DE1642816A1

DE1642816A1 - Durchlaessigkeitstrennvorrichtung

Info

Publication number: DE1642816A1
Application number: DE19681642816
Authority: DE
Inventors: Oldershaw Charles Francis; Mahon Henry Isaly
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1967-02-13
Filing date: 1968-02-12
Publication date: 1970-09-24
Also published as: BE710681A; AU421606B2; FR1568113A; NL163125B; DE1642816C2; NL163125C; GB1221994A; AU4621568A; NL6801532A

Description

1 BERLIN 33 8 MÜNCHEN 27

Auguste-Viktoria-StiaBe 65 Dr.- IIVXI. HANS RUSCHKE Pienzenauer StraBe 2 Pat.-Anw. Dr. Ruschke . ^α „,..ut ιλιιι in Pat.-Anwalt Agular

Telefon: 0311/«™ Dipl.-Ifig. H E [NZ AG U LAR _Te|efon: «HI/«»»

Postscheckkonto: PATENTANWÄLTE . Postscheckkonto-Berlin West 74 94 1 C / ") Q 1 ß München 662 77 Bankkonto: I D H Z O I Q Bankkonto: Bank f Handel u Industrie _{Dresdner Bank} Depositenkasse 32 _Münch(Jn Berlin 33 „ „ , ,, . „ Teplitzer Siraße 42 ^f/«! ^{LeopoldstraBe} Kto. 327606 ■ Kto. 59 515 Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresse:

Quadratur Berlin Quadratur München

D 1568

The Dow Chemical Company,, Midland, Michigan, ¥.3t,Ä.

Durchlässigkeitstrennvorriehtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte und besonders wirksame und leistungsfähige Durchlässigkeitstrennvorrichtung sowie ein Verfahren zum Aufbau einer solchen Vorrichtung. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine solche Vorrichtung, die aus einer Vielzahl hohler Pasern einer selektiv durchlässigen Membran besteht.

Es ist eine Vielzahl von Membranen bekannt, die in verschiedenem Maße die Eigenschaft haben, für verschiedene Bestandteile fließfähiger Gemische selektiv durchlässig zu sein. So lassen z.B. einige Membranen Wasser durch, während sie Ionen zurückhalten. Andere Membranen lassen selektiv. Ionen in Lösung durch. Weitere Membranen besitzen selektive Durchdringungsgeschwindigkeiten für zwei oder mehr nichtionische Bestandteile fließfähiger Gemische. Weitere Arten

009130/1677

von Membranen sind die sogenannten Molekularsiebe, wie —^ diejenigen, die zur Dialyse verwendet werden. Diese können oft Ionen oder andere Materialien durchlassen, beschränken jedoch den Durchgang von Bestandteilen mit hohem Molekulargewicht, oder sie eignen sich dafür, nur Fraktionen gegebener Materialien mit bestimmtem Molekulargewicht in Abhängigkeit von der tatsächlichen Molekulargröße und Verhältnissen davon durchzulassen.

Die Rückwärtsosmose (reverse osmosis)oder Ultrafiltrierung ist eine der praktischsten Anwendungen der Durchlässigkeitstrennung. Wenn z.B. eine Lösung auf der einen Seite einer osmotischen Membran vorbeigeführt wird und das entsprechende Lösungsmittel auf der gegenüber liegenden Seite der Membran angeordnet wird, wird das Lösungsmittel durch die Membran in die Lösung übergehen. Die diesen Übergang verursachende Kraft verändert sich mit dem Charakter und der Konzentration der dabei mitwirkenden Lösung. Diese Kraft ist als der spezifische osmotische Druck für diese Lösung bekannt.

Wenn ein Druckdifferential an die Lösung in Gegenwirkung zu irgendeinem Druck angelegt wird, der auf die Lösungsmittelseite der Membran ausgeübt wird und der den spezifischen osmotischen Druck des Systems übersteigt, dann wird eine "Rückwärtsosmose·¹ oder Ultrafiltrierung bewirkt. In solchen Fällen wird das Lösungsmittel von der

009839/1677

Lösung durch die Membran gedrückt, während die Ionen am Durchgang durch die Membran gehindert werden. Wenn ein Membranmaterial verwendet wird, welches für eine selektive Durchlässigkeit solcher fließfähigen Medien geeignet ist, arbeitet der RückwärtsosmoseVorgang bei oder über dem vorgeschriebenen Druck für beinahe alle fließfähigen Medien.

Beträchtliche Drücke werden im allgemeinen benötigt, um die Rückwärtsosmose zu erzielen. Pur in der Wirtschaft verwendete wässrige ionische Lösungen sind mindestens 7,5 atm notwendig. Da die Geschwindigkeit des Massenübergangs in direkter Beziehung zum Druckdifferential steht, erfordert der leistungsfähige Bereich der Rückwärtsosmose üblicherweise Drücke, die viele Male so hoch sind.

Trotz der innewohnenden Vorteile von Trennungssystemen mit durchlässigen Membranen wurden diese Geräte nur in sehr begrenztem Maße im wirtschaftlichen Rahmen angewendet, ja sogar fast gar nicht, zu welchem Zweck auch immer. Dies hat seinen Grund im wesentlichen in der verhältnismäßig wenig leistungsfähigen Übergangsgeschwindigkeit der gewünschten Bestandteile von der einen Seite der Membran zur anderen.

Ein wesentlicher Grund für die geringe Leistungsfähigkeit der allgemein bekannten und hier beschriebenen

009839/1677

Gerätetype liegt in dem besonderen Entwurf des Membransystems, in welchem die Trennung bewirkt wird. Wenn flache Platten einer durchlässigen Membran verwendet werden, dann müssen diese gewöhnlich gegen die von dem Druckdifferential, welches zur Bewirkung der Durchdringung notwendig ist, ausgeübten Kräfte gestützt werden. Die Fläche der Membran, durch die der gewünschte Bestandteil fließen kann, ist dementsprechend auf diejenigen Bereiche beschränkt, wo der Ausfluß des fließfähigen Mediums nicht durch das Stützgebilde gestört wird.

Die wirtschaftliche Verwendung von Durchlässigkeit smembrane η hat sich in erster Linie auf dünne einflächige Membranen gerichtet, die starr von mit Nuten versehenen, perforierten oder porösen Unterlagen getragen werden. Offensichtlich ist bei einer solchen Anordnung eine Membranplatte von übermäßig großer Fläche oder eine Vielzahl solcher Platten notwendig, um überhaupt praktische Ergebnisse zu erzielen. Bei solchen Einrichtungen entstehen "tote" Flächen, die in der Tat Abschnitte darstellen, welche für die Durchdringung nicht ausnutzbar sind. Diese Flächen entstehen an den Stellen, wo die Membranen gegen die Unterlagen in dem Apparat gepreßt werden. Infolgedessen verringert sich die für die Durchdringung zugängliche "freie" Fläche gemäß der gesamten ""boten" Fläche, die zur Unterstützung der Membran benötigt wird.

Viele dieser Schwierigkeiten können überwunden wer-

009639/1677

den durch die Verwendung kontinuierlicher hohler Fasersegmente, die üblicherweise praktisch Seite an Seite parallel zueinander und in flüssigkeitsdichter Anordnung an jedem Ende der Segmente angeordnet sind. Die Verwendung hohler Fasern aus einem Membranmaterial hat den Vorteil, daß sich die Membran selbst gegen innerhalb und außerhalb der Faser aufgebrachte Brücke stützt. Bei der Zusammenstellung einer Vielzahl von Pasern zu ausreichenden Gesamtmembranfläehen, durch die der Fluß geleitet werden kann, können jedoch einige Anordnungen von FasernMindeln die Gesamtdurehdringungsrate aufgrund der Tatsache verringern, daß dort, wo benachbarte Fasern miteinander in Berührung stehen, ein Ausfluß oder Eintritt des fließfähigen Mediums behindert wird. Darüber hinaus beeinträchtigt eine solche Berührung und Nähe die Fließgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums an der Außenseite der hohlen Faser.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Unzulänglichkeiten und Nachteile bis jetzt bekannter Techniken und Verfahren auf diesem Gebiet in vorteilhafter und äußerst günstiger Weise.

Die vorliegende Erfindung betrifft besonders eine selektiv durchlässige Membranzusammenstellung, die aus einer Vielzahl von kontinuierlichen hohlen Fasersegmenten besteht, welche um einen tragenden Kern in der Form von praktisch zylindrischen Spiralbogensegmenten angeordnet

009839/1677

sind. Die Enden jedes Segmentes werden in flüssigkeitsdichter Anordnung in einer Einlaß- oder Auslaßverzweigung gehalten. Die Membranzusammenstellung besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Schichten der Segmente in kreuzweiser Anordnung, so daß die Segmente der einen Schicht quer über den Segmenten der vorhergehenden Schicht liegen und die Segmente jeder Schicht praktisch parallel im Abstand voneinander liegen. Die Einlaß- und Auslaßverzweigungen sind bequemerweise so angeordnet, daß sie eine sich in Längsrichtung erstreckende Rohrplatte bilden, wobei vorzugsweise mindestens eine Längsrohrplatte für jede Membranzusammensteilung verwendet wird.

Die Membranzusammenstellung der Erfindung kann in bequemer Weise dadurch hergestellt werden, daß man in Spiralform eine oder mehrere kontinuierliche hohle Fasern auf einen Tragkern aufwickelt und ein aushärtbares Harz in einer Längszone des Kernes auf die Faserwicklungen aufbringt. Nach dem Aushärten des Harzes zur Erzielung einer flüssigkeitsdichten Bindung für die Fasern werden öffnungen hergestellt, indem Nuten eingeschnitten oder Löcher in das Harz gebohrt werden, um die Windungen zu durchschneiden. Üblicherweise werden Mehrfachschichten von Kreuzwicklungen hergestellt, und das Harz wird auf mindestens eine Zone praktisch parallel zur Kernachse aufgebracht. Vorteilhafterweise wird Harz mit oder auf jeder Schicht der Wicklungen abgelagert. Es kann jedoch zweck-

009839/1677 J" ^{folet Selt8 8)}

mäßig sein, das Harz erst dann aufzubringen, nachdem die Wicklung fertiggestellt wurde. Man kann eine Lösung des Harzes in einem flüchtigen Lösungesmittel verwenden, wobei in diesem Pail das Harz durch Verdampfen des Lösungsmittels abgesetzt wird. Epoxydharze sind besonders zur Verwendung bei dem Verfahren der Erfindung geeignet.

Sei der Herstellung der Einlaß- und AuslaßÖffnungen ist es vorzuziehen, wenn jede hohle Faser mindestens einmal für jede Windung der Wicklung durchschnitten wird. ' Dies wird leicht erreicht, indem man mindestens eine kontinuierliche Nut in das Harz schneidet. Nach einer anderen Möglichkeit kann man eine Reihe von Löchern radial in das Harz bohren, und zwar vorzugsweise von einer Größe und in einer solchen Anordnung, daß jede Faser bei jeder Windung der Wicklung durchschnitten wird.

Zur Verwendung der selektiv durchlässigen Membranzusammenstellung der Erfindung ist es notwendig, ein ä geeignetes Gehäuse vorzusehen, welches Einlaß- und Auslaßöffnungen sowie eine Flüssigkeitsabdichtungsvorrichtung aufweist, so daß getrennte Berührungen des fließfähigen Mediums mit den Innen- und Außenoberflächen der hohlen Fasersegmente hergestellt werden können.

Verschiedene Materialien können verwendet werden zur Herstellung der durchlässigen, kontinuierlichen, hoh-

009839/1677

len Fasern, die zur praktischen Durchführung dieser Erfindung geeignet sind. Die meisten dieser Materialien sind organische Materialien» z.B. polymere Materialien, wie Aeetat-, Triazetat-, Propionat- und Nitratester der Zellulose, einschließlich der Mono-, Di- und Triester und der Gemische solcher Ester; Zelluloseäther, wie Methyl-,

Äthyl-, Hydroxyalkyl- und Karboxyalkyläther, einschließ-

t/ lieh gemischter Zelluloseäther; regenerierte Zellulose; Polyvinylalkohole ι Polysaccharide; Kasein und seine Derivate« Die oben genannten Materialien sind von hydrophilem Charakter und sind vorteilhafter in der Behandlung von wässrigen Flüssigkeitszueammensetsungen.

lur Trennung von organischen Bestandteilen aus fließfähigen Gemischen sind jedoch verschiedene hydrophobieche Materialien besondere geeignet, wie synthetische lineare Polyamide, Polykarbonate, Polyvinylchlorid und seine Mischpolymere, Polyvinylidenchlorid und seine Mischpolymere', Acrylesterpolymere, organisch· Siliconpolymere, Polyurethane, Polyvinylformale und Butyrale und Mischungen davon, Methacrylatpolymer«, Styrolpolymere, Polyolefine, wie Polyäthylen, Polypropylen und andere Polyester, und Gemische der oben genannten Materialien. Acrylnitrilpolymere' und auch bestimmte Zellulosederivate, wie gemischte Ätherester, können modifiziert werden, um sie entweder hydrophil oder hydrophob zu machen, je nach-

009839/1677

-4ft-

dem welche Eigenschaft in der praktischen Durchführung dieser Erfindung erwünscht ist.

Alle diese oben genannten Materialien sowie andere geeignete durchlässige hohle Pasern bildende Materialien, einschließlich Glas, können gemäß dieser Erfindung zur selektiven Trennung verschiedener Bestandteile eines fließfähigen Mediums, wie sie hierin beschrieben wird, verwendet werden, und wo die Hohlfasermembran entweder direkt brauchbar oder so abgeändert ist, daß sie für lonenaustauschzwecke geeignet ist, können solche hohlen Fasern zum Ionenaustausch nach dem praktischen Verfahren dieser Erfindung verwendet werden.

Im allgemeinen werden diese Fasern nach den Schmelz-, Trocken- oder Uaßspinntechniken gesponnen, und zwar in Abhängigkeit von den bestimmten faserbildenden Materialien, die verwendet werden. Die Spinndüse wird gewäß der Art des verwendeten Spinnvorganges und gemäß den bestimmten gewünschten Abmessungen der hohlen Faser ausgewählt. Zur Herstellung der hohlen Faser hat die Spinndüse f eine kleine ringförmige öffnung im Auslaß, durch die die Spinnzusammensetzung ausgepreßt wird.

Als typisches Beispiel wird Zellulosetriacetat zu kontinuierlichen hohlen Fasern in einem Naßβpinnverfahren versponnen, bei welchem das Zellulosetriacetat zusammen mit irgendeinem als zweckmäßig eraohteten Weichmacher oder Modifizierungsmittel, um eohließlieh d«n durchlassi-

009838/1877

-44-

gen Charakter zu erzeugen, in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst wird, um eine viskose Spinnlösung zu ergeben. Diese Lösung wird durch die Spinndüse in ein Fällbad ausgepreßt. Sobald die ausgepreßte Lösung mit dem Bad in Berührung kommt, fällt oder geliert das

einer

Zellulosetriacetat in der gewünschten Form -ester kontinuierlichen hohlen. Paser mit gleichförmiger Wandstärke. Wenn das fällbad dafür geeignet ist, dem Fasermaterial eine Durchlässigkeit zu verleihen, dann wird diese Eigenschaft der Paser direkt verleihen. Wenn das Fällbad nicht so zusammengesetzt ist, dann wird die Faser.in ein zweites Bad geleitet, um diese Funktion zu erfüllen. Die hohle Faser wird dann durch Waschen vom Lösungsmittel oder von Reagentien gereinigt und dann entweder direkt bei der Herstellung einer spiralgewickelten Zusammenstellung gemäß der Praxis dieser Erfindung verwendet oder auf einer Spule oder einem anderen geeigneten Gerät für eine spätere Verwendung gespeichert.

Gemäß dieser Technik können extrem feine hohle Fasern hergestellt werden. Die Wanddicke ist vorzugsweise ausreichend, um dem Druck zu widerstehen, welcher "' bei der folgenden Durchlässigkeitstrennung, bei der diese Fasern verwendet werden, aufgebracht wird. Es wurde gefunden, daß die kleinen Durchmesser dieser feinen hoklen Pasern es den sich selbst tragenden Membranwänden der Faser gestatten,, beträchtlichen Drücken su widerstehen«

009839/1677

im

Es wird allgemein bevorzugt, daß der Außendurchmesser der hohlen Fasern 350 und vorzugsweise 300 Mikron nicht überschreitet. Die Außendurchmeaser liegen vorzugsweise im Bereich von 10 bis 50 Mikron. Vorteilhafterweise wird ein Verhältnis von Wandstärke zu Außendurchmesser von 1/8 bis 1/3 bei den hohlen Fasern verwendet. Vorteilhafterweise liegt die Wandstärke der Fasern im Bereich von 1 bis 80 Mikron, vorzugsweise von 2 bis 15 Mikron. Wandstärken unter diesem Bereich können zur Folge haben, daß sie den gewünschten Drücken nicht widerstehen, wogegen " Stärken über diesem Bereich den Durchdringungswiderstand durch die Faserwand erhöhen. Offensichtlich werden sich diese Eigenschaften etwas mit dem bestimmten verwendeten Material und auch mit der bestimmten verwendeten Art der Trennung verändern.

Die Obergangsfläche einer Durchlässigkeitszelle dieser Erfindung verändert sich gemäß den verschiedenen Abmessungen der hohlen Faser, gemäß der Art der verwendeten Wicklung auf dem Tragkern und mit Länge, Innen- und λ Außendurchmesser des gewickelten Bündels.

In den beiliegenden Zeichnungen, auf die im folgenden genauer eingegangen wird, ist

Fig. 1 eine Ansicht einer Patrone spiralgewickelter hohler Fasern, die auf einen inneren zylindrischen Kern aufgewickelt sind, mit einer gebohrten Rohrplatte;

Fig. 2 eine Darstellung einer Patrone mit zwei Längs-

009839/1677

"λ"

rohrplatten, wobei Rohrplattenabdeckungen gezeigt werden;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der einen Technik zur Herstellung der Patrone gemäß dieser Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Technik zur Herstellung der Patrone dieser Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zur Herstellung der Patrone dieser Erfindung brauchbaren Apparates;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Gesamtgebildes der einen Ausführungsform einer Durchlässigkeitszelle, die die Patrone der vorliegenden Erfindung verwendet, und die

Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer Durchlässigkeitszelle, die drei in Tandem angeordnete Patronen verwendet.

Die in Fig. 1 dargestellte Patrone besitzt einen Innenkern 10, um den eine Anzahl von Schichten hohler Fasern 11 herumgewickelt ist. Eine starre Rohrplatte 12 aus Harz und mit rechteckigem Querschnitt ist in Längsrichtung des Kernes 10 und praktisch senkrecht zur Längsachse der Fasern 11 angeordnet und bettet den Bogen der darin eingeschlossenen Fasern 11 ein und dichtet ihn ab. In der dargestellten Aueführungeform sind Löcher 13 ra-

009839/1677

dial von der äußeren Ifafangsoberfläche der Rohrplatte durch den Kern 10 gebohrt. Es werden nur wenige solcher löcher 13 gezeigt, doch ist selbstverständlich, daß die größte Wirksamkeit nur dann erzielt werden kann, wenn Anzahl und Anordnung der Löcher so gewählt sind, daß jede Windung der Faser 11 durchschnitten wird. Andere Mittel zum Durchschneiden der Faser in der Rohrplatte durch Fräsen von Längsschlitzen oder durch andere bekannte Schnittechniken können ebenfalls verwendet werden. Ein Kanal oder eine Leitung 14 ist an der Innenober- ™

fläche des Kernes 10 befestigt, um den durchgelassenen Bestandteil (permeate, Permeat) vom Inneren der Fasern, der aus dem Inneren der Faser zu öffnungen 13 in der Rohrplatte 12 geflossen ist, zu sammeln. Eine Rohrplattenabdeckung (nicht gezeigt) wäre dabei an der äußeren ümfangsoberflache der Rohrplatte 12 zu befestigen, um alle öffnungen 13 abzudecken.

In Fig. 2 wird eine im allgemeinen ähnliche Patronenkonstruktion dargestellt; die zwei Rohrplatten 12 ä mit miteinander in Verbindung stehenden Leitungen 14 und Abdeckplatten 49 zeigt.

In der Anordnung der Fig· 1 ist die wirksame Länge der hohlen Fasern die Länge einer Windung rund um den Kern. Bei dieser Anordnung ist die große Oberfläche einiger bekannter geräte beibehalten, während die Wirksamkeit der Patrone verbessert, die Baueinzelheit verbes-

009839/1S77

sert und die Herstellung der Patrone erleichtert sind. In Fig. 2 ist die wirksame Länge der Fasern gleich der Hälfte des Umfanges. Es können auch drei oder mehr Rohrplatten verwendet werden, wobei die günstigste Anzahl von den sohließlichen Verwendungsbedingungen und anderen Parametern abhängt.

Der tragende Kern kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, welches den Bedingungen widersteht, denen es während der Herstellung und der Verwendung der Durchlässigkeitszelle ausgesetzt ist. Vorzugsweise besteht der Kern aus einem Metall, welches keine nachteiligen Wirkungen auf das Fasermaterial ausübt und welches gegenüber dem zu behandelnden fließfähigen Medium inert ist.

In den verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung, bei denen die hohlen Fasern auf einen tragenden Kern aufgewickelt sind, hängt die Frage, ob der Kern perforiert sein soll oder nicht, von der Art des Flusses und anderen Bedingungen ab unter denen das Faserbündel zu verwenden ist. Die Größe und die Anordnung der Perforationen in diesem Kern wird bestimmt gemäß den besonderen gewünschten Fließbedingungen,

Obwohl auf "perforierte" Kerne Bezug genommen wurde, ist es auch möglich, in der Praxis dieser Erfindung Kerne zu verwenden, die aus einem Metall- oder Kunststoff sieb, aus poröser Keramik, aus ausgebranntem (fritted) G-las oder ausgebrannt em Metall hergestellt eiaeT« Weju.i ein

009839/1677

-♦6-

jts

von poröser Art erwünscht ist, dann ist es nur notwendig, daß der Kern von ausreichender Festigkeit ist, um die Fasern zu stützen und den Durchfluß des fließfähigen Mediums ohne Auseinanderfallen des Kernmaterials oder Reaktion mit dem hindurchtretenden fließfähigen Medium zu erlauben.

Darüber hinaus können anstelle des zylindrischen Kerns Kerne mit anderen Querschnittsabmessungen ebenfalls verwendet werden, wie z.B. mit hexagonalem, oktagonalem, _ ellyptischem Querschnitt usw.. In einigen Fällen kann es sogar zweckmäßig sein einen Kern zu verwenden, der leicht kegelig ist, so daß er die Form eines Kegelstumpfes hat. Diese Form kann dazu verwendet werden, die Faserschrumpfung zu kompensieren, indem die Fasern auf den einen Abschnitt des Kegelstumpfes mit größerem Durchmesser gewickelt werden und das Faserbündel dann beim Schrumpfen zum Abschnitt mit geringerem Durchmesser rutschen kann.

Die Größe des Kerns wird bestimmt durch wirtschaftliche Betrachtungen und die Leichtigkeit der Handhabung f und Herstellung des Kerns und der damit aufgebauten Durchlässigkeitszeile. Ein besonders geeigneter Kern ist ein Kern von 30,3 cm Länge, etwa 9»5 cm Innendurchmesser und 10,8 cm Aufendurchmesser, obwohl auch Kerne von nur 1_f27 cm Außendurchmesser verwendet werden können. Die Dicke.der Wicklung wird in erster Linie durch die Leiohtigkeit der Handhabung und des Zusammenbaus der Durchlässig-

009839/1677

keitszelle bestimmt, sowie durch die Fähigkeit, angemessene Fließgeschwindigkeiten durch das Bündel beizubehalten. Im allgemeinen ist eine Dicke von 1,27 bis 25,4 cm vom Innendurchmesser der Wicklung zum Außendurchmesser vorteilhaft, wobei vorzugsweise eine Dicke von 10,1 bis 20,3 cm verwendet wird.

Die langgestreckte Rohrplatte 12 kann aus irgendeinem geeigneten Gießharz bestehen. Die Harzzusammensetzung sollte so gewählt sein, daß eine angemessene Bindung der Fasern erzielt wird, geeignete Maschinenbearbeitungseigenschaften vorliegen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften vorhanden sind, um der flüssigen Umgebung zu widerstehen, in welcher die Patrone zu verwenden ist. Epoxyharze wurden als besonders geeignet zur Bildung der Bohrplatte ermittelt. Jedes Gießharz, welches die Fasern nicht nachteilig beeinflußt und welches die gewünschte Haftung und die Festigkeitseigensohaften aufweist, kann jedoch für diesen Zweck verwendet werden. Typische Beispiele anderer geeigneter Harze sind: Phenolaldehydharze, Melaminaldehydharze, in der Wärme aushärtende Kunstkautschuke, Acrylharze usw.. Zusätzlich dazu, daß das Harz und das lösungsmittel, in welchem dieses aufgebracht'wird, zum Faeermaterial inert sind, ist es notwendig, daß die Harzlösung eine auereichende Fließfähigkeit hat, um zwischen die Fasern einzudringen und den Raum vollständig auszufüllen, daß ei« eine geeig-

009839/1877

nete Haftung mit den Pasern besitzt und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bei den bestimmten Drücken und Temperaturen bildet, denen das fertige Produkt ausgesetzt werden soll.

Epoxyharze sind besonders geeignet für diesen Zweck aufgrund ihrer inerten Eigenschaften gegenüber Lösungsmitteln und der chemischen Korrosion, ihrer Aushärtungseigenschaften und ihrer Fähigkeit, flüssigkeitsdichte Abdichtungen unter Bedingungen zu erzielen, denen die Durchlässigkeitszelle ausgesetzt werden soll.

Besonders geeignete Epoxyharze sind diejenigen, die vom Diglycidyläther von Bisphenol abgeleitet sind zusam-

men mit geeigneten Modifizierungs- und Härtungsmitteln. Andere Epoxyharze können jedoch ebenfalls verwendet werden, wie die Diglycidyläther des Resorcins, Dihydroxydiphenyl, Hydrochinon usw.. Diese können verändert werden durch den Zusatz von verändernden Harzen, vorzugsweise Aminoharzen, und von geeigneten Härtungsmitteln und Lösungsmitteln. Gewisse Materialien können verwendet werden, um sowohl als Lösungsmittel als auch als Teilnehmer an der Aushärtreaktion zu dienen, wie flüssige Aminosäuren.

Ein besondere geeignetes Gießmaterial besteht aus 14,7 Teilen des Diglycidyläthers von Bisphenol, 1,1 Teilen von Dimethylaminopropylaain und 6,8 Teilen von Soya-1,3-

Wo propylendiamin als Härtungijsittel. *«KJc _ββ zweckmäßig ist,

009839/1177

-49-

eine Grundierung auf die Metalloberflächen aufzubringen, an welcher das Gießharz haftet, besteht eine sehr geeignete Zusammensetzung aus 10 Teilen von Diglycidyläther des Bisphenols, 2,7 Teilen des N-(2-phenyl-2-hydroxyäthyl)-diäthylentriamin und 7_f3 Teilen Aceton.

In Fig. 3 wird ein Schema zur Herstellung von Patronen, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, gezeigt. In diesem Schema ist ein Kern 18 auf einem Dorn 17 befestigt, der an einer sich hin und her bewegenden Kraftvorrichtung (nicht gezeigt) befestigt ist. Ein rotierender Ring 16 mit einer Faserführung 15 ist rund um den Kern 18 angeordnet. Die hohle Faser wird von einer Quelle durch die Führung 15 geleitet_r um auf den sich hin und her bewegenden Kern 18 aufgewickelt zu werden. Der Winkel, in welchem die Faser aufgewickelt wird, wird bestimmt durch die Drehgeschwindigkeit des Ringes und die lineare Geschwindigkeit des Kernes 18. Eine etwas andere Ausführungsform wird in Fig. 4 gezeigt, in welcher der Kern 21 feststeht und sowohl Ring 20 als auch Führung 19 sich um den Kern drehen und an dem Kern 21 hin und her bewegen.

In jedem Schema gemäß den Figuren 3 und 4 ist eine das Harz aufbringende Vorrichtung (nicht gezeigt) vorge sehen, die eich entlang einer Längslinie des Kernea (18, 21) hin und her bewegt. Demnach kann das Harz auf die aufgewickelten Pasern aufgesprüht, gewalzt oder gepreßt

009839/1677

werden. Obgleich das Wickeln der Fasern gewöhnlich ein kontinuierlicher Vorgang ist, kann die Harzaufbringung intermittierend sein, so daß eine Schicht oder ein Streifen des nicht ausgehärteten Harzes aufgebracht wird, die Fasern darauf gewickelt werden, dann ein weiterer Streifen des Harzes aufgebracht wird usw.. Nach einer anderen Möglichkeit kann die Harzaufbringung kontinuierlich vor sich gehen, wobei die Vorrichtung in einem festen Abstand vor der Faserwicklung steht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Patronenher- % stellung wird in Tig. 5 gezeigt. Dabei ist ein Kern 45 auf einem Born (nicht gezeigt) befestigt, der mit einer geeigneten, sich hin und her bewegenden Kraftquelle verbunden ist. Faserpackungen 44, die auf an dem Bett befestigten Spindeln befestigt sind, liefern hohle Fasern 48 einzeln oder in Bündeln aus einer Vielzahl von Hohlfasern durch die im Hing 46 befestigten Faserführungen 43 zum Kern 45. Der Hing 46 und das Bett 42 sind starr miteinander verbunden, um ein Verdrehen der Fasern 48 während der Drehung zu verhindern. Im Betrieb wird der Kern 45 durch die Mitte des Hinges 46 über eine Strecke seiner Länge hin und her bewegt. Der vom Bett und dem Hing 46 gebildete Käfig dreht sich um eine Achse durch die projizierte Mitte des Kernes 45* Die dae Harz aufbringende Vorrichtung 47 ist an einem Punkt über dem Kern 45 befestigt, um Harz auf den Kern vor den Faeerwick-

009839/1677

to

"lungen 48 aufzubringen. Mit Hilfe dieser Ausführungsfοrm kann eine Vielzahl von Faserbündeln bei jedem Durchgang des Kernes 45 aufgebracht werden.

Nach dem Wickeln wird das Harz in der Rohrplatte nach bekannten Verfahren ausgehärtet, z.B. indem es erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Bei all diesen Verfahren muß darauf geachtet werden, daß die hohlen Fasern auf der Grenzfläche zwischen der Faser und der Rohrplatte nicht nachteilig beeinflußt werden.

Die ausgehärtete Rohrplatte wird dann radial nach innen geschnitten, um jede Windung der Faser zu durchschneiden. Das Schneiden kann auf viele Arten vorgenommen werden. Z.B. kann eine Reihe von Löchern von der Außenoberfläche der Rohrplatte radial nach innen zur Kernoberfläche oder durch den Kern hindurch gebohrt werden. Die Größe, die Anzahl und die Anordnung der Löcher sind so, daß jede Faser mindestens einmal in jeder Windung durchschnitten wird. Ob die Löcher den Kern durchdringen oder nicht, hängt von der gewünschten Anordnung der verbindenden Leitungen ab. Wenn die Löcher durch den Kern gebohrt werden, dann wird ein Kanalteil, z.B. der Kanal 14 der Fig.1, an der Innenoberfläche des Kernes abgedichtet, um die gesamte die gebohrten Löcher umschließende Fläche zu umfassen. Auslaßvorrichtungen können dann an der Leitung befestigt werden, um Flüssigkeiten aus dem Trennelement nach außen zu befördern.

009839/1877

Uach einer anderen Möglichkeit können die Löcher an der inneren Windung der hohlen !Fasern enden. In diesem Pail können Nuten in die Außenoberfläche der Rohrplatte gefräst werden, um mit allen Löchern in Verbindung zu stehen. Ein Auslaß kann durch die Rohrplatte zum Beispiel durch das eine Ende gebohrt werden, so daß Flüssigkeiten vom Inneren der Fasern aus dem Trennelement durch den gebildeten Kanal laufen können, wenn eine Deckplatte (49 in Fig. 2) auf der Rohrplatte befestigt ist.

Die gleichen Prinzipien gelten für andere Mittel ™ zum Durchschneiden der Fasern. Solche anderen Mittel sind dem Fachmann bekannt.

In Fig. 6 wird ein brennelement gezeigt, welches zwei in Tandem in einem Druckgefäß 30 aufgebaute Patronen 25 verwendet. Die gezeigten Packungen haben radiale Löcher 28, die in die Rohrplatten 23 gebohrt sind und mit

r
den Faserkeiien in Verbindung stehen, und die Löcher 28 verbinden mit einem Permeatkanal 27 innerhalb des Packungskernes. Die Kanäle 27 der beiden Packungen 25 sind mit- ä einander und mit einem Auslaß 22 für das durchgelassene fließfähige Medium an der Spitze der Zelle verbunden.

Die äußeren Enden der beiden Packungen sind gegen eine mittlere Tragstange abgedichtet. Eine Stauscheibe 29 ist zwischen den Packungen 25 vorgesehen. Zweck der Scheibe 29 ist es, den Fluß des fließfähigen Mediums, welches nit der Aufienetit· der Fasern in Berührung steht,

$$ß 839/1877

»a

von außen nach innen "bei der unteren Packung und von innen nach außen bei der oberen Packung zu leiten. Die Stauplatte 29 und die Stopfen an den äußeren Enden der Packungen brauchen keine Hochdruckdichtungen aufzuweisen. Diese Dichtungen brauchen nur der Druckdifferenz zu widerstehen, welche von dem Fluß de» fließfähigen Mediums entwickelt wird.

Der Zweck des umgedrehten Flußweges von einander abwechselnden Packungen in Tandemanordnung liegt in der Erleichterung der Auswaschung. Wenn sich kleinteilige Stoffe in dem zugeführten fließfähigen Medium befinden, dann werden sich diese an der Außenoberfläche der unteren Packung ansammeln. So kann periodisch z.B. der Salzwasserfluß umgedreht werden, um die angesammelten Peststoffe zu entfernen. Ein Auslaß 24 ist am Gefäß 30 installiert, um das herausfließende fließfähige Medium zu entfernen, nachdem es durch die Trennvorrichtung in den Patronen 25 geschickt wurde. Die durchgelassene Flüssigkeit wird von der leitung 27 aus dem Auslaß 22 des Gefäßes 30 geleitet, um jiin einem geeigneten Mittel gesammelt zu werden.

Die Pig. 7 zeigt sechs Packungen 341 die in Tandemform in einer Bohrzelle mit abwechselnd umgedrehtem Salzlösungsfluß 35 eingebaut sind. -Diese Zellenkonstruktion verringert die Kosten der Zelle auf ein Minimum. In diesem Falle besteht sie aus eine« Rohr, dessen eines Ende ge-

009839/1677

-84-

schlossen ist und dessen anderes Ende einen Flansch, aufweist. Die Packungen 34 sind auf der mittleren Tragstange zusammengebaut, und die Auslaßöffnungen für das durchgelassene fließfähige Medium sind verbunden. Die Reihe der Packungen 34 ist in dem Gehäuse aufgebaut und es besteht eine externe Verbindung 33 für das durchgelassene* fließfähige Medium. Die Salzlösung wird am Einlaß 31 eingeführt, und die zwischen den Pasern hindurchtretende Lösung wird am Auslaß 32 abgelassen. Die Anzahl der Packungen in Tandemanordnung wird begrenzt durch den Gesamtdruckabfall aufgrund des Flusses des fließfähigen Mediums in Reihe durch die Packungen 34. Bei der Rückwärtsosmose würde dieser Druckabfall die erhältliche treibende Kraft verringern. Eine maximale Brauchbarkeit und Leistungsfähigkeit wird erhalten, wenn die Anzahl der in Reihe liegenden Packungen etwa 10 beträgt.-

Bei der Entsalzung wird das zugeführte Seewasser in das eine Ende der Zelle mit einem Druck gepumpt, welcher den osmotischen Druck der Lösung übersteigt. Frisches Wasser, welches die Wände der hohlen Fasern aufgrund der Rückwärtsosmose durchdringt, wird durch die Auslaßöffnung für das durchgelassene fließfähige Medium abgelassen. Das Seewasser fließt der Reihe nach durch die Packungen und wird zunehmend konzentriert. Ein Teil der Druckenergie in der entladenen Sole wird wiedergewonnen durch eine Impulaturbine.

009839/1677

-Mill

Das vorliegende erfinderische Konzept wird durch, das folgende Beispiel veranschaulicht.

Beispiel 1

Ein Durchlässigkeitsgerät mit langgestreckter

Eolirplatte wurde mit einem 16-adrigeii Bündel hohler Zellulosetriacetatfasern hergestellt» die.einen lußenturoiSHesser von 41 Mikron und einen Innendurchmesser von 21 Mikron aufwiesen. Während des Spinnens wurde das ls,s©2?btindel spiralförmig auf sinss IPsippkem alt eines /Liifiisjnievii ekler auf gewickelt * Si^r Hsrstellung dss LursJalässigkeitsgerätes wurde äss Bilnäsl "Tom. Ende übt Pa&fcnag clvi^sli eins Führung alsgewiuäsltj aia Jioii sit 373 Umdre-Iimigsü pro Minute drehte, nai öif ^insn sylinarisclissi Ζθώι iß einer osailliersnden *tfiül:^;3l2is,sßiiine "bei 25 Βηοφώ 3© Miaute und einer Hublänge ma 12,6? cia aufgewickelte 3is so aufgebauten Pasern wogsn 375 g» Der Eera war 16-,5 Gia lang UEd bestand aus -aises HassiBgroiir' alt "10-16 cm Außenö-urciiiiiesseri Uas Tizhi- ^ar in der 3Iitts ij;

-Λΐ-ί"ΰr.2.- eier Ssiir'olatts "orf criw;r^;;_;

J „_

■..■Jit-.J.-.^.-Ci,

ϊ: 1» ·5 j i . \

1.4 io nichtionisehes oberflächenaktives Mittel 37,4 fi Maleinsäureanhydrid

1,0 ia N-methylmorpholin

2.5 $ Kolloidaler Kieselsäureverdicker

Ws- i'end des Wiederaufwickelns auf den Kern wurde das Rohrplattenharz intermittierend durch eine hypodermatische Nadel auf die laserpackung ausgepreßt. Das Harz wurde bei 50⁰O über Nacht zu einer Rohrplatte ausgehärtet, die die Länge der Paserwicklungen und eine Breite von 5,1 cm aufwies.

Nachdem das Harz ausgehärtet war, wurden zwei Reihen von Löchern mit 4»76 mm Durchmesser radial durch die langgestreckte Rohrplatte gebohrt, um auf diese Weise jede Windung der Pasern zu durchschneiden. Die Mitten der Löcher in jeder Reihe besaßen einen Abstand von 4 mm, und die Reihen lagen im Abstand von 9,5 mm voneinander.

Die Löcher erstreckten sich nicht durch den Messingkern. Kanäle von 3,18 mm Breite und 4,76 mai Tiefe wurden in die Außenfläche der Rohrplatte gefräst, um Verbindungs- f ausgange für alle Permeatlöcher zu bilden. Nach dem Fräsen wurde die Außenfläche der Rohrplatte mit Epoxyharz-Paserglas abgedeckt und gehärtet. Ein Loch wurde dann in das Ende der Rohrplatte gebohrt und eine Rohrverbindung als Auslaß angebraoht.

Die Packung wurde in ein Druckgefäß eingebracht, und Salzwasser (leicht verdünntes Seewasser mit 18 g/l ge-

löstem^SaIz) wurde radial durch, die Packung über die Außenseite der Pasern bei 43 atm gepumpt. Das durchgelassene fließfähige Medium wurde am Auslaß mit einer Geschwindigkeit von 1,9 bis 2,4 cm /min gesammelt. Die Analyse des Permeats ergab 3»4 g gelöstes Salz insgesamt je liter.

Das Konzept der Erfindung kann bei einer Vielzahl von Trennungen verwendet werden, für welche die folgenden beispielhaft sind:

1. Seewasserentsalzung durch Rückwärtsosmose, bei der das Seewasser durch die Paserkerne gepumpt wird.

2. Wasserentfernung durch Osmose, wie zur Konzentration von Fruchtsäften. Der Fruchtsaft wird über die Faseraußenseite gepumpt, und eine wässrige Lösung von hoher osmotischer Stärke wird durch die Kerne gepump/t. Wasser dringt von dem Saft in die laserkerne ein.

3. Dialysevorgänge, wie bei einer künstlichen Niere. Blut wird durch die Paserkerne gepumpt und die Waschlösung wird über die Außenseite der Pasern gepumpt

(Pig. 5).

Der Vorteil dieser Packungskonstruktion gegenüber den bekannten Einrichtungen mit parallelen Pasern liegt in der besseren Plußverteilung über der Außenseite der Pasern und in der leichteren Konstruktion. Das Spiralmuster bietet dem radialen Fluß einen gleichförmigen Widerstand! daduroh iat die Plußverteilung gleichförmig und es entstehen keine "toten" !Taschen«

0 09839/167 7 -*·*·»♦—>*"*·-

Claims

Patent an Spruches

1. Selektiv durchlässige Membranzusamaeastellung, gekennzeichnet durch eine Tielzahl kontinuierlicher Segmente aus hohlen Fasern_g die um einen Tragkern in Form von praktisch zylindrischen Spiralbogensegmenten

angeordnet sind, wo&ei die Enden jedes Segmentes in flüssigfeeitsclichter Anordnung in einer !Lalaß- oder ' Auslaßverzweigung gehalten werden»

2. MemwranzusasMenstellung naoh Anspruch I₉ gefesaazeichnet durch eiae ITielzahl ψοά Schielitsa eier Segmsat-s, öie in I'reuG'ieise® Muster aageoröeet siiaclj, inolbei die Segiaents der siaeii Sshicht die Segmente clsr folgenfisa SeMcht "srensea uad die Segaisfits geder SeliieJat im .i-Jtsssrr liehen parallel im Afestajaä ^oasinaadea? lisgeßo

3» HeMti'aiiziisasaenstslluiig nach Ansprach 1 oö©r 2-, dadurch gelEsmizeicJbiiet;, äaß dis Einlaß- miö A' zwsiguiigsn ΐΐβ ]?ΰΓ25 τοη mindestens siiisr laa^ Solirplctts ί:-2ΐ-5ϋ*

S'iii-j: visr muiirsr® IsoEtiimisrlislie Iiolils Ira-as^:

2?c:ce2*w:'-.^ilii;: : :c: slilacsrtn hcs flas Sar z:q.2 iii Jas "•'.λ-ι.-ϊξ OiSiIZQhM(SlUQi₀ "Jim. äis

008839/18«

schneiden und Einlaß- oder Auslaßöffnungen an den Schnittstellen zu öffnen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralwicklung nach bekannten Verfahren ausgeführt wird, um die Paser oder die Pasern in mehreren Schichten kreuzweise anzuordnen, wobei die Fasern der einen Schicht die Pasern der folgenden Schicht kreuzen und die Pasern jeder Schicht praktisch parallel im Abstand voneinander angeordnet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Harz, in einer praktisch parallel zur Kernachse verlaufenden Zone abgelagert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz abgelagert wird, während jede Wicklungsschicht gelegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz abgelagert wird, nachdem die Wicklung fertiggestellt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz durch Verdunstung eines Lösungsmittels abgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Harz ein Epoxyharz ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet,.daß jede hohle Paser mindestens

009839/1677

einmal je Umdrehung der Wicklung durchschnitten wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßöffnungen geöffnet werden, indem mindestens ein kontinuierlicher Kanal in der Harzzone geschnitten wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßöffnungen geöffnet werden, indem Löcher radial in die Harzzone gebohrt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, M dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßöffnungen geöffnet werden, indem Löcher radial in die Harzzone mit einer solchen Größe und in solcher Anordnung gebohrt werden, daß 3ie jede Windung jeder Faser in der Harzzone durchschneiden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranzusammensteilung mit einem Gehäuse sov/ie Einlaß- und Auslaßöffnungen in flüssigkeitsaichter Anordnung versehen ist, um getrennte Berührungen des fließfähigen Mediums mit den Innen- und Außenflächen der aus hohlen Fasern bestehenden Segmente zu schaffen.

009939