Prägung (Profil) als auch bei der Verwendung einer pyramidalen Prägung (Profils) sind die Spitzen der Erhebungen vorzugsweise abgerundet oder flach ausgeführt, um eine Beschädigung der aufliegenden Membranfolie zu vermeiden.The carrier element preferably has on the sides on which the membrane film is applied to structures that accelerate the flow of the permeate. Example of such Structures are e.g. B. ordered or unordered elevations on the side surfaces. The Elevations can be punctiform or linear. The have particularly preferably Elevations a uniform or frustoconical profile. The A Elevations with a frustoconical profile are preferably so on the surface arranged of the support element that the wider part to the support element and the slimmer Part of the membrane film shows. Such profiles or embossing can also be pyramidal Have shape, the base surfaces of the pyramids can adjoin each other or there is a certain distance between the base areas. Both when using a conical embossing (profile) as well as when using a pyramidal embossing (Profiles) the tips of the elevations are preferably rounded or flat to to avoid damaging the membrane film on top.
Die Erhebungen weisen vorzugsweise eine Höhe von maximal 2 mm, besonders bevorzugt eine Höhe von 0,3 bis 1,5 mm und ganz besonders bevorzugt eine Höhe von 0,3 bis 0,7, eine Höhe von 0,7 bis 1,0 oder eine Höhe von 1,0 bis 1,5 mm auf. Die Ausführung der Erhebungen mit einer Höhe grösser 2 mm kann zur Instabilität der Erhebungen führen, da diese dann relativ dünn und damit biegeempfindlich sind.The elevations preferably have a maximum height of 2 mm, particularly preferably one Height of 0.3 to 1.5 mm and very particularly preferably a height of 0.3 to 0.7, a height from 0.7 to 1.0 or a height from 1.0 to 1.5 mm. Execution of the surveys with A height greater than 2 mm can lead to instability of the elevations, since these are then relative are thin and therefore sensitive to bending.
Die Abstände der Spitzen der nächsten Nachbarn der Erhebungen beträgt vorzugsweise maximal 1 mm, da grössere Abstände eine sichere Abstützung der Membranfolie nicht mehr sicher gewährleisten können und es somit zu einer Verletzung der Membranfolie kommen kann. Besonders bevorzugt betragen die Abstände der Spitzen der nächsten Nachbarn der Erhebungen von 0,3 bis 0,1 mm, ganz besonders bevorzugt von 0,4 bis 0,9 mm. Aufgrund der maximalen Abstände sind ausserdem die Maße der Grundfläche der Erhebungen des Profils bzw. der Prägung vorgegeben und betragen für eine Prägung mit pyramidalen Erhebungen mit einem Abstand von 1 mm üblicherweise 0,5 × 0,5 mm. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Grundfläche der Erhebungen deutlich kleiner als dieses angegebene Maß ausgeführt sind, da bei kleinerer Grundfläche und gleichbleibendem Abstand der Spitzen der Erhebungen ein deutlich höheres Volumen zum Abfluss des Permeats zur Verfügung steht.The distance between the peaks of the nearest neighbors of the elevations is preferably maximum 1 mm, since larger distances no longer provide secure support for the membrane film can safely guarantee and thus there is a violation of the membrane film can. The distances between the tips of the nearest neighbors are particularly preferred Elevations from 0.3 to 0.1 mm, very particularly preferably from 0.4 to 0.9 mm. Due to the maximum distances are also the dimensions of the base of the elevations of the profile or the embossing and amount to an embossing with pyramidal elevations a distance of 1 mm usually 0.5 × 0.5 mm. It can be beneficial if the Base of the surveys are significantly smaller than this specified dimension, because with a smaller footprint and constant distance between the tips of the elevations significantly higher volume is available to drain the permeate.
Vor diesem Hintergrund kann es ausserdem vorteilhaft sein, das Profil bzw. die Prägung so auszuführen, dass zu den Permeatablauföffnungen hin ein größerer Fluss des Permeats durch Bereitstellung eines größeren Volumens ermöglicht wird. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Größe der Grundflächen der Erhebungen vom Rand des Trägerelementes zu den Permeatablauföffnungen kleiner werden (bei gleichbleibendem Abstand der Spitzen) und/oder dadurch, dass die Abstände der Spitzen vom Rand des Trägerelementes zu den Permeatablauföffnungen größer werden. Against this background, it can also be advantageous to use the profile or embossing in this way to carry out a greater flow of permeate through to the permeate discharge openings Provision of a larger volume is made possible. This can e.g. B. thereby achieved be that the size of the base of the elevations from the edge of the support element to the permeate discharge openings become smaller (with constant distance between the tips) and / or in that the distances of the tips from the edge of the carrier element to the Permeate drain openings become larger.
Weist das Trägerelement linienförmige Strukturen bzw. Prägungen auf, so sind diese vorzugsweise sternförmig oder spiralförmig so angeordnet, dass das Permeat einer Permeatablauföffnung zugeführt wird.If the carrier element has linear structures or embossings, these are preferably arranged in a star or spiral shape so that the permeate is a Permeate discharge opening is supplied.
Bei dieser Ausführungsart des erfindungsgemäßen Membranelementes weist das Trägerelement die Permeatablauföffnungen begrenzende Ränder auf, die zur Integration der Membranelemente in ein Membranmodul als Dichtfläche am Ablauf erforderlich sind. Diese Ränder weisen Aussparungen in Form von Bohrungen oder Kanälen auf, durch welche das Permeat in die Permeatablauföffnung ablaufen kann. Durch die Ausführung der Trägerelemente mit Rändern die Bohrungen aufweisen, ist es besonders einfach möglich, die Membranfolie beim Einbau der Membranelementes in ein Membranmodul mittels eines Dichtringes, der gleichzeitig als Abstandselement zwischen zwei Membranelementen dient, mit dem Trägerelement abzudichten. Bei der Verwendung von Aussparungen in Form von Kanälen in den die Permeatablauföffnungen begrenzenden Ränder kann es zu Undichtigkeiten kommen. Um dieses zu verhindern hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Aussparungen in Form von Kanälen eine maximale Breite von 1 mm aufweisen. Bevorzugt weisen die Kanäle eine Breite von 0,3 bis 0,9 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 0,7 mm auf. Die Länge der Aussparungen ist abhängig von der Breite des Randes um die Permeatablauföffnungen. Um eine sichere Abdichtung zu erreichen kann es vorteilhaft sein, den Rand um die Permeatablauföffnungen mit einer Breite von größer 3 mm, vorzugsweise 3 bis 10 mm und ganz besonders bevorzugt mit einer Breite von 5 bis 7,5 mm auszuführen.In this embodiment of the membrane element according to the invention, the carrier element the edges delimiting the permeate discharge openings, which are used to integrate the Membrane elements in a membrane module are required as a sealing surface on the drain. This Edges have cutouts in the form of holes or channels through which the Permeate can drain into the permeate drain opening. By executing the Support elements with edges that have holes, it is particularly easy to do that Membrane film when installing the membrane element in a membrane module by means of a Sealing ring, which also serves as a spacer between two membrane elements with to seal the carrier element. When using recesses in the form of channels Leaks can occur in the edges delimiting the permeate discharge openings. To prevent this, it has proven to be advantageous that the cutouts in Form channels have a maximum width of 1 mm. The channels preferably have a width of 0.3 to 0.9 mm, particularly preferably of 0.5 to 0.7 mm. The length of the Cutouts depend on the width of the edge around the permeate discharge openings. Around To achieve a secure seal, it can be advantageous to have the edge around the Permeate drain openings with a width of greater than 3 mm, preferably 3 to 10 mm and very particularly preferably with a width of 5 to 7.5 mm.
In einer weiteren Ausführungsart des erfindungsgemäßen Membranelementes weist dieses ein Trägerelement aus metallischem Werkstoff, insbesondere Stahl mit einem auf beiden Seiten angebrachten Drainagematerial aus einem polymerem Material, ausgewählt aus Polypropylen, Polyamid, Polyester, ABS, Polycarbonat und Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybenzimidazol oder Polyimidazol oder aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl oder Glas auf. Die dabei verwendeten Materialien und Materialstärken sind von der Geometrie des Trägerelementes bzw. des Membranelementes abhängig. Das Trägerelement kann z. B. ein Blech, Lochblech oder Streckmetall sein. In a further embodiment of the membrane element according to the invention, this has Carrier element made of metallic material, especially steel with one on both sides attached drainage material made of a polymer material, selected from polypropylene, Polyamide, polyester, ABS, polycarbonate and polysulfone, polyether sulfone, polyetherimide, Polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyethylene, polyvinyl chloride, polybenzimidazole or Polyimidazole or from a metallic material, especially steel or glass. The The materials and material thicknesses used are of the geometry of the Carrier element or the membrane element dependent. The carrier element can, for. B. a Sheet, perforated sheet or expanded metal.
Als Drainagematerialien eignen sich einfache Gewebe oder Vliese aus Fasern der oben genannten Materialien. Es kann vorteilhaft sein, wenn das Drainagematerial bestimmte Formgebungen aufweist. So können z. B. sternförmige oder spiralförmige Strukturen vorhanden sein. Ein besonderer Vorteil der Trägerelemente aus metallischen Werkstoffen liegt darin, dass nach dem Verschleiss der Membranfolie der Träger kostengünstig aufgearbeitet werden kann. Zudem weisen Membranelemente mit einem Trägerelement aus einem metallischen Werkstoff deutlich höhere Temperaturfestigkeiten als Membranelemente, die Trägerelemente aus Kunststoff aufweisen, auf. Zudem sind Trägerelemente aus metallischen Werkstoffen beständig gegen organische Lösemittel.Simple fabrics or fleeces made of fibers from the above are suitable as drainage materials mentioned materials. It may be advantageous if the drainage material is specific Has shapes. So z. B. star-shaped or spiral structures to be available. A particular advantage of the carrier elements made of metallic materials lies in that after the wear of the membrane film, the carrier is worked up cost-effectively can be. In addition, membrane elements with a carrier element have a metallic material significantly higher temperature strengths than membrane elements that Have carrier elements made of plastic on. In addition, carrier elements are made of metallic Materials resistant to organic solvents.
Bei dieser Ausführungsart des erfindungsgemäßen Membranelementes kann das Trägerelement ebenfalls die Permeatablauföffnungen begrenzende Ränder aufweisen, die zur Integration der Membranelemente in ein Membranmodul als Dichtfläche am Ablauf erforderlich sind. Diese Ränder weisen Aussparungen in Form von Bohrungen oder Kanälen auf, durch welche das Permeat in die Permeatablauföffnung ablaufen kann. Durch die Ausführung der Trägerelemente mit Rändern die Bohrungen aufweisen ist es besonders einfach die Membranfolie beim Einbau der Membranelemente in ein Membranmodul mittels eines Dichtringes, der gleichzeitig als Abstandselement zwischen zwei Membranelementen dient, mit dem Trägerelement abzudichten. Bei der Verwendung eines Trägerelementes aus einem metallischen Werkstoff mit aufgebrachtem Drainagematerial, kann das Trägerelement auch ohne einen Rand um die Permeatablauföffnungen ausgeführt sein. Zur Abdichtung kann dann entweder ein Ring aus einem metallischen Werkstoff zwischen Drainagematerial und Membran eingelegt werden oder es ist bei einem sehr dichten Drainagematerial möglich, auf diesen Ring zu verzichten, da die Membranfolien mit dem dichten Drainagematerial eine genügend große Auflagefläche um die Permeatablauföffnung herum vorfinden und eine Abdichtung dadurch problemlos möglich ist.In this embodiment of the membrane element according to the invention, the carrier element likewise have margins delimiting the permeate discharge openings, which are used to integrate the Membrane elements in a membrane module are required as a sealing surface on the drain. This Edges have cutouts in the form of holes or channels through which the Permeate can drain into the permeate drain opening. By executing the Support elements with edges that have holes, it is particularly simple Membrane film when installing the membrane elements in a membrane module using a Sealing ring, which also serves as a spacer between two membrane elements with to seal the carrier element. When using a carrier element from a metallic material with applied drainage material, the support element can also without an edge around the permeate discharge openings. For sealing then either a ring made of a metallic material between the drainage material and the membrane be inserted or it is possible with a very dense drainage material on this ring to be dispensed with, since the membrane films with the dense drainage material are sufficiently large Find a contact surface around the permeate drain opening and thereby seal is easily possible.
Die erfindungsgemäßen Membranelemente weisen vorzugsweise eine Membranfolie, die eine Dicke von 20 bis 200 µm, vorzugsweise von 50 bis 200 µm oder 20 bis 150 µm und ganz besonders bevorzugt von 50 bis 150 µm aufweist, auf. Die Membranfolien können nach dem in WO 99/15262 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Vorzugsweise werden keramische Membranfolien gem. WO 99/15262 eingesetzt, die einen Träger aus einem Metallgewebe oder einem Glasgewebe aufweisen, und mit zumindest einem Metalloxid, ausgewählt aus ZrO2, TiO2, SiO2 oder Al2O3 beschichtet wurden. Die Membranfolie kann eine mittlere Porenweite von 0,001 bis 100 µm aufweisen. Vorzugsweise weist die Membranfolie eine mittlere Porenweite von 0,002 bis 1 µm, besonders bevorzugt von 0,002 bis 0,02 µm, von 0,02 bis 0,2 µm oder von 0,2 bis 1 µm auf. Ganz besonders bevorzugt weist die Membranfolie eine Porenweite auf, die 20%, vorzugsweise 10% und ganz besonders bevorzugt 5% kleiner als die Teilchengröße der durch Filtration zu entfernenden Teilchen ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass in Abhängigkeit vom zu filtrierenden Medium und den in ihm enthaltenen Teilchen ein optimaler Fluss durch die Membran erreicht wird.The membrane elements according to the invention preferably have a membrane film which has a thickness of 20 to 200 μm, preferably 50 to 200 μm or 20 to 150 μm and very particularly preferably 50 to 150 μm. The membrane films can be produced by the method described in WO 99/15262. Ceramic membrane foils are preferably gem. WO 99/15262 used, which have a support made of a metal mesh or a glass mesh, and were coated with at least one metal oxide selected from ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 or Al 2 O 3 . The membrane film can have an average pore size of 0.001 to 100 μm. The membrane film preferably has an average pore size of 0.002 to 1 μm, particularly preferably 0.002 to 0.02 μm, 0.02 to 0.2 μm or 0.2 to 1 μm. The membrane film very particularly preferably has a pore size which is 20%, preferably 10% and very particularly preferably 5% smaller than the particle size of the particles to be removed by filtration. In this way it can be achieved that, depending on the medium to be filtered and the particles contained in it, an optimal flow through the membrane is achieved.
Die erfindungsgemäßen Membranelemente werden vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Membranelementen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst ein Trägerelement mit zumindest einer Permeatablauföffnung versehen und zwei Membranfolien mit zumindest einer Permeatablauföffnung versehen getrennt hergestellt werden, die Membranfolien in der Größe dem Trägerelement angepasst werden, die Membranfolien auf den Seitenflächen des Trägerelementes aufgebracht und fixiert werden. Das Herstellen der Permeatablauföffnungen in die Membranfolie kann z. B. durch Stanzen oder Laser- oder Wasserstrahlschneiden erfolgen.The membrane elements according to the invention are preferably by the inventive A method for producing membrane elements, which is characterized in that first provide a support element with at least one permeate drain opening and two Membrane films with at least one permeate drain opening are produced separately be, the membrane films are adjusted in size to the carrier element, the Membrane foils are applied and fixed on the side surfaces of the carrier element. The Making the permeate drain openings in the membrane film can, for. B. by punching or Laser or water jet cutting is done.
Die Abdichtung des Membranelementes am äußeren Rand erfolgt durch Einlegen oder Einspritzen einer geeigneten Dichtung aus elastischem und hinsichtlich der Temperatur und dem chemischen Angriff widerstandsfähigem Material. Zur Abdichtung des Membranelementes wird dieses am äußeren Rand vorzugsweise zwischen den Membranfolien und dem Trägerelement mittels einer Verbindungsschicht abgedichtet, wobei das Abdichten mittels eines elastischen Materials erfolgt. Solche elastischen Materialien können bekannte Kleber und/oder Kunststoffe sein, aber auch geeignete Metalle, wie z. B. Zinn oder Blei sein. Besonders bevorzugt sind polymere Schmelzkleber, wie z. B. Vestamelt (Degussa AG), Kleber auf Nitril-Kautschuk-Basis, wie Bostik 771 (Bostik GmbH), Kleber mit Silan-terminierten Polymeren, wie z. B. Bostik 2740 MS (Bostik) sowie Lote, wie z. B. Glas- oder Metalllote einsetzbar. Das Material muss so gewählt werden, dass eine elastisch-plastische Verformung ermöglicht wird und so die Differenzen in der Wärmedehnung, der für das Trägerelement und die Membranfolie verwendeten Materialien, kompensiert wird und Undichtigkeiten auf diese Weise vermieden werden.The membrane element is sealed at the outer edge by inserting or Injection of a suitable seal made of elastic and in terms of temperature and material resistant to chemical attack. To seal the Membrane element this is preferably on the outer edge between the membrane foils and the carrier element sealed by means of a connecting layer, the sealing by means of an elastic material. Such elastic materials can be known Glue and / or plastics, but also suitable metals, such as. B. be tin or lead. Polymeric hotmelt adhesives, such as, for. B. Vestamelt (Degussa AG), adhesive based on nitrile rubber, such as Bostik 771 (Bostik GmbH), adhesive with silane-terminated Polymers such as B. Bostik 2740 MS (Bostik) and solders such. B. glass or metal solders used. The material must be chosen so that an elastic-plastic deformation is made possible and so the differences in thermal expansion for the support element and the membrane film used, is compensated and leaks on this Way to be avoided.
Die mechanische Fixierung der Membranfolien auf einem Trägerelement, aus Stahl mit einem auf beiden Seiten angebrachten Drainagematerial aus einem polymeren Material, ausgewählt aus Polypropylen, Polyamid, Polyester, ABS, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybenzimidazol oder Polyimidazol oder aus Stahl oder Glas erfolgt vorzugsweise durch Bördelung eines außenanliegenden, L- bzw. C-förmigen Bleches hinunter bis auf die Membranfolie, wobei ein geeignetes weiches Metall als zusätzliches Dichtmaterial unter das L-, C-förmige Blech gebracht werden kann. Die Fixierung der Membranfolien auf einem Trägerelement, aus Stahl mit einem auf beiden Seiten angebrachten Drainagematerial aus einem polymeren Material, ausgewählt aus Polypropylen, Polyamid, Polyester, ABS, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polybenzimidazol oder Polyimidazol oder aus Stahl oder Glas kann aber auch durch ein geeignetes thermisches Verfahren, wie z. B. Schweißen oder Löten erfolgen.The mechanical fixation of the membrane films on a support element, made of steel with a drainage material on both sides made of a polymer material made of polypropylene, polyamide, polyester, ABS, polycarbonate, polysulfone, polyether sulfone, Polyetherimide, polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyethylene, polyvinyl chloride, Polybenzimidazole or polyimidazole or from steel or glass is preferably carried out by Flanging an outer, L- or C-shaped sheet down to the Membrane film, with a suitable soft metal as an additional sealing material under the L-, C-shaped sheet can be brought. Fixing the membrane films on a Support element, made of steel with drainage material attached on both sides a polymeric material selected from polypropylene, polyamide, polyester, ABS, Polycarbonate, polysulfone, polyether sulfone, polyetherimide, polyamideimide, polyphenylene sulfide, Polyethylene, polyvinyl chloride, polybenzimidazole or polyimidazole or from steel or glass can also by a suitable thermal process such. B. welding or soldering respectively.
Die mechanische Fixierung der Membranfolien auf einem Trägerelement aus einem polymeren Material erfolgt vorzugsweise durch gezielte Erwärmung und Verformung des Randes des Trägerelementes. Zu diesem Zweck sind die eingesetzten Trägerelemente mit einem äußeren Rand ausgestattet, der so hoch ist, dass der Rand nach dem Auflegen der Membranfolie noch soweit übersteht, dass er durch gezielte Erwärmung und Verformung den Rand der Membranfolien abdecken kann, wodurch diese am äusseren Rand des Trägerelementes fixiert ist. Vorzugsweise wird die Membranfolie beidseitig in den Träger eingelegt und mit einem geeigneten plastisch-elastischen Klebstoff am Rand verklebt. Anschließend wird der Rand gezielt erwärmt und plastisch verformt, so dass die Membranfolien auch mechanisch befestigt wird. Das Erwärmen und Verformen kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise erfolgen, z. B. durch thermisch beheizte Formgebungswerkzeuge, durch Ultraschall-Schweissung oder durch Wärme-Impuls-Schweissung.The mechanical fixation of the membrane films on a carrier element made of a polymer Material is preferably made by targeted heating and deformation of the edge of the Support element. For this purpose, the carrier elements used have an outer Edge that is so high that the edge is still after the membrane film is placed survives so far that it heats and deforms the edge of the Can cover membrane films, which fixes them to the outer edge of the support element is. The membrane film is preferably inserted into the carrier on both sides and with a suitable plastic-elastic adhesive glued to the edge. Then the edge specifically heated and plastically deformed so that the membrane foils are also mechanically attached becomes. The heating and shaping can be carried out in a manner known to the person skilled in the art, z. B. by thermally heated shaping tools, by ultrasonic welding or by heat-pulse welding.
Die erfindungsgemäßen Membranelemente können zum Einsatz in üblichen Filtrationsmodulen verwendet werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Membranelemente beim Einbau in Filtrationsmodule mittels X-Dichtungen abzudichten. Insbesondere können erfindungsgemäße Membranelemente zur Filtrierung von organischen oder anorganischen sauren oder basischen Lösungen und Dispersionen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Membranelemente ist die Verwendbarkeit, je nach verwendetem Material, für Heißfiltration bei Temperaturen von über 100°C, vorzugsweise von über 200°C.The membrane elements according to the invention can be used in conventional filtration modules be used. It has proven to be particularly advantageous when the membrane elements Seal installation in filtration modules using X-seals. In particular can Membrane elements according to the invention for filtering organic or inorganic acidic or basic solutions and dispersions are used. Another advantage of membrane elements according to the invention is the usability, depending on the material used, for hot filtration at temperatures above 100 ° C, preferably above 200 ° C.
Die Trägerelemente aus polymeren Materialien, wie sie in den erfindungsgemäß hergestellten Membranelemente zum Einsatz kommen, sind beispielhaft in den Figuren Fig. 1 bis 4 dargestellt. Die Strukturierung der Oberfläche mit feinen Kanalstrukturen gewährleistet die Abstützung der Membranfolie und die Drainage des Permeats zur Ablaufbohrung.The carrier elements made of polymeric materials, such as those used in the membrane elements produced according to the invention, are shown by way of example in FIGS. 1 to 4. The structuring of the surface with fine channel structures ensures the support of the membrane film and the drainage of the permeate to the drain hole.
In Fig. 1 ist die Skizze eines erfindungsgemäßen Trägerelementes dargestellt. Die Skizze zeigt die Aufsicht auf die Seite eines rundes Trägerelementes. Zu erkennen sind der äußere Rand AR, die Prägestruktur P, die Permeatablauföffnung PA sowie die Aussparung A im inneren Rand IR des Trägerelementes, die zwölfmal vorhanden ist. Der Buchstabe B bezeichnet die Schnittachse in entlang das Trägerelement in Fig. 2 dargestellt ist.In Fig. 1 the sketch of a carrier element according to the invention is shown. The sketch shows the top view of the side of a round support element. The outer edge AR, the embossing structure P, the permeate drain opening PA and the recess A in the inner edge IR of the carrier element, which is present twelve times, can be seen. The letter B denotes the intersection axis in which the support element is shown in FIG. 2.
In Fig. 2 ist eine Sicht auf den Schnitt eines Trägerelementes gemäß Fig. 1 entlang der Achse B dargestellt. Zu erkennen sind wiederum der trapezförmige äußere Rand AR, die Prägestruktur P sowie die Aussparung A im inneren Rand des Trägerelementes. FIG. 2 shows a view of the section of a carrier element according to FIG. 1 along the axis B. The trapezoidal outer edge AR, the embossed structure P and the recess A in the inner edge of the carrier element can again be seen.
Die Figuren Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Photographien von erfindungsgemäßen Membranelementen. In Fig. 3 ist ein Membranelement dargestellt, welches ein Trägerelement aus Stahl mit einem Stahlnetz als Drainagematerial und eine keramische Membranfolie, die als Trägermaterial ein Stahlgewebe enthält, aufweist. Gut zu erkennen ist das umgebogene (gebördelte) C-förmige Blech, welches den äußeren Rand des Membranelementes abschließt. The figures FIG. 3 and FIG. 4 show photographs of the inventive membrane elements. FIG. 3 shows a membrane element which has a support element made of steel with a steel mesh as drainage material and a ceramic membrane film which contains a steel mesh as the support material. The bent (flanged) C-shaped plate, which closes the outer edge of the membrane element, is clearly visible.
In Fig. 4 ist ein Membranelement auf Basis eines Trägerelementes aus glasfaserverstärktem Polymermaterial und einer keramischen Membranfolie, die als Trägermaterial ein Glasgewebe aufweist, dargestellt. Relativ gut zu erkennen ist der thermisch umgeformte äußere Rand, durch welchen die Membranfolien auf dem Trägerelement fixiert sind.In FIG. 4 is a membrane element on the basis of a carrier element made of glass fiber reinforced polymeric material and a ceramic membrane film having as a support material, a glass fabric, is shown. The thermally formed outer edge, through which the membrane foils are fixed on the carrier element, can be seen relatively well.
In Fig. 5 wird das Trägerelement gemäß dem Beispiel gezeigt, wobei zusätzlich die Abmessungen in Millimetern angegeben sind.In Fig. 5 the carrier element is shown according to the example, in addition, the dimensions are given in millimeters.
Das erfindungsgemäße Membranelement wird durch das nachfolgende Beispiel näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsform beschränkt sein soll.The membrane element according to the invention is explained in more detail by the following example, without the invention being restricted to this embodiment.
Mittels eines üblichen Stritzgußverfahrens wurde ein Trägerelement aus Polypropylen mit einem Anteil von 30 Gew.-% an Glasfasern hergestellt. Dieses war rund und besaß die in Fig. 5 angegebenen Abmessungen. Die Prägung P bestand aus Pyramiden mit einer Grundfläche von ca. 0,5 × 0,5 mm und einer Höhe von ca. 0,5 mm. Zwischen den einzelnen Pyramiden bestand kein Abstand, sondern die Grundflächen von benachbarten Pyramiden hatten gemeinsame Seiten. Die Pyramiden wiesen abgerundete Spitzen auf, um das aufliegende Membranmaterial nicht zu beschädigen. Die Aussparungen im inneren Rand wiesen eine Länge von 5 mm und eine Höhe und Breite von jeweils 1 mm auf.A carrier element made of polypropylene with a proportion of 30% by weight of glass fibers was produced by means of a conventional casting process. This was round and had the dimensions indicated in FIG. 5. The embossing P consisted of pyramids with a base area of approx. 0.5 × 0.5 mm and a height of approx. 0.5 mm. There was no distance between the individual pyramids, but the bases of neighboring pyramids had common sides. The pyramids had rounded tips so as not to damage the membrane material on top. The recesses in the inner edge were 5 mm long and 1 mm high and wide.
Auf dieses Trägerelement wurde beidseitig eine passend geschnittene keramische Membranfolie mit einer mittleren Porengröße von 80 nm, die gemäß WO 99/15262 durch Aufbringen einer Suspension aus einem Titanoxidsol und Aluminiumoxidpulver auf ein Glasgewebe und anschließender Verfestigung der Suspension in und auf dem Glasgewebe erhalten wurde und die eine Permeatablauföffnung, hergestellt durch Stanzen, aufwies, aufgebracht. Zur Abdichtung der Membranfolien mit dem Trägerelement am äußeren Rand des Trägers wurden die Membranfolien mit dem Rand des Trägerelementes unter Verwendung eines Klebers auf Basis silanterminierter Polymere (Bostik 2740 MS, Bostik GmbH) verklebt. Nach dem Abbinden des Klebers wurde mittels eines beheizten Formgebungswerkzeug der trapezförmige äußere Rand umgeformt, so dass die Membranfolien auf beiden Seiten des Trägerelementes sicher fixiert waren. Ein so hergestelltes Membranelement kann in einem entsprechenden Membranmodul eingebaut werden und z. B. zur Filtration von Abwässern eingesetzt werden.A suitably cut ceramic was cut on both sides of this carrier element Membrane film with an average pore size of 80 nm, which according to WO 99/15262 Applying a suspension of a titanium oxide sol and aluminum oxide powder to one Glass fabric and subsequent solidification of the suspension in and on the glass fabric was obtained and which had a permeate discharge opening, produced by stamping, applied. To seal the membrane films with the carrier element on the outer edge of the The membrane foils were used with the edge of the carrier element an adhesive based on silane-terminated polymers (Bostik 2740 MS, Bostik GmbH). After the adhesive had set, the reshaped trapezoidal outer edge, so that the membrane films on both sides of the Carrier element were securely fixed. A membrane element produced in this way can be in one corresponding membrane module are installed and z. B. for the filtration of waste water be used.
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