DE60023607T2

DE60023607T2 - Querstromfiltrationsmembran und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE60023607T2
Application number: DE60023607T
Authority: DE
Inventors: Andre Grangeon; Philippe Lescoche; Thomas Fleischmann; Bernd Ruschel
Original assignee: Technologies Avancees et Membranes Industrielles SA
Current assignee: Technologies Avancees et Membranes Industrielles SA
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: US6780466B2; JP5266190B2; US20030070981A1; ATE308373T1; CA2316742A1; FR2797198A1; NZ506118A; US6499606B1; FR2797198B1; DE60023607D1; ES2251952T3; JP2001062266A; EP1074291A1; JP2010069483A; EP1074291B1; CA2316742C; DK1074291T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Molekül- oder Partikeltrennung, bei der Trennelemente eingesetzt werden, die im allgemeinen als Membrane bezeichnet werden, die aus anorganischen Materialien gefertigt sind und aus einem porösen, starren Träger bestehen, der wenigstens einen Kanal für die Zirkulation eines fluiden Mediums umfaßt, auf dessen Oberfläche wenigstens eine Trennlage abgeschieden ist, deren Art und Morphologie angepaßt sind, um die Trennung der in dem zu behandelnden fluiden Medium enthaltenen Moleküle oder Partikel zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist genauer gesagt die Ausbildung der Trennlagen, die Teil der anorganischen Membranen sind.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung findet der Gegenstand der Erfindung auf dem Gebiet der Nanofiltration, der Ultrafiltration, der Mikrofiltration, der Filtration oder der Umkehrosmose.
Herkömmlicherweise definiert sich eine Membran durch die Verbindung eines porösen Trägers aus anorganischem Material, wie aus Keramik, und einer oder mehreren Trennlagen aus anorganischem Material, die auf der Oberfläche jedes Zirkulationskanals abgeschieden und die durch Sintern untereinander sowie mit dem Träger verbunden sind. Die Aufgabe der Lagen besteht darin, die Trennung der Molekül- oder Partikelarten sicherzustellen, während die Aufgabe des Trägers darin besteht, durch seine mechanische Festigkeit die Ausbildung von Lagen geringer Dicke zu ermöglichen. So ermöglicht der Träger, die mechanische Festigkeit sicherzustellen, ohne zu dem Strömungswiderstand der Membran beizutragen, während die Trennlage die Permeabilität definiert, ohne zu der mechanischen Festigkeit beizutragen.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Membrane bekannt, die aus Filtrationselementen röhrenförmiger oder ebener Natur hergestellt sind. Auf dem Gebiet der röhrenförmigen Membrane hat der poröse, starre Träger eine langgestreckte Form, wobei er einen polygonalen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der poröse Träger ist ausgebildet, um wenigstens einen Kanal und vorzugsweise eine Reihe von Kanälen zu umfassen, die parallel zueinander und zur Längsachse des porösen Trägers verlaufen, wobei ein jeder eine zylindrische Form aufweist. Die Kanäle stehen einerseits mit einer Eingangskammer für das zu behandelnde fluide Medium und andererseits mit einer Ausgangskammer in Verbindung.
Die Oberfläche der Kanäle ist mit wenigstens einer Trennlage überzogen, welche die Trennung der Moleküle oder der Partikel sicherstellt, die in dem fluiden Medium enthalten sind, das in den Kanälen entlang einer gegebenen Richtung von einem Ende zum anderen der Kanäle zirkuliert. Ein solche Membran vollzieht durch Siebwirkung eine Trennung der Molekül- oder Partikelarten des zu behandelnden Produkts in dem Maße wie alle Partikel oder Moleküle, die größer sind als der Durchmesser der Poren der Membran festgehalten werden. Während der Trennung erfolgt der Transfer des Fluids durch die Trennschicht, anschließend verteilt sich das Fluid in den Poren des Trägers, um zur Außenfläche des porösen Trägers zu strömen. Der Teil des zu behandelnden Fluids, der die Trennschicht und den porösen Träger durchquert hat, wird als Permeat bezeichnet und wird über eine die Membran umgebende Sammelkammer zurückgewonnen.
Auf dem technischen Gebiet der Membrane flacher Art liegt der poröse Träger in Form eines Blockes vor, in dem wenigstens ein Kanal und im allgemeinen eine Reihe von übereinander angeordneten Kanälen angeordnet ist, die jeweils einen polygonalen, im allgemeinen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Oberfläche der Kanäle ist mit wenigstens einer Trennlage überzogen.
Nach dem Prinzip der Tangential- oder Querstromfiltration zirkuliert das zu behandelnde Fluid mit hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche der Kanäle, um eine Scherspannung zu erzeugen, welche die auf dieser Oberfläche abgeschiedenen Stoffe wieder zerstreut. Auf diese Weise kommt es zu einer Reibung des Fluids auf der Oberfläche der Kanäle, was zum Vorliegen eines Druckverlustes führt, der in Abhängigkeit von der Länge der Kanäle linear variiert. Dieser Druckverlust hängt von Abmessungsparametern, wie der Länge der Membran, ihres hydraulischen Durchmessers, sowie von Versuchsparametern, wie der Zirkulationsgeschwindigkeit, der Viskosität und der volumenbezogenen Masse des zu behandelnden Fluids ab.
Da die wirkende Kraft der Filtration ein Druck ist, kommt es zu einer abnehmenden Änderung des Druckes des zu behandelnden Fluids entlang der Kanäle. Ein solcher Druckgradient verändert die Querströmung des Permeats, das die Trennlage, anschließend den porösen Körper durchquert. Der Durchsatz des Permeats ist folglich entlang der Membran variabel. Dieser Gradient des Durchsatzes des Permeats führt zu einer Heterogenität der durch die Membran vollzogenen Trennung, wodurch entlang der Kanäle unterschiedliche Trennbereiche entstehen.
Um zu versuchen, diese Nachteile zu beheben, beschreibt das Patent US 4 105 547 ein Gerät zur Tangential- oder Querstromfiltration, das ein System zum Ausgleich des Längsdruckverlustes einsetzt. Ein solches System beruht darauf, die Zirkulation des Permeats tangential außerhalb der Membran in der gleichen Richtung sicherzustellen, in der auch das in den Kanälen tangential zirkulierende, zu behandelnde Fluid fließt. Der Druckverlust der Strömung des Permeats ist mit dem des zu behandelnden Fluids identisch. Es kommt folglich zu einem Ausgleich zwischen den beiden Druckverlusten, so daß der Druck an jeder Stelle entlang der Kanäle der gleiche ist.
Ein solches Gerät weist den Nachteil auf, daß es den Einsatz einer Schleife zur Rückzirkulation des Permeats benötigt, was die Herstellung derartiger Geräte erheblich kompliziert und die mit dem Betrieb dieser zusätzlichen Schleife verbundenen Energiekosten erhöht.
Um diese Nachteile zu beheben, schlägt die Patentanmeldung EP 0 870 534 einen makroporösen Träger vor, dessen Außenporosität derart verändert wird, daß es zu einem Porositätsgradienten entlang dieses gesamten Trägers kommt. Dieser Porositätsgradient bringt einen Permeabilitätsgradienten zum Vorschein. Aufgrund der Änderung des Druckes wird der Permeatstrom, der die Membran durchquert, konstant. Wenn eine solche Lösung ermöglicht, lediglich den Träger zu verändern, weist diese Technik den Nachteil auf, daß die Außenporosität des Trägers verringert wird, wodurch die Anhäufung der Moleküle oder Partikel, welche die Trennschicht durchquert haben und die statistisch gesehen durch den Teil des Trägers mit verringerter Porosität festgehalten werden können, erleichtert wird. Praktisch nimmt der Durchmesser der Poren entlang eines Querschnittes eines solchen Trägers zu, nimmt anschließend an dessen Umfang ab, so daß die Gefahr einer Anhäufung der Moleküle oder Partikel besteht. Eine solche Anhäufung kann zur Zerstörung des Trägers führen. Darüber hinaus erfolgt die Verringerung der Porosität lediglich an dem äußeren Kranz des porösen Trägers. Somit wird die Porosität des Trägers in seinem inneren Teil nicht verringert. Zudem nimmt während des Trennvorganges der Druck innerhalb der Kanäle entlang der Strömungsrichtung des zu behandelnden Fluids ab. Das Permeat verteilt sich, nachdem es die Trennschicht durchquert hat, in die Innenporen und strömt nach außen, indem es einen Bereich aufsucht, der weniger Energie benötigt. Das Permeat strömt dann hauptsächlich über den porösesten Teil des Trägers. Unter diesen Bedingungen führt der auf diese Weise ausgebildete Porositätsgradient zum Auftreten von heterogenen Permeatströmen entlang der Länge der Membran.
Es ist außerdem bekannt, daß das Patent USA 4423 090 ein Filtrationselement für Gase beschreibt, das eine Reihe von Gaseintrittskanälen, die sich an einer ersten Hauptseite des Elements öffnen, sowie eine Reihe von Gasaustrittskanälen umfaßt, die sich an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Elements öffnen. Die Eintritts- und Austrittskanäle begrenzen zwischen sich Wände, deren Dicke vom Eingang zum Ausgang des Elements derart zunimmt, daß der Querschnitt der Eintrittskanäle vom Eingang zum Ausgang abnimmt. Die Partikel der Gase werden somit über die gesamte Länge der Kanäle gleichmäßig aufgefangen.
Ziel des Gegenstandes der Erfindung ist es folglich, die oben erwähnten Nachteile dadurch zu beheben, daß eine Membran zur Tangential- oder Querstromfiltration vorgeschlagen wird, die entsprechend ausgebildet ist, um einen im wesentlichen identischen Permeatstrom entlang der Membran zu erhalten, und die keinen schwachen Bereich aufweist, in dem sich Teilchen des zu behandelnden Fluids, die durch die Membran zurückgehalten werden, anhäufen.
Um ein solches Ziel zu erreichen umfaßt die erfindungsgemäße Membran einen starren, anorganischen, porösen Träger, der wenigstens einen Zirkulationskanal für das zu behandelnde Fluid begrenzt, das in einer vorgegebenen Richtung zirkuliert, wobei die Oberfläche des Kanals mit wenigstens einer Lage zum Trennen des zu behandelnden Fluids überzogen ist. Gemäß der Erfindung weist die Trennlage einen Dickegradienten auf, der sich entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids vermindert.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Herstellung einer Membran zur Tangential- oder Querstromfiltration eines zu behandelnden Fluids vorzuschlagen. Gemäß der Erfindung besteht ein solches Verfahren darin, die Oberfläche des Kanals mit wenigstens einer Trennlage zu überziehen, die einen Dickegradienten aufweist, der sich entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids vermindert.
Verschiedene weitere Merkmale gehen aus der Beschreibung hervor, die nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erfolgt, welche als nicht einschränkende Beispiele Ausführungs- und Einsatzformen des Gegenstandes der Erfindung zeigen.
1 zeigt eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membran.
2 zeigt eine Längsschnittansicht einer Membran im wesentlichen entlang der Linien II-II der 1.
3 ist eine Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membran.
Die 4 und 5 sind Tabellen, in denen die Versuchsmaße für eine Membran des Standes der Technik bzw. für eine erfindungsgemäße Membran angegeben sind.
Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, ist die Filtrationsmembran 1 gemäß der Erfindung entsprechend ausgebildet, um die Trennung oder Filtration von Molekülen oder Partikeln zu gewährleisten, die in einem fluiden, vorzugsweise flüssigem Medium, unterschiedlicher Arten, mit oder ohne eine feste Phase enthalten sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Filtrationsmembran 1 vom Typ röhrenförmig. Nach diesem Beispiel umfaßt die Filtrationsmembran 1 einen starren, anorganischen porösen Träger 2, der aus einem Material besteht, dessen Transferwiderstand an die durchzuführende Trennung angepaßt ist. Der poröse Träger 2 ist aus anorganischen Materialien, wie Metalloxiden, Kohlenstoff oder Metallen hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der poröse Träger 2 in länglicher Form ausgebildet, die sich entlang einer mittleren Längsachse A erstreckt. Der poröse Träger 2 besitzt einen polygonalen Querschnitt oder, wie in dem Beispiel, welches in den 1 und 2 dargestellt ist, einen kreisförmigen Querschnitt. Der poröse Träger 2 weist somit eine zylindrische Außenfläche 2₁ mit kreisförmigem Querschnitt auf.
Der poröse Träger 2 ist ausgebildet, um wenigstens einen und, in dem dargestellten Beispiel, drei Kanäle 3 aufzuweisen, die parallel zur Achse A des Trägers ausgebildet sind. Die Kanäle 3 weisen jeweils eine Fläche auf, die mit wenigstens einer Trennlage 4 überzogen ist, welche dazu bestimmt ist, mit dem zu behandelnden fluiden Medium in Kontakt zu sein, das in den Kanälen 3 entlang einer durch die Pfeile f dargestellten Zirkulationsrichtung zirkuliert, die ermöglicht einen Eingang E und einen Ausgang S für eine solche Membran festzulegen. Die Art der Trennlage oder Trennlagen 4 ist in Abhängigkeit von der zu erzielenden Trenn- oder Filtrationsleistung gewählt und bildet mit dem porösen Träger 2 eine innige Verbindung, derart, daß der von dem flüssigen Medium stammende Druck auf den porösen Träger 2 übertragen wird. Diese Schicht oder Schichten können beispielsweise aus Suspensionen abgeschieden werden, die wenigstens ein Metalloxid enthalten, das herkömmlicherweise bei der Herstellung der mineralischen Filtrationselemente verwendet wird. Diese Schicht oder Schichten werden nach dem Trocknen einem Sinterprozeß unterzogen, der ermöglicht, sie zu festigen und sie untereinander sowie mit dem porösen Träger 2 zu verbinden. Ein Teil des fluiden Mediums durchquert die Trennschicht 4 und den porösen Träger 2, so daß dieser behandelte Teil des Fluids, der als Permeat bezeichnet wird, über die Außenfläche 2₁ des porösen Trägers abläuft.
Gemäß der Erfindung hat die Trennlage 4 einen Dicke e, die einen Gradienten aufweist, der entlang der Zirkulationsrichtung f des zu behandelnden Fluids abnimmt. Somit liegt der dickste Teil der Schicht 4 am Eingang E der Membran vor, während sich der dünnste Teil der Schicht 4 am Ausgang S der Membran befindet. So ist bei einer Trennlage 4, deren Permeabilität unabhängig von der Dicke der Lage 4 konstant ist, der diese Lage 4 und den porösen Träger 2 durchquerende Permeatstrom entlang der Membran konstant, in dem Maße wie sich die Dicke e dieser Schicht 4 proportional zum Druck ändert. In der Tat weist der Druck des zu behandelnden Fluids einen Gradienten auf, der entlang der Zirkulationsrichtung f des Fluids, nämlich vom Eingang E bis zum Ausgang S der Membran abnimmt. Der Dickegradient der Schicht ist also derart gewählt, daß ein konstanter Permeatdurchsatz über die gesamte Länge der Membran erhalten wird.
Wie aus dem in 2 dargestellten Beispiel genauer hervorgeht, weist die Trennlage 4 einen Dickegradienten auf, der im wesentlichen kontinuierlich entlang der Zirkulationsrichtung f des zu behandelnden Fluids abnimmt. Es ist anzumerken, daß in den Figuren das Abmessungsverhältnis zwischen der Trennlage 4 und dem porösen Träger 2 nicht eingehalten ist, daß jedoch die Trennlage 4 in größerem Maßstab dargestellt wurde, um den Gegenstand der Erfindung zu veranschaulichen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 3 dargestellt ist, weist die Trennlage 4 einen Dickegradienten auf, der entlang der Zirkulationsrichtung f des zu behandelnden Fluids in Stufen P_i abnimmt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Trennlage 4 vier Stufen P₁ bis P₄ auf, deren jeweilige Dicke entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids abnimmt. Vorzugsweise weisen die Stufen P₁ bis P₄ der Trennlage 4 alle eine entlang der Zirkulationsrichtung genommene Länge auf, die im wesentlichen identisch ist. In dem dargestellten Beispiel weist die Schicht 4 eine entlang jeder Stufe P₁ bis P₄ im wesentlichen konstante Dicke auf. So ist die Dicke der Schicht der Stufe P₄, welche dem Eingang E am nächsten gelegen ist, größer als die Dicke der Schicht der benachbarten Stufe P₃ und so weiter für die anderen aufeinanderfolgenden Stufen. Es ist anzumerken, daß in Betracht gezogen werden kann, daß für jede Stufe P₁ bis P₄ die Dicke der Schicht nicht konstant ist, sondern entlang der Zirkulationsrichtung f nach und nach abnimmt, während es im Bereich des Verbindungsbereichs von zwei aufeinanderfolgenden Stufen zu einem Dickesprung der Schicht kommt.
Es ist anzumerken, daß die oben beschriebenen Beispiele eine Membran betreffen, die Kanäle umfaßt, die jeweils eine zylindrische Form mit im wesentlichen eiförmigem Querschnitt aufweisen. Selbstverständlich kann der Gegenstand der Erfindung für Membrane eingesetzt werden, die einen oder mehrer Kanäle abwechslungsreicher und unterschiedlicher Formen aufweisen. Im gleichen Sinn ist klar, daß der Gegenstand der Erfindung auf eine Membran mit wenigstens einem Kanal 3 mit polygonalem Querschnitt angewandt werden kann, die in einem porösen Block angeordnet ist, um eine Membran vom Typ flache Membran zu bilden. Bei diesem Membrantyp umfaßt der poröse Träger 2 eine Reihe von übereinander angeordneten Kanälen 3, die jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und deren Wände mit einer Trennlage überzogen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Herstellung einer Filtrationsmembran 1, wie sie oben beschrieben ist, vorzuschlagen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Membran, wie sie in 3 dargestellt ist. Ein solches Verfahren beruht darauf, jeden Kanal 3 in eine Reihe von Abschnitten P_i, beispielsweise in vier Abschnitte P₁ bis P₄ in dem dargestellten Beispiel, mit im wesentlichen gleicher Länge zu unterteilen. Die Oberfläche jedes Kanals 3 wird anschließend mit einer Trennlage 4 dadurch überzogen, daß ebenso viele Abscheidungen durchgeführt werden, wie Abschnitte P_i vorhanden sind. In dem dargestellten Beispiel wird die Schicht 4 durch vier aufeinanderfolgende Abscheidungen einer Suspension erhalten, die unterschiedliche Bestandteile einschließt, die in allgemeiner Form von Körnern vorliegen. In herkömmlicher und wohl bekannter Weise wird die Dicke der Abscheidung durch die Parameter der Konzentration der Suspension und der Kontaktzeit zwischen der Suspension und dem porösen Träger 2 kontrolliert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Abscheidungen auf der Oberfläche der Kanäle 3 ausgehend von dem betrachteten Eingangsende E und unter Verringerung um eine Abschnittslänge für jeden darauffolgenden Überzug durchgeführt. So wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einer Trennlage 4 mit vier Abschnitten P₁ bis P₄ eine erste Abscheidung einer Suspension auf den vier Abschnitten P₁ bis P₄ der Membran durchgeführt. Anschließend wird eine zweite Abscheidung auf den Abschnitten P₄ bis P₂, eine dritte Abscheidung auf den Abschnitten P₄ und P₃ sowie eine vierte Abscheidung auf dem Abschnitt P₄ durchgeführt. Auf diese Weise erhält man eine Trennlage 4, die einen Dickegradienten aufweist, der stufenweise von einem Ende E zum anderen Ende S der Membran abnimmt.
Es ist anzumerken, daß die Herstellung einer Membran gemäß der Erfindung durch eine andere Technik erfolgen kann, die darin besteht, den porösen Träger 2 vertikal anzuordnen und die Kanäle 3 mit einer Suspension zum Abscheiden der zu erhaltenden Trennlage 4 zu füllen. Aufgrund der vertikalen Anordnung des porösen Trägers 2 weicht der Druck in dem unteren Teil des Trägers von demjenigen des oberen Teils um einen Wert ab, der proportional zur Höhe des porösen Trägers 2 ist. Der auf diese Weise hergestellte Überzug nimmt ein sogenanntes „Billardstock"-Aussehen an, so daß die Dicke der Trennlage 4 ausgehend von dem oberen Teil des porösen Trägers zunimmt. Es sei daran erinnert, daß die Dicke der Abscheidung der Trennschicht 4 von der Kontaktzeit zwischen dem porösen Träger 2 und der Suspension abhängt. Überdies ist vorgesehen, die Kanäle 3 nach und nach zu leeren, um eine Verweilzeit für die Abscheidsuspension in diesen Kanälen zu erzielen, die progressive zunimmt. Auf diese Weise kann eine Trennlage 4 erhalten werden, die einen Dickegradienten aufweist, der ausgehend von dem oberen Ende bis zu dem unteren Ende des Trägers zunimmt. Eine solche Membran weist eine Trennschicht 4 auf, deren Dickegradient entlang der Zirkulationsrichtung des Fluids abnimmt; ihr Eingang E wird als der untere Teil des Trägers und ihr Ausgang S als der obere Teil des Trägers betrachtet.
Selbstverständlich kann die Herstellung einer Filtrationsmembran, die eine Trennschicht mit einem Dickegradienten aufweist, durch andere Abscheideverfahren als die oben beschriebenen erfolgen. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, daß die Abscheidung der Trennlagen nach den herkömmlichen und auf dem technischen Gebiet wohl bekannten Arbeitsverfahren durchgeführt wird, so daß diesbezüglich keinerlei zusätzliche Erläuterung gegeben wird.
Die erfindungsgemäße Filtrationsmembran 1 ermöglicht, auf relativ einfache Weise und ohne das Risiko der Versprödung der Membran durch die Festlegung eines Dickegradienten der Trennlage, der entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids abnimmt, einen konstanten Permeatdurchsatz entlang der gesamten Membran zu erzielen. Eine solche Eigenschaft wird durch Vergleichen der Tabellen der 4 und 5 deutlich.
Für den nachfolgenden Versuch wird ein poröser Träger 2 mit einem Kanal mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 6 mm und einer Länge von 1200 mm verwendet. Dieser poröse Träger weist einen durchschnittlichen Poren-Äquivalentdurchmesser von 5 μm auf. An den Wänden des Kanals ist ein Überzug aus einer Titanoxidsuspension ausgebildet, die – nach dem Sintern – ermöglicht, einen mittleren Äquivalentdurchmesser dieses Überzugs von 1,5 μm zu erhalten. Um die Homogenität des Überzugs zu analysieren, wird die so hergestellte Membran 1 in vier Abschnitte P₁ bis P₄ gleicher Länge geschnitten, und jeder Abschnitt wird hinsichtlich Wasserdurchlässigkeit gemessen.
Die Tabelle der 4 zeigt auf der Grundlage von Wasser als Fluid und für die Abschnitte einer Membran des Standes der Technik:

– die Dicke der Trennlage mit einem mittleren Poren-Äquivalentdurchmesser von 1,5 μm
– sowie die Permeabilität der Trennlage.

Bei genauer Betrachtung dieser Tabelle wird man feststellen, daß die Werte bezüglich der Schichtdicke und folglich der Permeabilität für die verschiedenen Abschnitte der Membran relativ homogen sind.
Die Tabelle der 5 liefert vor allem die Eigenschaften der Dicke und der Permeabilität der Trennlage für eine Membran mit einem Kanal, der mit einer Schicht 4 überzogen ist, wie sie in Verbindung mit 3 beschrieben ist. Eine solche Membran gemäß der Erfindung umfaßt folglich eine Schicht 4, die durch vier aufeinanderfolgende Abscheidungen hergestellt wird, wodurch vier den Stufen P₁ bis P₄ entsprechende Abschnitte entstehen.
Der Vergleich der Abschnitte P₁ bis P₄ zeigt, daß die Dicke der Trennlage 4 entlang der Zirkulationsrichtung des Fluids, d.h. entlang der Richtung von der Stufe P₄ zur Stufe P₁ abnimmt. Außerdem ist anzumerken, daß die Permeabilität der Trennlage 4 im wesentlichen konstant ist.
Die Tabelle der 5 zeigt auch für drei Zirkulationsgeschwindigkeiten, die drei Druckverlustwerten entsprechen, sowie für jeden Abschnitt den durchschnittlichen Druck, den Permeatdurchsatz und das Verhältnis zwischen dem Durchsatz des Eingangsabschnitts und dem Durchsatz des Ausgangsabschnitts bei einer erfindungsgemäßen Membran, wie sie in 3 dargestellt ist. Es kann festgestellt werden, daß das Ziel der Erfindung erreicht ist, in dem Maße wie unabhängig von jeglichem mechanischem System ein im wesentlichen konstanter Permeatdurchsatz erzielt werden kann, ganz gleich wie das betrachtete Oberflächenelement innerhalb der Membran aussieht. In der Tat liegt das Verhältnis zwischen dem Durchsatz des Eingangsabschnitts und dem Durchsatz des Ausgangsabschnitts sehr nahe 1 und weist einen Wert auf, der im Vergleich zum Durchsatzverhältnis, das bei einer herkömmlichen Membran erhalten wird, deren Ergebnisse aus der Tabelle der 4 ersichtlich sind, geringer ist.
Die genaue Betrachtung des Verhältnisses des Durchsatzes des Eingangsabschnitts P₄ zu dem Durchsatz des Ausgangsabschnitts P₁ für eine erfindungsgemäße Membran (5) macht deutlich, daß der Durchsatz des Ausgangsabschnitts geringfügig größer ist als der Durchsatz des Eingangsabschnitts (Verhältnis geringer als 1). Derartige Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit des Einsatzes einer Trennschicht, die einen Dickegradienten aufweist, der entlang der Zirkulationsrichtung des Fluids abnimmt, in dem Maße wie der Durchsatz des Permeats entlang der gesamten Membran im wesentlichen identisch ist. Der Wert kleiner 1 des Verhältnisses des Durchsatzes des Eingangsabschnitts zu dem Durchsatz des Ausgangsabschnitts erklärt sich durch den Einsatz einer Trennlage 4, deren Dicke gegenüber dem Wert des durch das Fluid ausgeübten Druckes geringfügig zu groß ist. Die Wahl des Wertes des Dickegradienten der Trennlage 4 ist derart gewählt, daß unter Berücksichtigung der Funktionsparameter der Membran entlang der gesamten Membran ein konstanter oder im wesentlichen konstanter Permeatdurchsatz erzielt werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt wird der Wert des Dickegradienten der Trennlage 4 in Abhängigkeit von dem Wert des Gradienten des Druckes des in dem Kanal zirkulierenden Fluids gewählt, um einen entlang der gesamten Membran konstanten Permeatdurchsatz zu erhalten. Es ist anzumerken, daß der Permeatdurchsatz als entlang der gesamten Membran konstant betrachtet wird, wenn die Abweichung zwischen dem maximalen Permeatdurchsatz, den ein Abschnitt der Membran aufweist, und dem minimalen Permeatdurchsatz, den ein anderer Abschnitt der Membran aufweist, um 20 % schwankt. So muß das Verhältnis des Durchsatzes des Permeats des den größten Wert aufweisenden Abschnitts zu dem Durchsatz des Permeats mit dem kleinsten Wert zwischen 1 und 1,2 liegen.
Die genaue Betrachtung der 5 ermöglicht festzustellen, daß der Wert der Zirkulationsgeschwindigkeit V des zu behandelnden Fluids das Verhältnis des Permeatdurchsatzes zwischen insbesondere dem Eingangs- und dem Ausgangsabschnitt verändert. Es ist überdies zu berücksichtigen, daß der Dickegradient für einen gegebenen Wert der Zirkulationsgeschwindigkeit des Fluids bestimmt wird. In dem dargestellten Beispiel ist die Dicke der Trennlage 4 besonders für eine Zirkulationsgeschwindigkeit des Fluids von gleich 5 m/s angepaßt. Es ist jedoch anzumerken, daß eine solche Membran ihre Wirksamkeit selbst bei unterschiedlichen Zirkulationsgeschwindigkeitswerten des zu behandelnden Fluids beibehält.
Die genaue Betrachtung der 5 ermöglicht auch, durch einen Vergleich der Permeabilität der Trennlage 4 mit dem Durchsatz des Abschnitts aufzuzeigen, daß die Permeabilität des porösen Trägers 2 größer ist als diejenige der Trennlage 4. Es sei daran erinnert, daß ein poröser Träger 2 herkömmlicherweise einerseits die mechanische Festigkeit gegenüber dem Transferdruck gewährleisten und andererseits eine ausreichend hohe Permeabilität aufweisen muß, um nicht eine Filtrationsbremse darzustellen.

Claims

Membran zur Querstromfiltration eines zu behandelnden Fluids, wobei die Membran einen starren, anorganischen, porösen Träger (2) umfaßt, der wenigstens einen Zirkulationskanal (3) für das zu behandelnde Fluid begrenzt, das in einer vorgegebenen Richtung (f) zirkuliert, wobei die Oberfläche des Kanals (3) durch wenigstens eine Lage zum Trennen (4) des zu behandelnden Fluids in eine Permeat genannte Fraktion bedeckt ist, welche die Lage und den Träger durchquert. dadurch gekennzeichnet, daß die Lage zur Trennung (4) einen Dickegradienten (e) aufweist, der sich entlang der Zirkulationsrichtung (f) des zu behandelnden Fluids vermindert.
Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage zur Trennung (4) einen Dickegradienten aufweist, der sich im Wesentlichen kontinuierlich entlang der Zirkulationsrichtung (f) von zu behandelndem Fluid vermindert.
Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage zur Trennung (4) einen Dickegradienten aufweist, der sich in Stufen (P_i) entlang der Zirkulationsrichtung (f) des zu behandelnden Fluids vermindert.
Membran nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (P_i) der Lage zur Trennung (4) alle eine entlang der Zirkulationsrichtung (f) gemessene Länge aufweisen, die im Wesentlichen identisch ist.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Kanal (3) mit zylindrischer Form umfaßt.
Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Kanal (3) mit polygonalem Querschnitt aufweist.
Verfahren zur Ausführung einer Membran zur Querstromfiltration eines zu behandelnden Fluids, umfassend einen porösen, starren, anorganischen Träger (2), der wenigstens einen Kanal (3) zur Zirkulation für das zu behandelnde Fluid begrenzt, daß entlang einer vorgegebenen Richtung (f) zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Oberfläche des Kanals (3) durch wenigstens eine Lage zur Trennung (4) des zu behandelnden Fluids zu bedecken, welche einen Dickegradienten aufweist, der sich entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids vermindert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Oberfläche des Kanals (3) durch eine Lage zur Trennung (4) zu bedecken, die einen Dickegradienten aufweist, der sich im Wesentlichen kontinuierlich entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids vermindert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, den Wert des Dickegradienten der Lage zur Trennung (4) in Abhängigkeit des Wertes des Druckgradienten des zu behandelnden Fluids, daß in dem Kanal zirkuliert, zu wählen, um einen konstanten Permeatdurchsatz über die gesamte Membran hinweg zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Oberfläche des Kanals (3) durch eine Lage zur Trennung (4) zu bedecken, die einen Dickegradienten aufweist, der sich in Stufen (P_i) entlang der Zirkulationsrichtung des zu behandelnden Fluids vermindert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Oberfläche des Kanals (3) durch eine Lage zur Trennung (4) zu bedecken, die einen Dickegradienten aufweist, der sich gemäß Stufen (P_i) vermindert, welche alle eine entlang der Zirkulationsrichtung (f) genommene Breite aufweisen, die im wesentlichen identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht: die Länge jedes Kanals (3) in eine Reihe von Abschnitten (P_i) mit im Wesentlichen gleicher Länge zu unterteilen, und die Oberfläche jedes Kanals (3) mit einer Lage zur Trennung (4) zu bedecken, indem so viele Abscheidungen durchgeführt werden, wie es Abschnitte gibt, ausgehend vom Eingangsende des Kanals und unter Verminderung um eine Länge eines Abschnitts für jede aufeinander folgende Abscheidung.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Abscheidung der Lage zur Trennung (4) auf dem porösen Träger (2) sicherzustellen: indem der poröse Träger (2) vertikal angeordnet wird, indem jeder Kanal (3) durch eine Suspension zur Abscheidung der Lage zur Trennung gefüllt wird, und indem jeder Kanal (3) fortschreitend in Hinblick darauf geleert wird, eine Verweilzeit für die Abscheidungssuspension im Inneren des Kanals zu erhalten, die sich fortschreitend vergrößert, um eine Trennlage (4) zu erhalten, die einen Dickegradienten aufweist, der sich entlang der Zirkulationsrichtung (f) des Fluids vermindert, welcher betrachtet wird als sich vom unteren Ende zum oberen Ende des porösen Trägers (2) etablierend.