DE10161095C1 - Verfahren zur Membranfiltration in Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Membranfiltration in Flüssigkeiten unter Verwendung eines Faserbündels aus Kapillarmembranen, die ein in ein Kopfstück eingegossenes und zu einem Permeatsammelraum des Kopfstückes offenes Ende sowie ein ohne Einspannung frei bewegliches verschlossenes Ende aufweisen. Das Faserbündel wird in eine zu filtrierende Flüssigkeit eingetaucht oder von der zu filtrierenden Flüssigkeit umströmt, wobei eine Druckdifferenz zwischen der zu filtrierenden Flüssigkeit und dem Permeatsammelraum erzeugt sowie ein an dem offenen Ende der Kapillarmembranen abfließendes Permeat aus dem Permeatsammelraum abgezogen wird. Zur Beseitigung von Ablagerungen im Faserbündel wird zumindest in Intervallen ein Fluid durch ein in das Faserbündel ragendes Mundstück zugeführt, welches mit einer Reinigungswirkung verbundene Scherkräfte auf die Ablagerungen ausübt. Als Fluid wird eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits/Gas-Gemisch verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Membranfiltration in Flüssigkeiten unter Verwendung eines Faserbündels aus Kapillarmembranen, die ein in ein Kopfstück eingegossenes und zu einem Permeatsammelraum des Kopfstückes offenes Ende aufweisen. Das Faserbündel wird in eine zu filtrierende Flüssigkeit eingetaucht oder von der zu filtrierenden Flüs­ sigkeit umströmt, wobei eine Druckdifferenz zwischen der zu filtrierenden Flüssigkeit und dem Permeatsammelraum erzeugt sowie ein an dem offenen Ende der Kapillarmembranen ab­ fließendes Permeat aus dem Permeatsammelraum abgezogen wird.

Bei einem aus WO 98/28 066 A1 bekannten Verfahren zur Membranfiltration wird mit einem Faserbündel aus Kapillar­ membranen gearbeitet, die zwischen zwei Kopfstücken end­ seitig eingespannt sind. Zur Beseitigung von Ablagerungen wird das Faserbündel mit Luft begast, die durch ein inner­ halb des Faserbündels angeordnetes Mundstück zugeführt wird. Die Reinigungswirkung der innerhalb des Faserbündels aufsteigenden Gasblasen ist jedoch begrenzt. Unter schwie­ rigen Filtrationsbedingungen, z. B. bei faserförmigen oder an den Membranflächen fest haftenden Rückständen, kann nicht verhindert werden, dass sich an den Kopfstücken Ab­ lagerungen aufbauen und in das Faserbündel hineinwachsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Membranfiltration anzugeben, mit dem auch unter schwierigen Filtrationsbedingungen Ablagerungen im Faserbündel wirkungsvoll beseitigt bzw. die Ausbildung solcher Ablage­ rungen begrenzt werden kann.

Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Membranfiltration in Flüssigkeiten unter Ver­ wendung eines Faserbündels aus Kapillarmembranen, die ein in ein Kopfstück eingegossenes und zu einem Permeatsammel­ raum des Kopfstückes offenes Ende sowie ein ohne Ein­ spannung frei bewegliches verschlossenes Ende aufweisen,
wobei das Faserbündel in eine zu filtrierende Flüs­ sigkeit eingetaucht oder von der zu filtrierenden Flüssigkeit umströmt wird,
wobei eine Druckdifferenz zwischen der zu filtrieren­ den Flüssigkeit und dem Permeatsammelraum erzeugt sowie ein an dem offenen Ende der Kapillarmembranen abfließendes Permeat aus dem Permeatsammelraum ab­ gezogen wird,
wobei zur Beseitigung von Ablagerungen im Faserbündel zumindest in Intervallen ein Fluid durch ein in das Faserbündel ragendes Mundstück zugeführt wird, welches mit einer Reinigungswirkung verbunden Scherkräfte auf die Ablagerungen ausübt, und
wobei als Fluid eine Flüssigkeit oder ein Flüssig­ keits/Gas-Gemisch verwendet wird.

Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Wasser und als Flüssig­ keits/Gas-Gemisch ein Wasser/Luft-Gemisch verwendet. Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Wasseraufbereitung.

Die Erfindung setzt ein mit der Überlegung, dass die Kapil­ larmembranen des Faserbündels nur an einem Ende in ein Kopfstück eingegossen sind und dass das Faserbündel an seinem anderen Ende ohne Einspannung frei beweglich in der zu filtrierenden Flüssigkeit endet. Das zur Beseitigung von Ablagerungen im Faserbündel in das Innere des Faserbündels eingeleitete Fluid durchströmt das Faserbündel in einer definierten Strömung von innen nach außen und strömt in Längsrichtung der Kapillarmembranen ab. Dabei bewegen sich die Kapillarmembranen in der Flüssigkeit, was das Ablösen von Membranbelegen unterstützt. An dem freien Ende des Faserbündels ist ein effektiver Abtransport gelöster Schmutzpartikel sichergestellt. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch, dass sich das Faserbündel durch den zentralen Eintrag des Fluids radial aufweitet und dadurch ein Freiraum zwischen den Kapillarmembranen entsteht, durch den ein effektiver Feststoffaustrag gewährleistet ist. Die Reinigungswirkung wird erfindungsgemäß dadurch noch ver­ bessert, dass als Fluid eine Flüssigkeit oder ein Flüssig­ keits/Gas-Gemisch verwendet wird. Das vorzugsweise mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit aus dem Mundstück aus­ tretende Fluid erzeugt durch Impuls und Scherkräfte eine beachtliche Reinigungswirkung. Durch die Verwendung einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeit/Gas-Gemisches gelingt es, auch den unmittelbar an das Kopfstück anschließenden Faserbündelbereich von Ablagerungen weitgehend frei zu halten bzw. Rückstände aus diesem Bereich zu entfernen.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass die Fluidzusammensetzung, insbesondere der Gasanteil innerhalb des Fluids, im Betrieb verändert und dadurch die Reini­ gungswirkung gezielt beeinflusst wird. Eine weitere Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass Wasser oder ein Wasser/Luft-Gemisch jeweils im Wechsel mit Luft als Fluid verwendet werden. Ferner können dem Fluid zumindest zeitweise Reinigungschemikalien zugesetzt werden.

Das verwendete Fluid und das Mundstück sind aufeinander abzustimmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfin­ dung wird mit auswechselbaren Mundstücken unterschiedlicher Länge und/oder mit unterschiedlichen Düsenaustrittsgeo­ metrien gearbeitet. Im Rahmen der Erfindung kann schließ­ lich ein Mundstück mit separaten Kanälen für Flüssigkeit und Gas verwendet werden, wobei das Mundstück so gestaltet wird, dass die Flüssigkeit und das Gas an unterschiedlichen Abschnitten und/oder mit unterschiedlicher Strömungsaus­ richtung in das Faserbündel eingeleitet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1 ein im Tauchbetrieb eingesetztes Membranfilter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 2 ein ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren betriebenes Membranfilter mit einem flüs­ sigkeitsdurchströmten Filterraum.

Zum grundsätzlichen Aufbau der in den Figuren dargestellten Membranfilter gehören ein Kopfstück 1, das einen Permeat­ sammelraum 2 mit einem Permeatablauf 3 aufweist, und zumin­ dest ein Faserbündel 4 aus Kapillarmembranen 5, die an einem Ende 6 verschlossen sind und an ihrer anderen Seite mit einem offenen Ende zum Permeatsammelraum 2 in das Kopf­ stück 1 eingegossen sind. Bei den Kapillarmembranen 5 han­ delt es sich vorzugsweise um Ultrafiltrationsmembranen oder Mikrofiltrationsmembranen, deren Durchmesser weniger als 5 mm beträgt. Vorzugsweise besitzen sie Durchmesser zwi­ schen 0,5 und 3 mm. Die Kapillarmembranen sind von der zu filtrierenden Flüssigkeit 7 umgeben. Die Filtration erfolgt aufgrund einer transmembranen Druckdifferenz, die durch einen Überdruck in der zu filtrierenden Flüssigkeit und/ oder einem permeatseitigen Unterdruck erzeugt werden kann. Die geklärte Flüssigkeit (Permeat) strömt in den Kapillar­ membranen 5 zum Permeatsammelraum 2 ab und wird aus dem Permeatsammelraum abgezogen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Faserbündel in die zu filtrierende Flüssigkeit 7 unter­ getaucht. Die an einem Ende im Kopfstück 1 eingegossenen Kapillarmembranen 5 sind an ihrem anderen verschlossenen Ende 6 frei beweglich und führen unter der Wirkung der in der Flüssigkeit herrschenden Turbulenzen und der auftre­ tenden Strömungen mehr oder weniger stark ausgeprägte seitliche Bewegungen aus. Zur Begrenzung der seitlichen Bewe­ gungen ist auf das Kopfstück 1 ein Korb 8 aufgesetzt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung weist das Mem­ branfilter einen Filterraum 9 auf, der von der zu filtrie­ renden Flüssigkeit 7 durchströmt wird. Die Anströmung des Filterraumes 9 erfolgt durch Bohrungen 10 im Kopfstück 1 in einem Abschnitt außerhalb des Faserbündels 4. Die Flüssig­ keit 7 wird im Wesentlichen an der Außenseite des Faser­ bündels 4 vorbeigeführt und strömt in Längsrichtung der Kapillarmembranen 5 ab.

Zur Beseitigung von Ablagerungen im Faserbündel 4 wird zu­ mindest in Intervallen ein Fluid 11 durch ein in das Faser­ bündel ragendes Mundstück 12 zugeführt. Das Mundstück 12 erstreckt sich innerhalb des Faserbündels 4 im Wesentlichen parallel zu den Kapillarmembranen 5 und weist einen rohr­ förmigen Abschnitt mit umfangsseitigen Bohrungen 13 auf. Es kann aber auch beispielsweise als Ringspaltdüse ausgebildet sein, aus der das Fluid 11 mit radialer Ausrichtung aus­ tritt. Als Fluid 11 wird eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Flüssigkeits/Gas-Gemisch, insbesondere ein Wasser/Luft-Gemisch, verwendet. Durch den austretenden Impuls sowie durch Scherkräfte übt das Fluid 11 eine Reini­ gungswirkung auf Ablagerungen innerhalb des Faserbündels 4 aus. Deckschichten, die sich während der Membranfiltration an der Membranoberfläche gebildet haben, werden abgereinigt und mit dem Fluidstrom aus dem Faserbündel 4 ausgetragen.

Durch die Fluidzusammensetzung, insbesondere den Gasanteil in der Flüssigkeit, kann die Reinigungswirkung beeinflusst werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es, das Mischungs­ verhältnis von Wasser und Luft zu steuern und die Fluid­ zusammensetzung im Betrieb zu verändern, um dadurch die Reinigungswirkung zu beeinflussen. Ferner besteht die Möglichkeit, Wasser oder ein Wasser/Luft-Gemisch jeweils im Wechsel mit Luft als Fluid zu verwenden. Schließlich können dem Fluid zumindest zeitweise Reinigungschemikalien zuge­ setzt werden.

Das Mundstück 12 des Membranfilters ist auswechselbar und kann durch ein anderes Mundstück, welches sich hinsichtlich Länge und/oder der Düsenaustrittsgeometrie unterscheidet, ausgetauscht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, Mundstücke 12 mit separaten Kanälen für Flüssigkeit und Gas einzusetzen, so dass die Flüssigkeit und das Gas an unter­ schiedlichen Abschnitten und/oder mit unterschiedlicher Strömungsausrichtung in das Faserbündel eingeleitet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Membranfiltration in Flüssigkeiten unter Verwendung eines Faserbündels aus Kapillarmembranen, die ein in ein Kopfstück eingegossenes und zu einem Permeat­ sammelraum des Kopfstückes offenes Ende sowie ein ohne Einspannung frei bewegliches verschlossenes Ende aufweisen,
wobei das Faserbündel in eine zu filtrierende Flüs­ sigkeit eingetaucht oder von der zu filtrierenden Flüssigkeit umströmt wird,
wobei eine Druckdifferenz zwischen der zu filtrie­ renden Flüssigkeit und dem Permeatsammelraum erzeugt sowie ein an dem offenen Ende der Kapillarmembranen abfließendes Permeat aus dem Permeatsammelraum abge­ zogen wird,
wobei zur Beseitigung von Ablagerungen im Faserbündel zumindest in Intervallen ein Fluid durch ein in das Faserbündel ragendes Mundstück zugeführt wird, welches mit einer Reinigungswirkung verbunden Scherkräfte auf die Ablagerungen ausübt, und
wobei als Fluid eine Flüssigkeit oder ein Flüssig­ keits/Gas-Gemisch verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Flüssigkeit Wasser und als Flüssigkeits/Gas-Gemisch ein Wasser/Luft-Gemisch verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluid­ zusammensetzung im Betrieb verändert und dadurch die Reini­ gungswirkung beeinflusst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Wasser oder ein Wasser/Luft-Gemisch jeweils im Wechsel mit Luft als Fluid verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dem Fluid zumindest zeitweise Reinigungschemikalien zugesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mit auswechselbaren Mundstücken unterschiedlicher Länge und/­ oder mit unterschiedlichen Düsenaustrittsgeometrien gear­ beitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Mundstück mit separaten Kanälen für Flüssigkeit und Gas verwendet wird und die Flüssigkeit und das Gas an unter­ schiedlichen Abschnitten und/oder mit unterschiedlicher Strömungsausrichtung in das Faserbündel eingeleitet werden.