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WO2005028087A1 - Filtrationsmodul mit membran-filterelementen - Google Patents

Filtrationsmodul mit membran-filterelementen Download PDF

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WO2005028087A1
WO2005028087A1 PCT/EP2004/010099 EP2004010099W WO2005028087A1 WO 2005028087 A1 WO2005028087 A1 WO 2005028087A1 EP 2004010099 W EP2004010099 W EP 2004010099W WO 2005028087 A1 WO2005028087 A1 WO 2005028087A1
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medium
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retentate
inlet
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Hans-Peter Feuerpeil
Dieter Blaese
Hans Olapinski
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    • B01D2321/20—By influencing the flow
    • B01D2321/2083—By reversing the flow

Definitions

  • the invention relates to the field of filtration using membranes. It is about the so-called tangential flow filtration.
  • a volume flow of the medium to be filtered flows through a channel which has a wall surface in contact with the medium and which is formed from membrane material.
  • a partial stream, the so-called permeate, passes through the membrane.
  • the membrane filter elements can be constructed differently. So you know hollow fiber filter elements, in which the medium-leading channels
  • a filter module can consist of a plurality of bundled mono channels, and rod-shaped filter elements are known which have a plurality of longitudinal bores, and spiral winding modules are also known.
  • the medium to be filtered is pumped through the channels that carry unfiltrate.
  • the pump energy required means operating costs. These should be as small as possible.
  • the individual membrane module should also be designed and operated in such a way that it can be operated for as long a period as possible without being cleaned or replaced.
  • the formation of so-called cover layers on the membrane is a hindrance. Such cover layers are formed from the components of the medium to be filtered.
  • the inventors also tried to switch off the volume flow through the medium-carrying channel for a few minutes. This also had little or no success depending on the medium to be filtered.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device with which the filtration process can be carried out in a manner which is more optimal than in the prior art.
  • the energy consumption is to be reduced and the service life of filter modules is to be extended.
  • the inventors recognized as essential that the unfiltered volume flow is stopped for extremely short periods of time. This can be done by shutting off the medium-carrying channel.
  • “Extremely small time spans” is understood to mean a time span in the seconds range or in the millisecond range. Good results have been achieved at intervals, that is to say interruptions between two switchovers, ie crossflow / dead end of 60, 30, 10, 5, 4, 3, 2, 1. Intervals of less than one second, for example 500, 200, 50 milliseconds, have proven to be particularly advantageous.
  • the result of the intermittent shut-off consists in an extreme reduction in the energy requirement in the form of the pump work, and furthermore in an excellent impairment of the top layer formation, even in the case of very heavily contaminated media to be filtered, for example biomass.
  • the pressure in the system continues to be maintained during the extremely short period of flow interruption in the medium-carrying channel.
  • the permeation i.e. the permeate passing through the membrane, continues to take place.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a filtration module with several multi-channel elements.
  • Figure 2 shows a module with hollow fibers or mono channels.
  • Figure 3 shows a spiral winding module
  • Figure 4 shows a perspective view of a multi-channel element.
  • Figure 5 is a top view of an end face of a module without a cover.
  • Figure 6 is a top view of an end face of a module with a cover.
  • Figure 7 is a top view of an end face of another module with cover.
  • Figure 8 shows a schematic representation of a system with a filter device.
  • the module shown in FIG. 1 has a plurality of multi-channel elements 2. These are arranged parallel to each other. They are installed in a housing 3 and sealed off from one another and from the housing by seals 4.
  • the housing has an inlet 3.1 for the medium to be filtered, a permeate outlet 3.2 and a retentate outlet 3.3.
  • the module shown in Figure 2 has hollow fibers with mono channels 2.1.
  • the module shown in FIG. 3 is a spiral winding module of a known type, which is also designed in accordance with the invention.
  • the multichannel element shown in FIG. 4 has 19 channels. This number could also be larger or smaller.
  • the object of Figure 5 shows the contour of the individual channels.
  • FIG. 6 shows the subject of FIG. 5, but supplemented by a shut-off element which half covers the cross-sectional areas of the upstream or downstream side of a module. It is stored in the central axis of the module.
  • a drive not shown here, is provided which can set the shut-off element in one revolution around the central axis. The direction of rotation can also be reversed if advantageous.
  • shut-off element itself can be attached to the module on the inflow or outflow side of the unfiltrate. It is advantageous to install the shut-off element between two cascaded
  • the pulsed cross-flow for both modules is realized with a shut-off element.
  • the shut-off device which is usually made up of circular segments, does not necessarily have to completely prevent the volume flow in the covered unfiltrate channels, a reduction to ⁇ 20% of the volume flow that occurs when the shut-off device is open
  • FIG. 6 shows a state in which some of the channels 2.1 are completely open, some are partially covered, others are completely covered.
  • the leading edge of the shut-off element should be a straight line that lies on a radius at all times. In this way, all channels are covered within a certain period of time during an equally long time interval.
  • Release periods can be in the millisecond range.
  • the type of drive does not matter.
  • an electromagnetic drive, a mechanical drive, or another drive can be used. It is also conceivable to make the shut-off element 8 itself driving by appropriate design.
  • Figure 7 differs from the object of Figure 6 only in a different design of the shut-off element. As you can see, two quadrant-shaped segments and two acute-angled segments are provided.
  • the system shown in Figure 8 is a semi-open system for continuous operation. As the most important component, it comprises one or more of the modules, which can be constructed as shown in FIG. 1. A container 6 for the medium to be filtered can also be seen. From this is a
  • Pump 7 a volume flow of the medium is withdrawn and fed to the module.
  • the supply can take place at one or the other end of the module.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Filtrationsmoduls; mit Membran-Filterelementen in Gestalt von Hohlfaser-, Monokanal-, Multikanal­oder Spiralwickelelementen mit den folgenden Verfahrensschritten: - es wird ein Volumenstrom eines zu filternden Mediums in das Eintrittsende des Unfiltrat führenden Kanals eingeführt, dessen medium-berührte Wandfläche zuminde st teilweise aus einer Membran gebildet ist, es wird durch die Membran hindurchgetretenes Permeat durch einen Permeat-Auslass abgeführt; es wird am Austrittsende des mediumführenden Kanals Unfiltrat/Retentat abgeführt; der Unfiltrat-Einlass (Retentat-Einlass) des mediumführenden Kanals und/oder der Retentat-Auslass werden intermittierend mittels eines drehbar gelagerten und rotierenden Elementes, welche die Eintritts- oder Austrittsquerschnitte der Membran teilweise abdeckt, wenigstens teilweise abgesperrt und wieder geöffnet.

Description

Filtrationsmodul mit Membran-Filterelementen
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Filtration mittels Membranen. Dabei geht es um die sogenannte Tangentialflussfiltration. Hierbei strömt ein Volumenstrom des zu filternden Mediums durch einen Kanal, der eine medium-berührte Wandfläche aufweist, die aus Membran-Material gebildet ist. Durch die Membran tritt ein Teilstrom hindurch, das sogenannte Permeat.
Die Membran-Filterelemente können unterschiedlich aufgebaut sein. So kennt man Hohlfaser-Filterelemente, bei denen die medium-führenden Kanäle
Durchmesser im Bereich von einigen Zehntel-Millimetern aufweisen. Ferner kennt man Filterelemente mit Kanalweiten im Makro-Bereich, deren Durchmesser einige Millimeter oder einige Zentimeter betragen kann. Ein Filtermodul kann aus einer Mehrzahl von gebündelten Monokanälen bestehen, ferner sind stabförmige Filterlemente bekannt, die eine Mehrzahl von Längsbohrungen aufweisen, auch kennt man Spiralwickelmodule.
Das zu filtrierende Medium wird mit Hilfe von Pumpen durch die Unfiltrat führenden Kanäle hindurchgefördert. Die erforderliche Pumpenergie bedeutet Betriebskosten. Diese sollen so klein wie möglich sein.
Das einzelne Membranmodul soll ferner derart gestaltet sein und betrieben werden, dass es über einen möglichst langen Zeitraum hinweg betrieben werden kann, ohne gereinigt oder ausgetauscht zu werden. Dabei ist das Bilden sogenannter Deckschichten auf der Membran hinderlich. Solche Deckschichten bilden sich aus den Komponenten des zu filtrierenden Mediums.
Man hat unter anderem schon versucht, die Deckschichtbildung mittels Rückspülung zu behindern oder gebildete Deckschichten sogar wieder aufzulösen. Auch wurde die Strömungsrichtüng des Unfiltrates durch den Unfiltrat führenden Kanal periodisch umgekehrt, so dass der Volumenstrom zunächst in einer ersten Richtung und nach einer gewissen Zeitspanne in der Gegenrichtung durch die unfiltratseitigen Kanäle wanderte. Dies hat jedoch nur eine begrenzte Wirkung. Es ist außerdem nur bei manchen Medien effektiv möglich.
Die Erfinder haben auch versucht, den Volumenstrom durch den mediumführenden Kanal für einige Minuten abzuschalten. Auch dies hatte je nach zu filtrierendem Medium nur einen mäßigen oder gar keinen Erfolg.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen der Filtrationsprozess in einer gegenüber dem Stande der Technik optimaleren Weise durchgeführt werden kann. So soll insbesondere der Energieaufwand gesenkt und die Standzeit von Filtermodulen verlängert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dem gemäß haben die Erfinder als wesentlich erkannt, dass der unfiltratseitigen Volumenstrom für extrem kleine Zeitspannen gestoppt wird. Dies kann durch Absperren des mediumführenden Kanals geschehen. Dabei wird unter „extrem kleinen Zeitspannen" eine Zeitspanne im Sekundenbereich oder im Millisekundenbereich verstanden. Gute Ergebnisse wurden bei Intervallen erzielt, das heißt Unterbrechungen zwischen zwei Umschaltungen, d. h. Cross- Flow/Dead-End von 60, 30, 10, 5, 4, 3, 2, 1 Sekunden. Als ganz besonders vorteilhaft haben sich Intervalle von weniger als einer Sekunde, beispielsweise 500, 200, 50 Millisekunden, erwiesen.
Das Ergebnis des intermittierenden Absperrens besteht in einer extremen Verringerung des Energiebedarfes in Gestalt der Pumpenarbeit, weiterhin in einer hervorragenden Beeinträchtigung der Deckschichtbildung, und zwar auch bei sehr stark verunreinigten, zu filtrierenden Medien, beispielsweise bei Biomasse. Während der extrem kleinen Zeitspanne der Strömungsunterbrechung im mediumführenden Kanal bleibt der Druck im System weiterhin aufrechterhalten. Die Permeation, das heißt das Hindurchtreten von Permeat durch die Membran, findet weiterhin statt.
In der Praxis bedeutet dies, dass die Pumpenleistung dramatisch verringert werden kann.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Filtrationsmodul mit mehreren Multikanalelementen.
Figur 2 zeigt ein Modul mit Hohlfasern oder Monokanälen.
Figur 3 zeigt einen Spiralwickelmodul.
Figur 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Multikanalelement.
Figur 5 ist eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Moduls ohne Abdeckung.
Figur 6 ist eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Moduls mit Abdeckung.
Figur 7 ist eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines weiteren Moduls mit Abdeckung.
Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage mit einem Filtergerät.
Das in Figur 1 gezeigte Modul weist eine Mehrzahl von Multikanalelementen 2 auf. Diese sind parallel zueinander angeordnet. Sie sind in ein Gehäuse 3 eingebaut und gegeneinander sowie gegen das Gehäuse durch Abdichtungen 4 abgedichtet. Das Gehäuse weist einen Einlass 3.1 für das zu filtrierende Medium auf, ferner einen Permeat-Auslass 3.2 sowie einen Retentat-Auslass 3.3.
Das in Figur 2 dargestellte Modul weist Hohlfasern mit Monokanälen 2.1 auf.
Das in Figur 3 gezeigte Modul ist Spiralwickelmodul bekannter Bauart, das ebenfalls gemäß der Erfindung gestaltet ist.
Das in Figur 4 gezeigte Multikanalelement weist 19 Kanäle auf. Diese Zahl könnte auch größer oder kleiner sein.
Rechts in der Figur sieht man eine Vergrößerung eines Kanals.
Der Gegenstand von Figur 5 läßt die Kontur der Einzelkanäle erkennen.
Figur 6 zeigt den Gegenstand von Figur 5, jedoch ergänzt durch ein Absperrelement, das die Querschnittsflächen der Anströmseite oder Abströmseite eines Moduls zur Hälfte abdeckt. Es ist in der Mittelachse des Moduls gelagert. Es ist ein hier nicht gezeigter Antrieb vorgesehen, der das Absperrelement in eine Umdrehung um die Mittelachse versetzen kann. Die Drehrichtung kann auch umgekehrt werden, falls vorteilhaft.
Das Absperrelement selbst kann je nach Anlagenkonfiguration an der An- oder Abströmseite des Unfiltrats am Modul angebracht werden. Vorteilhaft ist der Einbau des Absperrelementes zwischen zwei hintereinander geschalteten
Modulen, hierbei wird mit einem Absperrelement das gepulste Cross-Flow für beide Module realisiert. Das Absperrorgan, das in der Regel aus Kreissegmenten aufgebaut ist, muss nicht zwangsläufig den Volumenstrom in den abgedeckten Unfiltratkanälen völlig unterbinden, eine Reduktion auf < 20 % des sich in geöffnetem Zustand des Absperrorgans einstellenden Volumenstrom in den
Unfiltratkanälen ist für die gewünschte Wirkung absolut ausreichend. In Figur 6 ist ein Zustand dargestellt, bei dem einige der Kanäle 2.1 völlig offen sind, einige teilweise abgedeckt, andere vollständig abgedeckt sind.
Die Führungskante des Absperrelementes sollte eine gerade Linie sein, die zu jedem Zeitpunkt auf einem Radius liegt. Auf diese Weise werden sämtliche Kanäle innerhalb einer gewissen Zeitspanne während eines gleich langen Zeitintervalles abgedeckt.
Durch dieses Bauprinzip lässt sich ein hochfrequentes Freigeben und Absperren der Kanäle 2.1 erzielen. Dies bedeutet, dass die Absperr- beziehungsweise
Freigabezeitspannen im Millisekundenbereich liegen können.
Die Art des Antriebes spielt keine Rolle. So kann ein elektromagnetischer Antrieb verwendet werden, ein mechanischer Antrieb, oder ein sonstiger Antrieb. Auch ist es denkbar, durch entsprechende Gestaltung das Absperrelement 8 selbst antreibend zu machen.
Figur 7 unterscheidet sich vom Gegenstand gemäß Figur 6 lediglich durch eine andere Gestaltung des Absperrelementes. Wie man sieht, sind zwei quadrantenförmige Segmente und zwei spitzwinklige Segmente vorgesehen.
Die in Figur 8 gezeigte Anlage ist ein halb offenes System für kontinuierlichen Betrieb. Es umfasst als wichtigstes Bauteil eines oder mehrere der Module, die derart aufgebaut sein können, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Man erkennt ferner einen Behälter 6 für zu filtrierendes Medium. Aus diesem wird mittels einer
Pumpe 7 ein Volumenstrom des Mediums abgezogen und dem Modul zugeführt. Die Zufuhr kann am einen oder am anderen Ende des Moduls erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Filtrationsmoduls;
1.1 mit Membran-Filterelementen in Gestalt von Hohlfaser-, Monokanal-, Multikanal- oder Spiralwickelelementen mit den folgenden Verfahrensschritten:
1.2 es wird ein Volumenstrom eines zu filternden Mediums in das Eintrittsende des Unfiltrat führenden Kanals (2.1) eingeführt, dessen medium-berührte Wandfläche zumindest teilweise aus einer Membran gebildet ist; 1.3 es wird durch die Membran hindurchgetretenes Permeat durch einen Permeat-Auslass abgeführt;
1.4 es wird am Austrittsende des mediumführenden Kanals (2.1) Unfiltrat/Retentat abgeführt;
1.5 der Unfiltrat-Einlass (Retentat-Einlass) des mediumführenden Kanals (2.1) und/oder der Retentat-Auslass werden intermittierend wenigstens teilweise abgesperrt und wieder geöffnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne des Absperrens und/oder des Öffnens ≤ 60, 30, 10, 5, 4, 3, 2 s ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne des Absperrens und/oder des Öffnens < 1 s ist.
4. Filtrationsmodul; 4.1 mit einem Membranfilterelement (2);
4.2 das Membranfilterelement (2) ist ein Hohlfaser-, Monokanal-, Multikanal- oder Spiralwickelelement;
4.3 das Membranfilterelement (2) bildet mediumführende Kanäle (2.1), in die das zu filtrierende Medium einführbar ist; 4.4 die mediumführenden Kanäle (2.1) weisen Auslässe (2.3) zum Abführen von Retentat auf;
4.5 es ist ein Permeat-Kanal (3.2) zum Abführen von durch die Membran gewandertem Permeat vorgesehen;
4.6 der Unfiltrat-Einlass (Retentat-Einlass) (3.3) und/oder der Retentat-Auslass (3.2) weisen Vorrichtungen zu deren intermittierendem Absperren und Öffnen auf.
5. Filtrationsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung aus einem drehbar gelagerten Element besteht, das den Unfiltrat seifigen Eintritts- oder Austrittsquerschnitt der installierten Membran (2) nur teilweise abdeckt, und das vorzugsweise um die Mittelachse des Moduls rotierbar ist.
PCT/EP2004/010099 2003-09-13 2004-09-10 Filtrationsmodul mit membran-filterelementen Ceased WO2005028087A1 (de)

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