DE1642811B2

DE1642811B2 - Diffusionszelle

Info

Publication number: DE1642811B2
Application number: DE1967D0053970
Authority: DE
Inventors: Norman Stanley Midland Mich. Strand (V.St.A.)
Original assignee: Cordis Dow Corp
Current assignee: Althin Medical Inc
Priority date: 1964-12-09
Filing date: 1967-08-30
Publication date: 1977-07-14
Also published as: NL6711789A; DE1642811C3; BE702991A; GB1203655A; NL162563C; US3342729A; NL162563B; DE1642811A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Diffusionszelle mit eini;m eine Mittelöffnung aufweisenden ebenen Rahmen und mit einer die Mittelöffnung abdeckenden, auf dem Rahmen angeordneten Trennmembran.

Eine derartige, als künstliche Niere aufgebaute Diffusionszelle ist aus der US-PS 32 12 b42 bekanntgeworden. Diese bekannte Diffusionszelle besitzt Rahmen mit Mittelöffnungen und vier sich gegenüberstehender, im Abstand voneinander befindlicher Umfangsöffnungen mit zwischen den Rahmen befindlichen Membranen.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung von Kapillar-Membran-Dialysatoren (DT-AS 5 17 903) bekanntgeworden, deren Kapillar-(Hohlfaden)-Membranen einen Außendurchmesser von 500 um und eine Wandstärke von 80 μΐη besitzen.

Die bisher verwendeten Membranen sind in der Hauptsache dünne, uniplanare Membranen, die von genuteten, gelochten oder porösen Stützplatten starr getragen werden. Bei einer derartigen Ausführung ist ein Membranbogen sehr großer Fläche oder sind mehrere Bogen erforderlich um praktisch verwendbare Ergebnisse zu erzielen. Bti diesen Ausführungen gibt es viele »tote« Flächen, in denen kein Durchdringen erfolgt und die dort vorhanden sind, wo die Membranen gegen die Stützplatten gedrückt werden. Die fur das Durchdringen zur Verfügung stehenden »freien« !•'lachen werden also entsprechend der zum Tragen der Membran erforderlichen »toten« !lache verringert.

Die Verwendung von hohlen Filamentfäden als Membranmaterial hat den Vorteil, daß sich die Membran selbst gegen die auf die Innenseite oder die Außenseite der Faser einwirkenden Drucke tragt. Werden jedoch mehrere Fäden zusammengefaßt, um die genügend große Gesamtmembranfläche zu schlaffen, durch die der Flüssigkeitsstrom hindurchgeleitet werden k-;nn, dann kann die verschiedenartige Anordnung der Fadenbündel die Gesamidurchdringungsmenge

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55 dadurch verringern, daß an den Stellen, an denen sich benachbarte Filamentfäden aneinanderlegen oder berühren, der Abfluß oder der Zufluß der Flüssigkeil behindert wird. Diese Berührung und diese Nähe behindert die Strömung der Flüssigkeit auf der Außenseite der hohlen Fäden und stört auch die Berührung der Flüssigkeit mit der Außenseite der Fäden, so daß die in den Innenzonen des Bündels gelegenen Filamentfäden von der äußeren Flüssigkeit kaum berührt werden. Die gegenseitigen Stellungen der Fäden in parallelen Bündelanordnungen, die in der Zone zwischen den Sammelrohren ziemlich locker gehalten werden, können sich auch während der Herstellung oder auch während des Gebrauches der Anlage verschieben. Es besteht also keine Gewähr dafür, daß die Fäden so liegen, daß die größte unbehinderte Freifläche vorhanden ist.

Bei Verwendung verschiedenartiger Anordnungen aus Bündeln hohler Filamentfäden, und zwar Bündeln aus parallel verlaufenden Fäden und Bündeln aus gewickelten oder umwickelten Fäden, entstehen schwierige Probleme beim Abdichten der an den Sammelkammern anzuschließenden Faden- oder Bündelenden, und oft leiten die Fäden nach Art eines Dochtes das Dichtmittel auf das Bündel, so daß ein Teil der Fadenoberfläche von der Flüssigkeit nicht mehr berührt wird.

Eine weitere Schwierigkeit bei einer Bündelanordnung aus hohlen Fäden besteht darin, daß es beim Brechen eines Fadens und bei dem sich daraus ergebenden Sichern nicht nur schwierig ist, die gebrochenen Fäden herauszufinden, sondern daß es oft nicht möglich ist, die Fäden abzudichten oder auszuwechseln, ohne die Zelle zu beschädigen oder teilweise zu zerstören, insbesondere wenn gewickelte oder umwickelte Bündel verwendet werden. Das Reinigen der aus hohlen Fäden bestehenden Bündel bereitet ebenfalls Schwierigkeiten. Es ist oft schwer, eine genügend angemessene Berührung aller Oberflächen der im Bündel gelegenen inneren Fäden zu erzielen. Eine nicht einwandfreie Reinigung kann zu Schwierigkeiten führen, wenn dieselbe Zelle oder dieselbe Abscheidevorrichtung zum Trennen mehrerer verschiedenartiger Stoffe verwendet wird und eine Verunreinigting vermieden vverden muß. Besondere Probleme entstehen, wenn Nahrungsmittel zu reinigen, zu konzentrieren sind. Wenn die Zelle nach ihrer Verwendung nicht sofort gereinigt wird, können die Nahrungsmittel teilchen verderben.

Zur Behebung der Mängel der bekannten Diffusionszellen ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Membran aus mehreren ineinander verwebten, hohlen wahlweise durchlässigen Füd:n gebildet ist. wobei jeder Faden an seinen Enden offen ist, daß eine Anzahl der Fäden in einem Winkel zu den anderen Fäden in der Membranebene liegen und daß die gegenüberliegender Enden jedes Fadens in gegenüberliegenden Umfangs öffnungen zu Rahmen enden.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist. dadurcl gekennzeichnet, daß die gegenüberliegend auf Abstanc angeordneten Umfangsöffnungen als Schlitze ausgebil det sind, die sich parallel zu ilen Kanten des Rahmen: erstrecken, und daß die hohlen Fäden, die in dem einer Paar der gegenüberliegend auf Abstand angeordneter Umfangsölfnungen enden, aus einem Kationenaus tauschmaterial bestehen, und daß die hohlen Fäden, dii in dem anderen Paar der gegenüberliegenden, au Abstand angeordneten Umfangsöffnungen enden, au

einem Anionenaustauschmaterial bestehen.

Durch die Erfindung wird eine bequeme, angemesscm: und sichere Dichtung der unterstützten Enden der Hohlfaden ermöglicht. Außerdem sind alle Fadenaußenflächen, die von der Flüssigkeit berührt werden sollen leicht und vollständig zugänglich. Infolgedessen können die Zellen auch leicht gereinigt werden. Außerdem ist eine Prüfung und Auswechselung der Fäden jeder Zelle leicht möglich.

Die in der Diffur.ioriszelle verwendeten, im Durchmesser kleinen Hohlfaden widerstehen trotz ihrer sehr dünnen Wände hohen Druckgefällen. Die Ausführungen der bekannten Membranen erforderten entweder dickore Malerialwände oder Stützplatten und andere Auflager, die dem auftretenden Druckgefäß· widerstanden.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine aus hohlen Fäden bestehende Membran, die in der erfindungsgemäßen Diffusionszelle verwendet wird;

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen in der Diffusionszelle verwendeten Rahmen;

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht der Stellung des Rahmens nach F i g. 2 und der Membran nach F i g. I bei der Herstellung der Diffusionszelle;

F i g. 4 eine schaubildliche Ansicht einer Ausführung der Diffusionszellc;

F i g. 5 eine schaubildliche Ansicht einer in einer Diffusionsvorrichtung verwendeten Kopfplatte und einer Verteilplatte;

Fig. 6 eine Vorderansicht einer Diffusionsvorrichtung, und

Fig. 7 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht einer Diffusionsvorrichtung und ihrer Betriebseinrichtungen.

Fig. 8 und 9 sind vereinfachte Schnittansichten, die verschiedene Betriebseinrichtungen für die Diffusionsvorrichtung bei Verwendung mehrerer Zellen zeigen.

Fig. 10. 1 Oa, 11, lla. 12 und 12a sind schematisch und diagrammatisch dargestellte Beispiele zur Verwendung der Diffusions/elle und der Diffusionsvorrichtung.

Die in I 1 g. 1 dargestellte Abscheidemembran oder Diffusionsmembran 10 aus hohlen Fäden besteht für gewöhnlich aus einer einschichtigen Lage dieser Fäden, doch kann jede in der gewebe- oder netzartigen Membran vorhandene Rippe, die durch einen einzelnen Hohlfaden dargestellt ist, auch aus einem kleinen Bündel hohler Fäden bestehen. Vorzugsweise wird die Mein· bran nach Art einer Webware durch Verweben oder Verflechten hergestellt, wodurch eine verhältnismäßig dimensionsstabile Membran entsteht und die Fäden an der ihnen gegebenen Stelle gehalten werden. Derartige gewebte Membranen können auf üblichen Tex'ilmaschinen hergestellt werden, die die neuen und verwickelten Muster herzustellen vermögen, die als vorteilhaft angesehen werden. Fs muß jedoch darauf geachtet werden, daß kein Fadenbruch oder keine dünne Stelle während der Herstellung des Gewebes auftritt, chinin Sickerstellen in der Membran verhütet werden

F i g. la zeigt auseinandergezogen einen Teilquer schnitt einer gewebten Membran der in Fig. I dargestellten Art, deren Fäden 11 miteinander verwebt sind. Die in der einen Richtung verlaufenden fäden werden auf dem Textilgebiete mit Schußfäden und die in der senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden Fäden werden mit Kettfäden bezeichnet. Rs können auch andere Einrichtungen zur Herstellung der Gewebe verwendet werden, /.. B. Handeinlegvorrichtungen, leder Faden 11 hat eine Wand 12 und eine ununterbrochene Bohrung 13, durch die eine Flüssigkeit 5 oder ein Strömungsmittel strömen kann. Die tatsächliche Trennung der Komponenten erfolgt durch diese Wand 12 hindurch, die aus einem ausgewählten durchlässigen Material besteht, z. B. aus einem für gewöhnlich vollen polymeren Kunststoff, der zu einem

ίο feinen hohlen Faden gezogen werden kann.

Es können verschiedene Stoffe zur Herstellung des durchlässigen Fadens verwendet werden. Die meisten dieser Stoffe sind organische Stoffe, z. B. polymere Stoffe, wie Azetat-, Triazctat-, Propionat-, Nitrat-Ester

is von Zellulose, und zwar einschließlich der Mono-, Di- und Triester und Gemischen dieser Ester; Zelluioseäther z. B. Methyl-, Äthyl-, Hydroxyalkyl-, Carboxyalkyl-Äthcr. und zwar einschließlich gemischter Zelluloseäther: regenerierte Zellulose; Polyvinylalkohole; PoK-

ίο saccharide; Kasein und seine Derivate usw. Die erwähnten Stoffe sind hydrophil und sind besonder¹ vorteilhaft bei der Behandlung von wäßrigen l.ösungsmittelgemischcn.

Zum Abscheiden von organischen Komponenten aus

:5 Ilüssigkeitsgemischen sind verschiedene hydrophobe Stoffe besonders geeignet, /.. B. lineare Kunststoff poly amide. Polykarbonate, Polyvinylchlorid und seine Kopolymere: Polyvinylidenchlorid und seine Kopolymere, Polyuräthane. Polyvinylformale und -butyrale mit Gemische derselben, Methakrylatpolymere, Styrolpoly niere. Polyolefine. z.B. Polyäthylene, Polypropylene usw. und andere Polyester sowie Gemische dicsci Stoffe. Akrylnitrilpolymerisatc und auch bestimmt». Zellulosederivate sowie gemischte Ätherester könner so modifiziert werden, daß sie entweder hydrophil odei hydrophob sind, je nachdem, welche Kennzeichen be der Verwendung erwünscht ist.

Einige der erwähnten Stoffe, sowie andere einer durchlässigen Hohlfaden bildende Stoffe, einschließlich Glas usw., können zum wahlweisen Abscheider verschiedenartiger Strömungskomponenten verwende werden. Die Membran kann auch für Ionen-Austausch /wecke geeignet sein oder geeignet gemacht werden Die Hohlfaden werden in diesem Falle in den Zellen fm lonen-Austausch/wecke verwendet. Beispiele für derartige Ionen-Austauschstoffe sind Kunststoffe, die Karbu \\I-, Sulfo-, Phosphor-, Amin-, quaternäre Ammonium-Mercaptan-, Enolat-Gruppen und Phenolgruppen ent halten, z. B. sulfonierten Polyäthylen oder sulfonierten Polystyrol. Besonders vorteilhaft ist eine gewebcartigt Membran aus Fäden mit Kationen-Austauscheigcn schäften, die in der einen Richtung (/.. B. dei Ketlenfadennchtung) verlaufen und aus Fäden mi Anionen-Austauscheigenschaften, die in einer senkrech /ur ersterwähnten Richtung gerichteten Richtung (ζ. Β der Schußfadenrichtung) ".erlaufen. Fine derariigt Membran aus Fäden dieser Stoffe kann auf diese Weist in der neuen Zelle und in der neuen Diffusionsvorrich lung beispielsweise als ein Filterbett für einer

ι., kontinuierlich arbeitenden Wasserents.ilzer oder Was serenihärter verwendet werden.

Die Hohlfaden werden in an sich bekannter Weist hergestellt. Im allgemeinen werden die Fäden mittel: des Schmelz-, Trocken-, oder Naßziehverfahren:

!>-, hergestellt, was von den /ur Verwendung kommende! Stoffen abhängt. Der Spinnkopf wird entsprechend den .ingewendeten Spinnverfahren und den in dem Hohlfa Jen gewünschten besonderen Abmessungen gewählt

Zur Herstellung des Hohlfadens hat der Spinnkopf eine kleine runde Öffnung in der Mündung, über die die Spinnmasse ausgezogen wird.

Die in der Gewebemembran verwendeten Hohlfaden sind verhältnismäßig feine Filamcntfädcn. Die Wandstärke der Riden wird so gewählt, daß die Fäden dem Druck widerstehen, der bei der Diffusion auftritt, fürwünscht ist im allgemeinen eine Widerstandsfähigkeit gegen Drucke von 7 kg/cm-' oder höher. Die kleinen Durchmesser dieser feinen Hohlfäden ermöglichen den selbsttragenden Membranwänden des Fadens, beträchtlichen Drucken zu widerstehen.

Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der Hohlfaden nicht größer als 0.350 mm (J50 Mikron) und vorteilhaft nicht größer als 0.300 mm (300 Mikron). Vorzugsweise liegen die Außendurchniesser der Faden im Bereich von 0,01 bis 0,05 mm (10 Mikron bis 50 Mikron). Das Verhältnis der Wandstärke der I lohlfäden zum Außendurchmesser der Fäden reicht vorteilhaft von 1 zu 8 bis zu I /u 3. Die Wandstärke der Fäden liegt im Bereich von 0.001 bis 0.05 mm (1 Mikron bis 50 Mikron) und vorzugsweise zwischen 0,002 bis 0,015 mm (2 Mikron bis 15 Mikron). Wandstärken unterhalb dieses l)ereichcs widerstehen gegebenenfalls nicht den gewünschten Drucken, und Wandstärken oberhalb dieses Bereiches erhöhen den Widerstand gegen die Diffusion. Diese Kennzeichen ändern sich jedoch etwas mit den zur Verwendung kommenden Stoffen und auch mit der jeweiligen zur Anwendung kommenden Diffusionsart.

Die Diffiisionsfläche dieser neuen Diffusionsz.elle ändert sich entsprechend den verschiedenen Abmessungen der Hohlfäden, der Größe der Zelle und der Gesamtdichte der in der Membran vorhandenen Fäden. Die Zahl der in einer bestimmten Membranfläche vorhandenen Hohlfaden bestimmt natürlich die Porosität der Membran uder der offenen Fläche. Im allgemeinen wird eine sehr dichte Webart angewendet, die jedoch nicht so dicht ist. daß übermäßig hohe Drucke erforderlich sind, um die Flüssigkeit durch das Gewebe hindtireh/udrüeken, wobei ein Strecken oder ein anderweitiges Verformen der Membran erfolgen könnte, Fin Faktor, der bei der Bestimmung der Größe der zwischen ilen Fäden vorhandenen Offnungen berücksichtigt werden muH, ist das zu behandelnde Material. Wenn beispielsweise die über die Membran fließende Flüssigkeit ziemlich breiig ist, dann ist eine offener« Webart erwünscht, um Verstopfungen z.u verhüten. Wird eine nicht viskose Flüssigkeit behandelt, z. B. beim Enthtlrten von Wasser, dann kann eitic dichtere Webart /ug^Juiscn werden.

F ι g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Rahmens 14. der mit der in Fig. I dargestellten Membran IO zusammengebaut werden soll. Der Rahmen 14 hat eine Mittelöffnung IS. fcrr.v sich gegenüberstehende, auf Abstand befindliche Umfangsöffnungen 16, ferner sich gegenüberstehende, auf Abstand befindliche Umfangsöffnungcn 17 und ferner Schruubcnlöchcr 18.

Fig.3 zeigt, wie die Membran 10 zwischen zwei Rahmen 14 gelegt wird, und in Fig.4 ist eine Zelle 14 schaubildlich dargestellt, die nach dem Zusammenbau der in F i g. 3 dargestellten Teile entstanden ist. Bei Verwendung dieser Teile zur Herstellung der Zelle 20 wird die Membran IO etwas größer gemacht als der Rahmen 14. Die Seiten der Rahmen 14, die mit der Membran IO verbunden werden sollen, sind mit einem Klebstoff, z. B. einem Epoxykunststoff, überzogen, die die Teile sicher und dauerhaft miteinander verbindet und auch die (lachen zwischen den Fäden 11 der Membran 10 so abdichtet, daß keine Sickerung zwischen den Umfangsöffniingen 16, 17 und der Mitlelöffnung 15 erfolgen kann. Die Membran 10 ist so

s zwischen die Rahmen (4 eingebettet, daß die Mittelöffnung, die Umfangsöffniingen und die .Schraubenlöcher der Rahmenteile übereinander liegen. Nach dem Trocknen oder Härten werden diejenigen Teile der Membran 10. die die Umfangsöffniingen 16, 17

ίο überspannen, ausgeschnitten, so daß ein unbehinderter Durchlaß durch diese öffnungen hindurch erfolgen kann. Der Fadenüberschuß der Membran, der über die Außenkanten des Rahmens hinausragt, wird abgeschnitten, und die an der Außenkante vorhandenen Fadenen-

is den werden mit einem Dichtniittel, /.. I). einem F.poxykunststoff gedichtet.

Der Rahmen 14 kann aus jedem zweckdienlichen Material bestehen, das verhältnismäßig inert gegen die in der Zelle zu behandelnden Flüssigkeiten ist. Das

ίο Material kann beispielsweise aus verschiedenen Metal len oder Kunststoffen bestehen. Der Umriß des Rahmens und der Zelle braucht nicht quadratisch zu sein, sondern kann ge AÜnschtenfalls sechseckig, achtekkig oder kreisrund sein. Um die in der Membran

as vorhandene Fadenfläche möglichst weitgehend auszunutzen, sollten mindestens vier Umfangsöffniingen. d. h. zwei Paar sich gegenüberstehender, auf Abstand befindlicher Öffnungen bei jeder Umrißform verwendet werden. Diese Anordnung ermöglicht das Zuführen

ίο einer Flüssigkeit zum Innenraum der Fäden aus mindestens zwei Richtungen und ermöglicht das Ableiten der Flüssigkeil aus den gegenüberstehenden, auf Abstand befindlichen Auslassen. Die Faden bilden auf diese Weise in der Membran ein Winkelmusler aus

vs sich kreuzenden Fäden und ungefähr die Hälfte der Fäden verläuft senkrecht zu der verbleibenden I lälfie in der l.bene tier Membran. Die Umfangsöffniingen brauchen nicht unbedingt in der Oberseite und der Unterseite des Rahmens 14 zu sein. Gleich zufrieden

.1« stellende l.rgebnisse werden auch erhalten, wenn die Offnungen längs der Kanten des Rahmens verlaufen und mit Durchlaßöffnungen einer Infusionsvorrichtung verbunden werden.

Fine besonders vorteilhafte und wirtschaftlich günsti

^s ge I lerstellung der Zelle 20 besteht darin, daß zuerst dei gewünschte Rahmen aus einem thermoplastischer Polymer gezogen oder gegossen wird. F.ine Membrai wird dann /wischen zwei Rahmen gelegt und das Pakci einer Witrmcwirkung unterworfen, um die Rahmen /ι verbinden. Auf diese Weise werden die Rahmen leich und sicher zu einem einzigen Teil verbunden, und ei muß kein Klebstoff oder Dichtmaterial mit entsprechen den Härtc/eiten oder Trocknungszeiten verwende werden. Es können auch gleichzeitig die Enden alle

Faden, die über die Außenkante der Verbindungsstclli beider Rahmen hinausragen, durch Wttrmecinwirkunj dadurch gedichtet werden, daß das Material de Rahmens über die Verbindungsstelle fließt und cim glnttflüchigc nahtlose Kuntc bildet. Es muß jcdocl

darauf geachtet werden, daß die Hohlfaden in allci Abschnitten, in denen ein Fluß gewünscht wird, nich wesentlich geändert werden. Die Rahmen können al Paare mit Vorsprüngen und Vertiefungen hergcstcll werden, wodurch die Ausrichtung der verschiedener

d«, übereinanderliegenden öffnungen erleichtert und gcsi chert wird. Durch diese Ausführung ist eine schnell Herstellung der Zellen möglich. Die Zelle 20 kann in jede geeignete Dlffusionsvorricr

lung eingebaut werden, bei der ein Z.weiwegestrom durch den Innenraum der Membranfäden und/oder über die Außenseite der Fäden strömt. F.ine derartige Vorrichtung wird aus den in F i g. 5 dargestellten Teilen gebildet und weist eine Kopf- oder Sammelplatie 25 und eine Verteilplatie 26 auf. Die Kopfplatte 25 hat einen Mittcldurchlaß 27. der so ausgeführt und angeordnet ist. daß er mit einer Einrichtung gekuppelt werden kann, die eine Flüssigkeit zuführt und die Flüssigkeit zur Miltelöffnung der Zelle, die der in F i g. 4 dargestellten Zelle ähnlich ist. leitet. Einlaßöffnungen 28 sind so ausgeführt und angeordnet, daß sie mit einer Einrichtung gekuppelt werden können, die eine Flüssigkeit zuführt, und diese Flüssigkeit zu den Umfangsöffnungen einer Zelle leiten, die der in Fig. 4 dargestellten Zelle ahnlich ist. Auslaßöffnungen 29, die gegenüber und im Abstand von den Einlaßöffnungen 28 angeordnet sind, nehmen die Flüssigkeit, die die Einlaßöffnungen 28 und den Innenraum der Hohlfaden der Membran durchströmt hat und/ oder den Stoff, der von der Außenseite der Hohlfäden durch die Wände der Hohlfäden diffundiert ist, auf. Ist ein Flüssigkeitstrom durch den Innenraum der Hohlfäden nicht erforderlich oder notwendig, so daß die Hohlfäden nur zum Sammeln des diffundierten Stoffes dienen, dann werden die Einlaßöffnungen 28 lediglich als Auslaßöffnungen verwendet. Schraubenlöche- 18 in der Kopfplatte 25 fluchten mit Schraubenlöchern 18 im Rahmen 14.

Die Verieilplatte 26 hat zwei Offnungen 16 und zwei Umfangsöffnungen 17, die mit den glcichbezeichncien Öffnungen im Kulinien 14 fluchten. .Schraubenlöcher 18 fluchten mit den .Schraubenlöchern 18 im Rahmen 14 und in der Kopfplatte 25. Ein den Mitteldurchlaß 27 in der Kopfplatte 25 durchströmender Flüssigkeitsstrom wird vor Berührung der Zellenmembran durch Perforationen oder Löcher 30, die wahllos verteilt sind, geleitet, um eine Kaniilstrombildung der Flüssigkeit beim Druchstromen der Zelle zu verhüten. Eine Verteilplatte ist nicht unbedingt erforderlich und die Einlaßöffnung selbst kann als Verteiler ausgeführt sein. Es kann auch unterhalb der Zelle eine Verteilplatte angeordnet weiden, um einer Kanalstrombildung noch weiter entgegenzuwirken. Hei Verbindung mehrerer Zellen zu einer einzigen Vorrichtung werden Verteilplatten zwischen den Zellen angeordnet.

Line vereinfachte zusammengesetzte Diffusionsvor richtung ist in I ι g. b dargestellt.

Der obere Teil der Vorrichtung besteht uus einer Kopfplatte 25. einer Verteilplatie 26, einer /.eile 20, einer /weiten Vcrtcilplntlc 26 und einer Bodenplatte 21. die eine in der Mitte gelegene Auslaßoffnung 32 hut. uus der die Flüssigkeit abfließt, die der Zellen 20 über den Mitteleinlttß 27 zugeführt worden ist. Die verschiedenen Teile werden durch Befestigungsvorrichtung 18a. die aus üewindemuttern und Schraubenbolzen bestehen, zusammengehalten. An den Verbindungsstellen sind die Teile außerhalb der Umfnngsöffnungcn durch Dichtungen 33 gedichtet, die aus einem Dichtmatcrial. /. B modifiziertem Kautschuk bestehen. Es kann jede beliebige Dichtung verwendet werden, erforderlich ist jedoch, duß das gewühlte Material relativ inert in bezug auf die damit in Berührung kommende Flüssigkeit ist und duß ein guter Abschluß bewirkt wird. Gewünschtenfalls kann auch eine vollständig aus einem Stück bestehende Zelle hergestellt werden, wenn eine Prüfung der Membran nicht erforderlich ist. Beispielsweise können die verschieaenen Teile für dauernd durch Eooxykunsistoff miteinander verbunden und gedichtet werden, oder die verschiedenen Teile können aus einem thermoplastischen Polymerkunststoff bestehen und durch Wärmewirkung in der gleichen Weise verbunden werden, wie dies bei der Herstellung der Zelle beschrieben worden ist.

I ι g. 7 zeigt eine teilweise geschnittene Diffusions sorrichtung mit näheren Finzelheiten. Die Vorrichtung besteht aus einer Kopfplatte 25 mit Mittcleinhß 27 und Ventil 35, aus einem Umfangscinlaß 28 mit Ventil 36 und

ίο aus einem Umfangsauslaü 29. Die an der Außenkante der Zelle vorhandenen Enden der Hohlfäden 11 sind mil Epoxykunstsioff 37 od. dgl. gedichtet. Eine Flüssigkeit wird dem Mittclcinlaß 27 zugeführt und fließt nach unten über die Verteilplatte 26. Löcher 30 und über die Membran 10 aus Hohlfaden 11. ferner durch die Löcher 30 der zweiten Verteilplatte 26 und strömt dann über den Mittelauslaß 32 der Bodenplatte 31 aus. Gewünschtenfalls fließt eine zweite Flüssigkeit über den Umfangscinlaß 28 und die Umfangsöffnungen Hb durch den Innenraum der Fäden 11. deren offene Enden in der Öffnung 16 enden, und weiter zur Umfangsöffnung 17 und dann aus der AusiaEloffnung 29 aus. Vcntilvorrichuingen können auch in den Auslässen 29 und 32 verwendet werden, um die in der Diffusionsvorrichtung entwickelten Drucke /u regeln. Eine Ansicht ähnlieh der (ig.b entsteht, wenn die Vorrichtung um W' gedreht und im Schnitt dargestellt wird.

F i g. 8 und 9 zeigen eine etwas abgeänderte Diffusionsvorrichtung: bei Verwendung mehrerer ZeI-lcn. Bei der in F ig. 8 dargestellten Vorrichtung wird eine Flüssigkeil nach unten über die Außenseite der Hohlfaden 11 der Membran geleitet, und die Flüssigkeil, die die hohlen Fäden 11 durchströmen soll, der gleichen Seite jeder Zelle zugeführt. In Fig. 9 wird die Flüssigkeit, die durch den Innenraum der Hohlfaden 11 strömen soll, abwechselnd in jeder folgenden Zelle in der entgegengesetzten Richtung geleitet. Bei Verwendung dieser Anordnung ist es vorteilhaft, die über die Außenseite der Fäden strömende Flüssigkeit in degenstromrichtung — wie durch die Richtungspfeile gezeigt - zu führen, jedoch ist auch ein Gleichstrom zur Fließrichtung der Flüssigkeit im Innenraum der Fäden nützlich. Die Diffusionszelle und die Diffusionsvorrichtung können praktisch in jeder Stellung verwendet

•ts werden, du sie für gewöhnlich vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind.

Es gibt zahlreiche Variationsmöglichkeiten in dei Anordnung mehrerer Zellen in Kmhun- uder Parallel schaltung oder Kombinationen davon, was abhängt vor

so dem /u behandelnden Material, der Leistung oder den' Grad der gewünschten Abscheidung, dem Volumen dci zu bchundclnden Flüssigkeit.

Die den Zellen zugeführten Drucke oder das. für die Diffusion benutzte Öruckgcfülle richtet sich nuch dci

SS Art des verwendeten Fudenmaterials, der Art dci Flüssigkeit oder ihrer Komponenten, nach der Diffu sionsgcschwindigkeit, dem osmotischen Druck, dci Menge usw.. Vorteilhart wird der Druck im Berelcr zwischen 0,7 bis 1050 kg/cm¹ verwendet.

(>o Die Zelle, die Vorrichtung und das Verfahren kontier zur Wiedergewinnung odor zum Abscheiden vor Komponenten aus vcnichicdencn Flüssigkeltsgcmi sehen oder Flussigkeltslösungen verwendet werden Nachstehend werden typische Beispiele verschiedene!

h\ gewerblicher Gebiete genannt, bei denen die ncui Diffusionsvorrichtung verwendet werden kann.

I. Gewinnung von V/usscr aus Meerwasser um ungenießbarem Wasser.

2. Konzentration von Salzen oder anderen Chemikalien in verschiedenen Lösungen, z. B. Lösungen von NaCI. KCI. KBr. Na₂CO,, Na₂SO₄, Na₂B₄O₇. Na)PO₄. NaBr, NaF, CaCI₂, NaOH. KOH, Ammoniak und Slickstoffdüngemittein, Uran- und anderen seltenen Salzen aus Bleichlaugen. H₁PO₄. CuSO₄, Mononatriumglutumat, Natriumthiosulfat, Natriumchromat, Natri umchlorat, Lithiumkarbonat, Alaun, Aluminiumsulfat, Ammoniumchlorid. Ammoniumnitrat, schwerem Wasser, Glyzerin. Milchsäure, Gerbextrakie, Alkohol. fluorwasserstoff oder Glykole.

J. lonen-Austauschverfahren einschließlich Enthärten von Wasser, anionisches Enthalten und Gewinnung von Magnesium aus Meerwasser.

4. Abscheiden und Konzentrieren von wärmeempfindlichen Stoffen, /. B. Konzentrieren von natürlichen Frucht- und Gemüsesäften, Konzentrieren von Getränken, wie Milch oder Kaffee- und Tee-Extrakten, und für verschiedene medizinische und pharmazeutische Zwek ke. z. B. künstliche Nieren, Behandlung von sterilen Lösungen, Isolieren von Viren oder Bakterien. Fraktionieren von Blut, Herstellen von Serum, Konzentrieren von Alkaloiden, Glukosiden. Hormonen, Vitaminen, Impfstoffen. Aminosäuren. Sehutz-und Heilseren, antiseptischen Stoffen. Eiweißstoffen, organometallischcn Verbindungen und antibiotischen Stoffen.

5. Abscheiden von Komponenten, die fiir gewöhnlich azeotropisch sind und sehr schnell sieden, und Abscheiden von Ammoniak aus organischen Aminen.

6. Behandlung von industriellen Abwässern z. 1:1. Abfall aus radioaktiven Materialien, Sulfitbreien, spalt baren Abfall, Konservenabfall, Wiedergewinnung von Ätzmitteln aus viskosen Lösungen oder Wiedergewinnung von Säuren aus Metallbehandlungswrfahren.

Ein anderes Gebiet fur die neue Difiusionsvorrulilung und das Verfahren ist die Abscheidung von Komponenten aus einem Gasgemisch. Wasserstoff beispielsweise durchdringt einen permeablen Polyvtyrolfaden etwa 22 Mal so schnell wie Stickstoff und kann daher leicht und sehr bequem aus Gemischen, die beide Gase enthalten, getrennt werden, z. B. aus Gemischen, wie sie beim Abbau von Ammoniak entstehen, in denen das anfallende Gas etwa 7"5¹Vo Wasserstoff und 2V!'i< Stickstoff enthält.

Ebenso kann das Abscheiden von Wasserstoff aus Gemischen, die Kohlensaure enthalten, sehr leicht bei Verwendung von Hohlfäden aus Polystyrol ausgeführt werden. Es können daher verschiedene in Gewerbebetrieben anfallende Gemische dieser Art verwendet werden, z. B. Gemische, die bei der Dehydrierung von Äthylbenzol zur Herstellung von Styrol entstehen. Mit der neuen Diffusionsvorrichtung wird der Wusserstoff abgeschieden und das anfallende, an Kohlensaure reiche Röstgas wird wieder in den Dehydrieriingsvorgarig /urückgclcitct. Wasserstoff kann in ähnlicher Weise aus linderen wasserstoffhaltig^! Gasen abgeschieden werden, / B. aus Koksofengas oder aus Gttsen, die bei Hydrierungsverfahren und bei Petroleum·Raffinierungsverfahren entstehen.

Auch die Gasphasenabscheidung von chlorierten Mcthancn aus nicht umgesetztem Methan und die Abscheidung von Stickstoff aus Methan ist durchführbar, um auf diese Weise das Naturgas verkaufsfähiger zu machen. Ebenso kann Sauerstoff aus Meerwasser gewonnen werden, und zwar nach Art von künstlichen Kiemen, wobei das Meerwasser, das in der Innenseite s oder auf der Außenseite des Hohlfadens strömt, ein Diffundieren des Sauerstoffes durch die Fadenwand hindurch bewirkt. Die Erfindung kann auch zum Abscheiden von Sauerstoff aus Luft und von Helium aus Naturgas verwende' werden.

ίο Die Fig. 10, 10a: 11, Ha und 12. 12a zeigen schematisch und diagrammatisch das Arbeiten der Diffusionsvorrichtung für einige der vorstehend angegebenen Zwecke. In Fig. 10, 10a werden hohle Fäden, die für Wasser durchlässig sind, zum Konzentrieren von Fruchtsaft verwendet. Eine Dehydrierungsflüssigkeit, z. 15. eine Sole, wird in zwei Richtungen durch den Innenraum der Hohlfaden einer Membran geleitet und der Fruchtsaft wird in der in Fig. 10a dargestellten Weise über die Membran auf der Außenseite der Hohlfaden geführt. Eine verdünnte Sole (verbrauchte Dehydrierungsflüssigkeit) fließt aus den entgegengesetzten Enden der Hohlfaden und ein konzentrierter Fruchtsaft wird am unleren Ende der Vorrichtung erhalten.

In ähnlicher Weise verwendet der in den Fig. II. I la dargestellte Wasserenthärter hohle Fäden mit Kationen-Austauscheigensehaften. In den F ig. 12. 12a isi zum !•!ntionisieron von Wasser ein Entsalzer mit gemischtem Bett vorgesehen.

\o Die Erfindung wird noch durch folgende Ausführungen näher erläutert. Eine Zelle mit einer der erwähnten Profilieningen oder Umrissen wurde nach dem an 1 land der I" ig. I bis 7 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Membran wurde aus hohlen Polyäthvlenfädeii gewebt, die mit Chlorschwefelsäure sulfoniert wurden, um die Fäden als Kationen-Austauschfäden geeignet zu machen. Der Außendurchmesser jedes Fadens betrug etwa 0,21 mm (210 Mikron) und der lichte Durchmesser jedes Fadens betrug etwa 0,18 mm (180 Mikron). Die Milteloffnung im Rahmen war b,25 cm·' groß. Etwa M) Fäden in jeder Richtung lagen frei in der Miitclöffmmg. Zwei Zellen — durch Kaulschukdichlung getrennt wurden übereinander gestapelt und in eine Diffusions vorrichtung eingebaut, die ähnlich der in den F i g. ti und 7 dargestellten Vorrichtung war.

Eine wäßrige Solelösung (d.h. eine eiwa ¹J¹Vn-ige NaCI Losung) wurde durch zwei der Umfangskanälc. die einen Abstund von etwa 40 hüllen, hmduivhgclcilet. Die Sole strömte durch den Innenraum der Fildcn so hindurch und strömte aus den gegenüberstehenden, im Abstand von den Eintrittsöffnungen befindlichen Austrittsöffnungen uus. Wasser, dus ctwu 200 ppm CuCb enthielt, sickerte nuch unten durch eine Milteloffnung hindurch über die Membran und floß uus einer im Boden befindlichen Mittelöffnung aus. Das uus der Bodenöffnung abströmende AbfluQwusscr hatte bedeutend weniger Calcium-Ioncn und kunn durch aufeinanderfolgendes Hindurchlcilcn durch die Membran oder durch Benutzung mehrerer in Reihe geschultetcr Zellen in der to Diffusionsvorrichtung oder In einer nuchgcschultctcn Diffusionsvorrichtung vollständig »welch» gemacht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Diffusionszelle mit einem eine Mittelöffnung aufweisenden ebenen Rahmen und mit einer die Mittelöffnung abdeckenden, auf dem Rahmen angeordneten Trennmembran, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus mehreren ineinander verwebten, hohlen, wahlweise durchlässigen Fäden (11) gebildet ist, wobei jeder ι ο Faden an seinen Enden offen ist, daß eine Anzahl der Fäden in einem Winkel zu den anderen Fäden in der Membranebene liegen und daß t!ie gegenüberliegenden Enden jedes Fadens in gegenüberliegenden Umfangsöffnungen (16,17) im Rahmen enden. is

2. Diffusionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegend und auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen (16, 17) als Schlitze ausgebildet sind die sich parallel zu den Kanten des Rahmens erstrecken, und daß die hohlen Fäden, die in dem einen Paar der gegenüberliegend auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen (16, 17) enden, aus einem Kationenaustauschmuterial bestehen, und daß die hohlen Fäden, die in dem anderen Paar der gegenüberliegenden, auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen (16, 17) enden, aus einem Anionenaustauschmaterial bestehen.