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Dokumentenidentifikation DE10216170A1 30.10.2003
Titel Verfahren zur Stabilisierung und zur Steigerung von Membranleistungen
Anmelder MARITIME CONTRACTORS Deutschland Ltd., London, GB
Erfinder Krein, Hans-Juergen, 45699 Herten, DE
Vertreter Schneiders & Behrendt Rechts- und Patentanwälte, 44787 Bochum
DE-Anmeldedatum 12.04.2002
DE-Aktenzeichen 10216170
Offenlegungstag 30.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.10.2003
IPC-Hauptklasse B01D 65/02
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung und zur Steigerung einer Membranleistung bei der Filtration von Flüssigkeiten mit darin fein verteilten Bestandteilen, insbesondere bei Mikro- und Ultrafiltrationen mit mehreren Membranmodulen, insbesondere im Cross-Flow-Betrieb, wobei die Membranmodule zur Verhinderung oder zum Abbau einer Filterdeckschicht von der Permeatseite rückgespült werden, bei dem ein oder mehrere Membranmodule gleichzeitig während der Permeaterzeugung rückgespült werden, wobei die Rückspülung zu Beginn der Deckschichtbildung beginnt und kontinuierlich von einem Modul zum nächsten wechselt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung und zur Steigerung von Membranleistungen bei der Filtration von Flüssigkeiten mit darin fein verteilten Bestandteilen, insbesondere bei Mikro- und Ultrafiltrationen mit mehreren Membranmodulen, insbesondere im Cross-Flow-Betrieb, wobei die Membranmodule zur Verhinderung oder zum Abbau einer Filterdeckschicht von der Permeatseite rückgespült werden.

Membran-Trennverfahren sind in der Umwelttechnik, in der Lebensmittelindustrie und in der Biotechnologie von besonderer Bedeutung. Sie werden inzwischen erfolgreich bei der Meerwasserentsalzung, bei der Auftrennung von Öl-Wasser-Emulsionen, bei der Abtrennung von Lösungsmittelresten aus Abwasser, bei der Aufbearbeitung von Molken, bei der Herstellung von alkoholfreiem Bier, bei der Aufkonzentrierung biologischer, temperaturempfindlicher Produkte, bei der Zellrückhaltung aus Fermenterbrühen und bei vielen anderen Abtrennvorgängen eingesetzt.

Membranverfahren sind rein physikalische Verfahren zur Trennung von Stoffen mit Hilfe selektiv durchlässiger Wände (Membrane). Hierzu zählen beispielsweise die Umkehrosmose, die Nanofiltration, die Ultrafiltration und die Mikrofiltration. Diese werden aufgrund ihrer Porendurchmesser unterteilt.

Mikro- und Ultrafiltrationen werden beim Fraktionieren von niedermolekularen gelösten Stoffen und Makromolekülen sowie bei der Konzentrierung von Suspensionen eingesetzt. Hierbei werden makromolekulare, dispergierte, koloidale und emulgierte Bestandteile zurückgehalten.

Bei der Mikro- und Ultrafiltrationsmembrane sind zwei unterschiedliche Prinzipien bekannt, nämlich die Druckfiltration und die Querstromfiltration bzw. Cross- Flow-Filtration.

Bei der Druckfiltration wird die zu filtrierende Flüssigkeit, das sog. Feed, senkrecht gegen die Membran gedrückt. Dadurch bildet sich auf der Membran eine Deckschicht, die immer mehr anwächst und schließlich die Membran verstopft. Diese Filtration wird daher auch unter dem Namen "Dead-End-Filtration" genannt.

Im Gegensatz dazu wird bei der Querstromfiltration bzw. Cross-Flow-Filtration das Feed tangential über die Membran geführt. Senkrecht zur Strömungsrichtung tritt das Permeat durch die Membran. Permeat ist die filtrierte Lösung auf der Permeatseite der Membran. Die aufkonzentrierte, zurückgehaltene Lösung wird Retentat genannt. Durch das kontinuierliche tangentiale Überstreifen der Membran wird ein Reinigungseffekt erzielt, der die Bildung einer Deckschicht kurzzeitig verhindert.

Es ist bekannt, daß sich Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen auch im Tangentialfluss-(Cross-Flow-)Betrieb, langfristig gesehen, mit einem Filterkuchen belegen, der die Filtratleistung erheblich reduziert. Die hohe Anfangsfilterleistung der Membranen kann daher nicht aufrechterhalten werden. Aus diesem Grund sind in der Vergangenheit weltweit in erheblichem Umfang Untersuchungen durchgeführt und Anstrengungen unternommen worden, um die die Gründe und Mechanismen der Deckschichtbildung aufzuklären und den Permeatfluß (die Filtratleistung) durch geeignete Gegenmaßnahmen auf einem möglichst hohen Niveau zu stabilisieren.

Die Deckschichtbildung auf einer überströmten Membran beginnt mit der Ablagerung einer sehr dünnen polydispersen Schicht, in der ein Gemisch von großen, mittleren und kleinen Partikeln vorliegt. Diese Schicht hat aufgrund ihrer geringen Dicke und der geringen Packungsdichte des Partikelgemisches noch einen geringen Durchströmungswiderstand, was daher nur zu geringen Permeatleistungsverlusten führt. In der Folgezeit verändert sich sowohl die Schichtdicke des Partikelbelages (Filterkuchens) als auch dessen Partikelzusammensetzung. Aus der polydispersen Schicht werden mit wachsender Schichtstärke erst die großen und dann auch die mittleren Partikel entfernt, so daß eine sehr feine partikuläre Schicht mit einem hohen Durchströmungswiderstand entsteht.

Untersuchungen und Berechnungen haben gezeigt, daß das Phänomen im wesentlichen auf die lange bekannt und sehr einfachen, mathematisch jedoch schwer zu erfassenden Effekt der Schwertrübetrennung basiert. Ursächlich für die Ausmagerung der Grob- und Mittelkörnung aus der Deckschicht und damit für die Kompaktierung der Filterkuchenschicht ist die Gesamtheit der Transportmechanismen einer Schwertrübetrennung verantwortlich.

Die Deckschicht auf der Membran entsteht im Bereich der nicht mehr turbulenten Strömung durch Ablenkung der Partikel im Flüssigkeitsstrom, der die Membran durchdringt. Der Effekt der Schwertrübeklassierung der Deckschichtpartikel entsteht durch die Veränderung der Verhältnisse von angreifenden Kräften, die sich mit abnehmenden Permeatfluß im oberen Bereich der Deckschicht zugunsten des strömungsbedingten Auftriebes verändern. Der Deckschichtwiderstand verändert sich dementsprechend und der dazugehörende Permeatfluß.

Um die Filtratleistungen der Membranen trotzdem zu erhalten, müssen daher besondere Maßnahmen ergriffen werden. Aus der Literatur sind als Gegenmaßnahmen zum Beispiel eine hohe Überströmungsgeschwindigkeit, die periodische Rückspülung der Membran mit Permeat von der Permeatseite, also gegen den Filtratfluß, die Einstellung eines hohen Zetapotentials zur Stabilisierung der zu filtrierenden Suspension, die Überlagerung der Cross- Flow-Strömung mit Pulsationen unterschiedlicher und wechselnder Frequenz oder die Überlagerung eines elektrischen Feldes zur Ausnutzung elektrophoretischer Kraft bekannt.

Üblicherweise werden heutzutage die Überströmungen der Membran mit hoher Geschwindigkeit angewandt, da somit eine turbulente Strömung über der Membran erzeugt wird, die die Deckschichtbildung ver- oder behindert. Hierfür muss einen hohen Energieeinsatz aufgebracht werden. Dennoch kann damit nicht verhindert werden, daß die Strömung in Membrannähe (Wandnähe) in eine laminare Strömung umschlägt. Die Stärke der laminaren Schicht nimmt mit dem Permeatfluß durch die Membran zu, das heißt je größer die Membranflächenleistung, desto dicker die laminare Schicht; je dicker die laminare Schicht, desto schneller die Belagbildung und dicker die Deckschicht.

Darüber hinaus steigt mit zunehmender Membranüberströmungsgeschwindigkeit auch die Auftriebskomponente. Dies bedeutet, daß die Kompaktierung des Filterkuchens mit zunehmender Überströmungsgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Um der Kompaktierung entgegenzuwirken, wird in der Praxis die periodische Rückspülung herangezogen. Die periodische Rückspülung ist dergestalt, daß die Membran von der Permeatseite mit Permeat durchströmt wird, so daß die Deckschicht abgestoßen und durch die Membranüberströmung weggespült wird.

Für die periodische Rückspülung wird die Permeat-Produktion durch Abschaltung der Filteranlage unterbrochen und die Membran mit einem Teil des vorher erzeugten Permeat, das in einem Vorratsbehälter gespeichert wurde, zurückgespült. Je nach Art und Menge der deckschichtbildenden Partikel muss die Membranen nach 5 bis 20 Minuten rückgespült werden. Die Rückspülung dauert in der Regel 10 bis 60 Sekunden. In dieser Zeit erleidet die Anlage nicht nur eine erheblichen Produktionsausfallzeit, sondern auch der Verbrauch des produzierten Permeats zur Rückspülung. Aus diesem Grund wird ein Kompromiss zwischen niedriger Permeatleistung, Rückspülzeit und der zeitlichen Länge des Rückspülintervalls gewählt.

Eine andere Maßnahme ist die Anwendung eines elektrischen Feldes. Diese ist konstruktiv außerordentlich aufwendig und erzeugt nicht nur elektrophoretische, sondern auch elektrolytische Effekte. Als Folge der Elektrolyse entstehen z. B. starke Oxidatoren, wie beispielsweise Hydroxylionen, Peroxide, Persulfate, Hypochloride, gegen die die Membranmaterialien nicht oder nur ungenügend beständig sind und daher die gesteigerte Membranleistung durch erhebliche kürzere Membranstandzeiten erkauft wird.

Angesichts der mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Membranleistung auf einem hohen Niveau stabilisiert und diese zudem erhöht wird. Auch die Vergrößerung der Standzeit eines solchen Filtrationssystems soll Aufgabe der Erfindung sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, vor, daß ein oder mehrere Membranmodule gleichzeitig während der Permeaterzeugung rückgespült werden, wobei die Rückspülung zu Beginn der Deckschichtbildung beginnt und kontinuierlich von einem Modul zum nächsten wechselt.

Membranen werden in Membransystemen, sog. Modulen zusammengebaut, die die Membranen aufnehmen, abstützen und abdichten. Durch geeigneten Modulaufbau wird eine möglichst große Membranoberfläche in einem kleinen Volumen erzeugt.

Während des Filtrationsbetriebes ist die sich bildende Membrandeckschicht in den ersten 30 bis 100 Sekunden noch sehr dünn und polydispers. Sie ist leicht zu entfernen und lässt noch eine hohe Permeatleistung zu. Annähernd zu diesem Zeitpunkt wird das erfindungsgemäße System rückgespült. Erfindungsgemäß werden nicht alle Membranmodule abgeschaltet, sondern lediglich ein Modul oder bei größeren Anlage auch zwei oder mehrere Module, so daß nur diese Module rückgespült werden, während die übrigen Module weiterhin Permeat produzieren.

Durch dieses System wird permanent Permeat produziert. Mittels der Reduzierung der Bildung einer Deckschicht und die damit resultierende Vergrößerung der Standzeit eines solchen Filtrationssystems wird die Steigerung der Membranleistung gewährleistet.

Erfindungsgemäß beträgt die Rückspülzeit für jedes Modul wenigstens zwei Sekunden, wobei die Rückspülung alternierend von einem Modul auf das nächste Modul übergeht. Somit wird einerseits die Permeatproduktion und andererseits die Entfernung der sich nun gebildeten Deckschicht garantiert, ohne daß es einer Abschaltung der Filtrationsanlage bedarf.

Bei Filtrationsanlagen mit mehr als 20 Membranenmodulen soll die Rückspülung von mehreren Membranmodul-Einheiten alternierend gleichzeitig vorgenommen werden, da dadurch lange Rückspülintervalle vermieden werden und somit auch die Bildung von packungsdichterer Deckschicht.

Mittels einer Rückspülpumpe wird die Permeatmenge aus einem oder den übrigen permeaterzeugenden Membranmodulen oder aus einem mit Permeatmenge zwischengespeicherten Zwischenbehälter zur Rückspülung entnommen.

Eine andere Ausführung ist das Rückspülen der Membran von der Permeatseite mittels Druckluft oder eines anderen Druckmittels, insbesondere Gas, Hydraulik oder Plungerkolben aus einem Druck-Zwischenbehälter.

Zur Verbesserung der Deckschichtablösung wird der Rückspülströmung eine Pulsation überlagert. Eine andere Ausführung ist die Überlagerung der Rückspülströmung mit wenigstens einen Druckstoß oder wenigstens einer Stoßwelle durch Druckluft oder ein anderes druck-/stoßwellenerzeugendes Mittel. Auch die Überlagerung mit Ultraschall ist denkbar.

Erfindungsgemäß werden eine oder mehrere Pausen in den Rückspülungszyklus integriert.

Des weiteren kann der Rückspülungsflüssigkeit Reinigungs-, Desinfektions- oder andere Mittel zugesetzt werden. Als Rückspülflüssigkeit kann das erzeugte Permeat herangezogen werden. Denkbar ist hierfür auch eine andere Flüssigkeit, ein Fremdpermeat oder ein Gas.

Bei Filtration von Produkten mit schwierigem Filtrationsverhalten, insbesondere bei der Filtration von Harzlösungen, der Latex-Konzentrierung, der Entfernung von biologischem Zellmaterial, wird zur Verkürzung der Rückspülintervalle die Anzahl der Module bei gleich bleibender Filterflächengröße erhöht. Die Erhöhung bewirkt nicht nur eine kurze Rückspülung, sondern auch eine Steigerung oder zumindest eine Stabilisierung der Membran-Flächenleistung auf einem hohen Niveau, da die Filterarbeit optimal auf eine größere Modulanzahl verteilt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein geschlossenes Rückspülsystem dar. Die Gefahr der Wiederbekeimung des Permeats durch beispielsweise einen offenen Rückspülbehälter wird vermieden. Die Bildung eines Biofilms auf der Permeatseite der Membran und die damit unabdingbare intensive Desinfektion der Anlage können somit effizient verhindert werden, was eine Einsparung von Kosten und Zeit bedeutet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird für Mikro-/Ultrafiltrationsanlagen verwandt.

Nachstehend wird anhand einer schematischen Zeichnung das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Membranfilteranlage mit vier Membranmodule MO1, MO2, MO3, MO4, die jeweils eine Membran M1, M2, M3 und M4 enthalten, vier Permeatausgangsventile V1b, V2b, V3b, V4b und vier Rückspülventile V1a, V2a, V3a, V4a. Aus dem Tank T wird das zu filtrierende Rohwasser R zunächst durch alle Module MO1, MO2, MO3, MO4 auf die Membranen M1, M2, M3 und M4 geführt. Auf der einen Seite der Membranen M1, M2, M3 und M4 wird das Permeat weiter in einen Sammelbehälter (nicht eingezeichnet) geleitet, wobei die Retentat zurück in den Tank T geleitet werden.

Nach einer kurzen Zeit wird das Modul MO1 zurückgespült, indem das Permeatausgangsventil V1b geschlossen und das Rückspülventil V1a geöffnet werden. Durch die Rückspülpummpe RP wird das Modul MO1 von der Permeatseite mit einem Teil des erzeugten Permeats rückgespült. Währenddessen produzieren die übrigen drei Module MO2, MO3, MO4 weiterhin Permeat. Nach wenigen Sekunden ist die Rückspülung für das erste Modul MO1 beendet und sie wechselt nun auf das Modul MO2, hier wird wiederum das Permeatausgangsventil V2b geschlossen und V2a geöffnet, danach auf MO3, danach auf Modul MO4 und dann wieder auf Modul MO1. Die Rückspülung läuft kontinuierlich ab, ohne daß es einer Abschaltung der Anlage bedarf.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Stabilisierung und zur Steigerung einer Membranleistung bei der Filtration von Flüssigkeiten mit darin fein verteilten Bestandteilen, insbesondere bei Mikro- und Ultrafiltrationen mit mehreren Membranmodulen, insbesondere im Cross-Flow-Betrieb, wobei die Membranmodule zur Verhinderung oder zum Abbau einer Filterdeckschicht von der Permeatseite rückgespült werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Membranmodule gleichzeitig während der Permeaterzeugung rückgespült werden, wobei die Rückspülung zu Beginn der Deckschichtbildung beginnt und kontinuierlich von einem Modul zum nächsten wechselt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülzeit für jedes Modul wenigstens zwei Sekunden beträgt, wobei die Module alternierend rückspülbar sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Filtrationsanlagen mit mehr als 20 Membranmodulen mehrere Membranmodul- Einheiten zur Verhinderung der langen Rückspülintervalle alternierend rückspülbar sind.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung mittels einer Rückspülpumpe erfolgt, die die Rückspülmenge aus einem oder den übrigen permeaterzeugenden Membranmodulen bezieht.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung aus einem mit Permeatmenge zwischengespeicherten Zwischenbehälter mittels einer Rückspülpumpe erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung mittels Druckluft oder eines anderen Druckmittels, insbesondere Gas, Hydraulik, Plungerkolben, aus einem Druck-Zwischenbehälter erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspülungströmung eine Pulsation überlagert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspülung wenigstens ein Druckstoß oder wenigstens eine Stoßwelle durch Druckluft oder ein anderes druck- oder stoßwellenerzeugendes Mittel überlagert wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspülung Ultraschall überlagert wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rückspülungzyklus eine oder mehrere Pausen integriert werden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspülungflüssigkeit Reinigungs-, Desinfektions- oder andere Mittel zugesetzt werden.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülungsflüssigkeit eine andere Flüssigkeit, ein Fremdpermeat oder ein Gas ist.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Filtration von Produkten mit schwierigem Filtrationsverhalten, insbesondere bei der Filtration von Harzlösungen, der Latex-Konzentrierung, der Entfernung von biologischem Zellmaterial, zur Verkürzung der Rückspülintervalle die Anzahl der Module bei gleich bleibender Filterflächengröße erhöht wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung ein geschlossenes Rückspülsystem darstellt.






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