DE102008006501A1

DE102008006501A1 - Kombiniertes Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren (kurz: USL-Verfahren) zur chemikalienfreien in situ-Reinigung getauchter Membranen bei Rückspülung während des Betriebes

Info

Publication number: DE102008006501A1
Application number: DE102008006501A
Authority: DE
Inventors: Sonja Lauterborn
Original assignee: Individual
Current assignee: LAUTERBORN, SONJA, DE
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: DE102008006501B4

Abstract

Membranen zur Abtrennung von Partikeln in (wässrigen) Lösungen bilden Deckschichten, die die Leistungsfähigkeit der Membranen so stark reduzieren, dass sie bislang mit z.T. erheblichen Mengen an Chemikalien gereinigt werden müssen. Das neue Verfahren reinigt die Membranen mit Hilfe von Ultraschall dauerhaft ohne die Membranen zu schädigen und ohne Reinigungschemikalien. Der Filtrationsbetrieb muss nicht unterbrochen werden. Das Verfahren ist durch die Abfolge von Verfahrensschritten gekennzeichnet, die eingehalten werden müssen, um den Reinigungserfolg zu erzielen. Die Verfahrensschritte sind: Permeatrückspülung bei gleichzeitiger Erzeugung von Kavitation durch Ultraschall (1) und direkt nachfolgender äußerlicher Luftblasenüberströmung unter Fortsetzung der Permeatrückspülung (2). Der Ultraschall muss in einer für die Membranen geeigneten Frequenz und Leistung eingesetzt werden. Das Verfahren ermöglicht einen dauerhaften Betrieb bei hoher Leistungsfähigkeit der Membranen ohne störende Deckschichtausbildung. Es sind keine Chemikalien erforderlich und das Verfahren erfordert vergleichsweise wenig Energie durch die Möglichkeit eines sehr kurzen, aber effektiven Einsatzes des Ultraschalls. Das Verfahren lässt sich für verschiedene getauchte Membranen und für unterschiedliche Flüssigkeitsgemische realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Flüssigkeitsreinigung mittels Membranen, insbesondere zum Zwecke der Trinkwassergewinnung (aber auch zur Gewinnung von Brauchwasser und Wasser für industrielle Zwecke) aus Oberflächenwasser, Grund- und Quellwasser, allgemein verunreinigtem Wasser, im weiteren Rohwasser genannt. Auch die weitergehende Reinigung von Abwasser ist möglich. Dazu werden unter anderem getauchte Membranen zur Filterung des Rohwassers verwendet. Da die Membranen mit zunehmender Betriebsdauer, das heißt Filtrationsdauer, verschmutzen, müssen die Membranen zur Erhaltung ihrer Leistungsfähigkeit gereinigt werden. Die Erfindung betrifft die effiziente, chemikalienfreie in situ-Reinigung getauchter Membranen in Filteranlagen.
Nach dem Stand der Technik werden unter anderem getauchte Membranen zur Reinigung mit verschiedenen Reinigungslösungen (unter anderem chlorbasierte Reinigungsmittel, aber auch Säuren und Laugen) durchspült, wobei verschiedene Verfahren mit Vorwärts- und Rückwärtsspülung und teilweise mit erhitzten Reinigungslösungen eingesetzt werden, zum Beispiel Patent DE 696 04818 T2 , die Minimierung der benötigten Menge an Reinigungslösung betreffend. Im angegebenen Patent verbleibt die Membran zwar am Platz, jedoch muss das Gefäß zumindest teilweise entleert werden. Dadurch werden längere Unterbrechungszeiten im Betrieb der Filtrationsanlage von bis zu 4 Stunden und eventuell mehrerforderlich.
Besonders bei der Trinkwassergewinnung ist eine chemische Reinigung wegen der dafür notwendigen Chemikalien nicht angebracht, da eine aufwändige weitere Reinigung zur erforderlichen Entfernung der Chemikalien notwendig wird.
Nach dem Stand der Technik gibt es Membranen, die mit Permeatrückspülung bei gleichzeitiger Luftüberströmung betrieben werden. Auch bei dieser Betriebsart nimmt die Verblockungsneigung der Membran im Laufe der Zeit soweit zu, dass eine chemische Reinigung unumgänglich wird. Diese ist, wie oben bereits beschrieben, sehr aufwändig und zeit- und kostenintensiv.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Reinigungsverfahrens bei Filteranlagen für Flüssigkeiten mit getauchten Membranen, das die vorgenannten Nachteile nach dem Stand der Technik vermeidet. Das Ziel umfasst folgende Eigenschaften des Verfahrens:

1) Die Membranen werden in situ abgereinigt, verbleiben also an ihrem Platz und in der zu reinigenden Flüssigkeit eingetaucht.
2) Die Membran wird durch Kombination von ultraschallinduzierter Kavitation während einer ersten Rückspülphase mit Permeat und anschließend mit Luftblasenüberströmung (anstelle der ultraschallinduzierten Kavitation) während der zweiten Rückspülphase mit Permeat (hier insgesamt als USL-Verfahren bezeichnet) gereinigt.
3) Weder die alleinige Anwendung von Ultraschall während der Permeatrückspülung noch der Luftblasenüberströmung ergeben ein vergleichbares Resultat. Das Ergebnis kann nur in der eben beschriebenen Kombination und Abfolge erreicht werden.
4) Es werden keinerlei Reinigungschemikalien bei diesem Verfahren notwendig.
5) Das Verfahren kann komplett automatisiert werden.

Die Kavitation in der Flüssigkeit, die die eingetauchte Membran umgibt, wird vorzugsweise durch Ultraschall erzeugt. Es werden ein oder mehrere Schallgeber verwendet, die frei in der Flüssigkeit verschoben werden können und deren jeweiliger Abstand zu den Membranen zwecks Optimierung des Verfahrens eingestellt werden kann (1, siehe Abschnitt: Detaillierte Beschreibung der Figuren).
Ultraschall-Leistung und Ultraschall-Frequenz sowie Beschallungsdauer sind variierbar in Abhängigkeit der Rohwasserbeschaffenheit (beziehungsweise des Verunreinigungsgrades der Flüssigkeit) sowie etwaiger Deckschichtbildung auf der Membran. Die genaue und sachgemäße Anwendung dieser Parameter ist notwendig, damit die Membranen nicht übermäßig porös, das heißt zu durchlässig, oder gar vollständig zerstört werden, andererseits das Verfahren aber nicht wirkungslos wird. Ultraschallinduzierte Kavitations-Reinigung wurde bei Membranen bislang noch nicht technisch eingesetzt, da bei Versuchen nach kurzer Zeit Schäden an den Membranen auftraten und es bisher noch nicht gelang, die Integrität der Membranen bei entsprechender Behandlung dauerhaft sicherzustellen (siehe dazu: Masselin et al. (2001) Journal of Membrane Science, Vol. 181, S. 213–220). In der Tat werden bei nicht genau auf die Rahmenbedingungen abgestimmter Anwendung der ultraschallinduzierten Kavitation die Membranen zerstört.
Ein Teil der Erfindung ist daher eine sorgfältige Anwendung der Kavitation, die eine Anwendung in der Flüssigkeitsreinigung ermöglicht, so dass einerseits die Verblockung der Membran verhindert und der Durchfluss dauerhaft stabilisiert wird, andererseits die volle Funktionsfähigkeit (Trennleistung) der Membran erhalten bleibt.
Ausführungsbeispiele
Eine schematische Zeichnung des Aufbaus der Versuchsanlage, die die folgenden Ergebnisse lieferte, ist in 3 zu sehen. Zur Beschreibung der 3 siehe den Abschnitt: Detaillierte Beschreibung der Figuren. Die Beispielanlage wurde zur Trinkwasseraufbereitung aus Oberflächenwasser eingesetzt.

Beispiel 1: Gegenüberstellung von Permeatrückspülung mit Luftblasenüberströmung und Permeatrückspülung mit dem USL-Verfahren. In beiden Filtrationstanks (siehe 3, 3a und 3b) befinden sich gleichartig verschmutzte Membranen. Die Filtration erfolgt bei gleicher Ausgangskonzentration der Verschmutzung sowie während der Filtration gleich bleibender Verschmutzungskonzentration. Beide Membranen sind unter gleichen Bedingungen im Einsatz, die Beaufschlagung der Membranen erfolgt mit 20 l/(m² h). Tabelle 1 zeigt Permeabilitätsmessungen über 19 Tage für beide Membranen. Die Permeabilität ist in [l/(m² h bar)] und normiert auf 20°C angegeben. Man erkennt, dass die Permeabilität mit Membranreinigung nach dem USL-Verfahren im Mittel ungefähr doppelt so groß ist wie bei Membranreinigung nur mit Luftblasenüberströmung. Tabelle 1: Permeabilitätsvergleich mit und ohne USL-Reinigungsverfahren

Tag	Permeabilität [l/(m² h bar)] (nur mit Luftblasenüberströmung)	Permeabilität [l/(m² h bar)] (mit USL-Verfahren)
1	107	138
2	88	182
3	85	142
4	83	137
5	80	134
6	81	133
7	77	137
8	76	168
9	75	143
10	74	133
11	73	136
12	72	128
13	70	157
14	70	124
15	70	122
16	68	153
17	67	122
18	67	120
19	66	140

Der Ultraschalleinsatz bei diesem Beispiel beträgt eine Minute, bei einer Frequenz von 130 kHz im sogenannten sweep-Modus des verwendeten Ultraschallwandlers mit einer Schall-Leistung von 2,1 Watt/cm². Der Abstand der getauchten Schallgeber zur Membran beträgt in diesem Fall 10 cm.
Angewandt wurde das Verfahren bei einer Polymermembran aus hydrophilisiertem Polyethersulfon mit einer Trenngrenze von 150 kDalton. Die flachen, parallel angeordneten Membrantaschen (Flachmembranen) hatten einen Abstand von 1,2 cm zueinander.
Die Partikelgrafiken in 4 zeigen, dass die Membranen weder einer Zerstörung unterliegen noch die Permeatqualität negativ beeinflusst wird.
Weiterhin wurde eine Online-Trübungsmessung sowie nach Abschluss der ersten Versuche ein Druckhaltetest durchgeführt. Hier waren keine Membranschäden feststellbar.
Beispiel 2: Handversuch mit USL-Rückspülverfahren.
Die Membran wird mit 30 l/(m² h) beaufschlagt, das entspricht einer 50% höheren Durchsatzleistung als im oben genannten Beispiel 1. Die Permeabilität wurde hier nicht auf 20°C normiert, da die Temperatur über den kurzen Versuchszeitraum gleich blieb. Die neun Rückspülungen erfolgten in einem Abstand von jeweils ½ Stunde. Es zeigte sich, dass entgegen einem ansonsten leichten Abfall der Permeabilität sofort ein Anstieg der Permeabilität zu verzeichnen ist. Die Werte sind der untenstehenden Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2: Permeabilitätsverlauf in Abhängigkeit der Anzahl Rückspülungen mit USL-Verfahren

Nummer der USL-Rückspülung Permeabilität [l/(m² h bar)]

1 115

2 117

3 122

4 133

5 126

6 136

7 131

8 149

9 134
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von lediglich Beispiele darstellenden Figuren erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Aufsicht von oben in den Filtrationstank 3,
2 eine Filtrationsvorrichtung mit kombiniertem Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren,
3 den Versuchsaufbau einer Beispielanlage zur Demonstration der Effektivität des Verfahrens,
4 die Partikelzahlen im Verlauf des Ultraschall-Versuches und
5 das Ablaufschema des kombinierten Ultraschall-Luft-Rückspülverfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1: Aufsicht von oben in den Filtrationstank 3. Anordnung von Membranmodul 2, bestehend aus mehreren, parallel angeordneten Membrantaschen gleichen Abstands, und Schallgebern 1 zueinander. Diese sind in dem zu filtrierenden Flüssigkeitsgemisch 4 im Filtrationstank 3 eingetaucht. Der Abstand der Schallgeber 1 zum Membranmodul 2 ist variierbar. Ein Membranmodul 2 besteht aus mehreren Membrantaschen. Der Schall wird parallel zur Membranoberfläche einer jeden Membrantasche eingestrahlt.
2: Schema der Filtrationsvorrichtung mit kombiniertem Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren. Eine Rohwasserpumpe 8 fördert das Rohwasser in einen Vorlagetank 7. Über eine Vorfiltereinheit 6 mit, in diesem Beispiel, Mikrosieben mit einer Durchlassweite von 95 μm wird das Wasser diskontinuierlich über eine Befüllungspumpe 5 in den Filtrationstank 3, der das getauchte Membranmodul 2 enthält, gefördert. Mit 1 sind getauchte Schallgeber bezeichnet, die in den Filtrationstank direkt in der zu filtrierenden Flüssigkeit 4 eingehängt sind. Ihre Lage im Filtrationstank 3 und zum Membranmodul 2 ist 1 zu entnehmen. Während der Filtrationsphase wird das Permeat über die Saugpumpe 10 durch die Membranen des Membranmoduls 2 über die Permeatleitung 9 in den Permeattank 12 gefördert. Während der Rückspülphase wird die Drehrichtung der Saugpumpe 10 umgekehrt und Permeat mit leichtem Überdruck von der Innenseite der Membranen nach Außen in den Filtrationstank 3 gefördert. Während der ersten Phase der Permeatrückspülung wird gleichzeitig ultraschallinduzierte Kavitation erzeugt, die die Abreinigung auf den Membranoberflächen bewirkt. Während der zweiten Phase der Permeatrückspülung wird der Ultraschall abgeschaltet und die Membranen werden äußerlich mit Luftblasen überströmt. Die dafür benötigte Luft wird vom Gebläse 11 zur Verfügung gestellt. Danach beginnt eine neue Filtrationsphase. Die genaue Abfolge des Verfahrens zeigt 5. PIC bezeichnet die an der Permeatleitung angebrachte Druckmessung. FIC bezeichnet die an der Permeatleitung angebrachte Durchflussmessung. Mit PZ ist der Entnahmepunkt 13 bezeichnet, der für die Partikelzählung sowie Trübungsmessung eingerichtet ist.
3: Schema des Versuchsaufbaues der Beispielanlage. Eine Rohwasserpumpe 8 fördert das Rohwasser in einen Vorlagetank 7. Über eine Vorfiltereinheit 6 mit, in diesem Beispiel, Mikrosieben mit einer Durchlassweite von 95 μm wird das Wasser diskontinuierlich über Befüllungspumpen 5a und 5b in die Filtrationstanks 3a und 3b, die die getauchten Membranmodule 2a und 2b enthalten, gefördert. Mit 1 sind getauchte Schallgeber bezeichnet, die in den ersten der beiden Filtrationstanks 3a eingehängt sind. Die Anordnung zueinander ist in 1 als Aufsicht in den Filtrationstank dargestellt. Das heißt, dass bei diesem Verfahren das getauchte Membranmodul 2a mit dem kombinierten Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren behandelt wird, das andere getauchte Membranmodul 2b, im anderen Filtrationstank 3b, nicht. Die Saugpumpen 10a und 10b ziehen während der Filtrationsphase das Permeat über die Permeatleitungen 9a und 9b im Unterdruck ab, welches in die Permeattanks 12a und 12b gefördert wird. Aus diesen Permeattanks wird auch während der Rückspülphase das Wasser entnommen, bei der die Förderrichtung der Saugpumpen 10a und 10b umgekehrt und das Permeat mit leichtem Überdruck von der Innenseite der Membranen zur Außenseite gedrückt wird. Während dieser Rückspülphase wird das erste Membranmodul zuerst mit ultraschallinduzierter Kavitation behandelt und anschließend mit Luft überströmt, das zweite Membranmodul während der gesamten Rückspülphase nur mit Luft überströmt. Die Luft wird dabei vom Gebläse 11 geliefert. Der Standort PZ der Wasserentnahme für ein Partikelzählgerät und für ein Trübungsmessgerät ist mit 13 gekennzeichnet. PIC bezeichnet die Druckerfassung beim Filtrationsbetrieb (Unterdruck während der Filtrationsphase, Überdruck während der Rückspülphase) und FIC bezeichnet die Erfassung der Durchflussmenge.
4: Partikelzahlen im Verlauf des Ultraschallversuchs. Die hier sichtbaren Partikelzahlspitzenwerte entstehen durch das Wiederanlaufen der Filtration nach der Rückspülphase. Während der Filtrationsphase erreichen die Partikelzahlen immer wieder die gleichen geringen Werte, was zeigt, dass die Membran weder geschädigt noch ihre Rückhalteleistung bezüglich Partikeln negativ beeinflusst wird. In 30 sind die Partikelzahlen sogar noch geringer geworden gegenüber 20, bei regelmäßiger Behandlung mit ultraschallinduzierter Kavitation und anschließender Luftüberströmung während der Rückspülphase.
5: Ablaufschema des kombinierten Ultraschall-Luft-Rückspülverfahrens. Dieser Ablaufwiederholt sich ohne Unterbrechung in einem kontinuierlichen Prozeß. Während der Filtrationsphase im Unterdruckbetrieb 100 wird die zu reinigende Flüssigkeit 4 durch die Erzeugung des Unterdruckes der Saugpumpe 10 durch die Membran 2 filtriert. Das Permeat wird dabei über die Permeatleitung 9 in den Permeattank 12 gefördert. Die abgetrennten Schmutzpartikel bleiben an der Oberfläche der Membran 2 zurück. Nach 100, dessen Dauer in Abhängigkeit des Verschmutzungsgrades der zu filtrierenden Flüssigkeit gewählt wird, erfolgt das Umschalten auf Spülen 110. Hierbei wird kein Permeat gefördert, die Pumpe steht einen Moment, bevor ihre Förderrichtung umgekehrt wird. Dies dient in erster Linie der Entspannung der Membran, um sie mechanisch nicht zu stark zu beanspruchen. Anschließend erfolgt die Rückspülung Phase 1: Beschallung mit Ultraschall und Erzeugung von Kavitation während der Permeatrückspülung 120. Es wird gereinigtes Wasser aus dem Permeattank 12 durch die Saugpumpe 10 über die Permeatleitung 9 von der Innenseite auf die Außenseite der Membran gefördert. Gleichzeitig wird über die Tauchschwinger 1 Ultraschall erzeugt, dessen Kavitationsblasen die Reinigung bzw. Lockerung der Schmutzschicht auf den Membranoberflächen bewirken. In der Rückspülung Phase 2: Luftüberströmung während der Permeatrückspülung 130 ist der Ultraschall wieder ausgeschaltet. Stattdessen wird die Membran durch eine mittelblasige Belüftung am Fuße des Moduls mit Luftblasen überströmt, deren Scherwirkung die gelockerten Schmutzpartikel abtragen. Die dafür notwendige Luft liefert das Gebläse 11.
Danach erfolgt das Umschalten auf Filtration 140, das analog zu 110 geschaltet wird und demselben Zweck wie dieses in umgekehrter Folge dient.
Anschließend beginnt der Prozeß mit 100 von neuem.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 69604818 T2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Masselin et al. (2001) Journal of Membrane Science, Vol. 181, S. 213–220 [0007]

Claims

Reinigungsverfahren für eine Flüssigkeitsfilteranlage, die mindestens eine in die Flüssigkeit getauchte Membran und mindestens einen Ultraschallwandler in mindestens einem Filtrationstank enthält, gekennzeichnet durch die folgenden, nacheinander erfolgenden Verfahrensschritte, a) Einkopplung von Ultraschall in die zu filtrierende Flüssigkeit bei Rückspülung von Permeat durch die in der zu filtrierenden Flüssigkeit verbleibenden Membranen und b) Gasblasenüberströmung der äußeren Membranoberflächen bei Rückspülung von Permeat durch die in der zu filtrierenden Flüssigkeit verbleibenden Membranen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Membranen hinsichtlich Trennleistung (Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose), Aufbau (Flachmembran, Kapillarmembran, Hohlfasermembran, Rohrmembran, etc.) und Material (polymere, keramische, anorganische Membranen), sowie verschiedene zu filtrierende Flüssigkeiten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Membranoberflächen überströmenden Gasblasen Luftblasen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System der Aufbereitung von Trinkwasser, Brauchwasser und Wasser für industrielle Zwecke dient.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Herkunft der zu filtrierenden Flüssigkeit Rohwasser (Oberflächenwasser, Grundwasser, Quellwasser, Regenwasser) oder Schmutzwasser (Grauwasser, Abwasser) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für sämtliche industrielle Trennprozesse mit anderen Stoffen als Wasser-Lösungen und Wasser-Gemischen eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kavitationserzeugenden Ultraschallwandler im Reinigungstank in Form von Tauchschwingern beweglich ausgebildet sind, so dass deren Abstand zur Membran veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Membranen in Trenngefäßen mit außerhalb des Trenngefäßes angebrachten Schallgebern gereinigt werden.