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Dokumentenidentifikation DE19938674A1 15.02.2001
Titel Flachmembranstapel und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Tudyka, Stefan, Dr., 17291 Ludwigsburg, DE;
Stroh, Norbert, Dipl.-Ing., 71106 Magstadt, DE;
Adler, Jörg, Dipl.-Krist., 01662 Meißen, DE;
Lenk, Reinhard, Dr., 02779 Großschönau, DE;
Richter, Hans-Jürgen, Dr., 01257 Dresden, DE
Vertreter Rauschenbach, M., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 01187 Dresden
DE-Anmeldedatum 06.08.1999
DE-Aktenzeichen 19938674
Offenlegungstag 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse B01D 71/02
IPC-Nebenklasse B01D 67/00   B01D 69/06   B01D 63/08   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Separationstechnik und betrifft einen Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen beispielsweise für die Trennung von Öl-Wasser-Emulsionen und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flachmembranstapel mit erhöhter mechanischer Stabilität anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Flachmembranstapel aus mindestens zwei keramischen Flachmembranen, die aus mindestens zwei Schichten gleicher Dicke bestehen, wobei mindestens zwischen den beiden Flachmembranen Abstandshalter angeordnet sind.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Flachmembranstapeln, bei dem aus einer der Suspensionen mindestens eine Teilschicht geformt, danach eine zweite Teilschicht aus der anderen Suspension oder Lösung geformt wird, wobei mindestens eine der Teilschichten oder eine der Schichten mit Abstandshaltern geformt und zu Flachmembranen verbunden und gesintert und daraus Flachmembranstapel hergestellt werden, oder wobei Abstandshalter geformt und vor oder nach dem Sintern auf den Schichten positioniert und zu Flachmembranstapeln verbunden werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Filter- und Separationstechnik und der Keramik und betrifft einen Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen für den Einsatz in der Flüssigkeitsfiltration und der Gasseparation und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Derartige Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen werden bevorzugt in Form von Modulen (Gehäuse), die aus einem oder mehreren Flachmembranstapeln bestehen, eingesetzt und beispielsweise für die Trennung von Öl-Wasser-Emulsionen in der spanabhebenden Fertigungsindustrie oder für die Klärung von Bier in der Lebensmittelindustrie herangezogen.

Keramische Membranen für Filtrationsanwendungen gibt es mit planarer Geometrie und Rohrgeometrie. Die Membranen in Rohrgeometrie bestehen aus ca. 1 m langen Rohren (Monokanalelemente). Zur Erzielung einer möglichst großen Membranfläche werden rohrförmige Multikanalelemente angewandt, die im Vergleich zu Monokanalelementen ein deutlich höheres Verhältnis von Membranfläche zu Modulvolumen erreichen. Derartige Multikanalelemente bestehen aus einem monolithischen Träger mit 7, 19, 37, 61 oder 91 Einzelkanälen mit einem Kanaldurchmesser von 2-4 mm. Durch Erhöhung der Kanalzahl kann die nutzbare Filtrationsfläche weiter erhöht werden. Dies ist jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt möglich. Bei konstantem Außendurchmesser des Rohres ist die Zahl der Kanäle nicht beliebig erhöhbar, da sonst die Wandstärken zu gering werden und somit die mechanische Stabilität nicht mehr ausreichend gewährleistet ist. Daneben wird mit zunehmender Kanalzahl die Permeatabführung der inneren Kanäle durch die Keramik nach außen erschwert.

Aus diesen Gründen setzen sich zunehmend planare Geometrien keramischer Membranen, also Flachmembranen, durch, mit welchen sich ein nochmals höheres Verhältnis von Membranfläche zu Modulvolumen realisieren läßt.

Planare Flachmembranen werden in Scheibenform mit Durchmessern von 9 oder 15 cm oder in Rechteckform mit Abmessungen bis zu 300 mm × 200 mm eingesetzt. Für einen möglichst breitbandigen Einsatz werden diese keramischen Flachmembranen in einem Modul aus einem chemisch und thermisch widerstandsfähigen Material, nahezu ausschließlich aus Edelstahl, untergebracht. Derartige Module bestehen aus folgenden Komponenten:

  • - Behälter zur Aufnahme der Membranen,
  • - Zuführung des zu bearbeitenden Mediums (Feed),
  • - Abführung des gereinigten Mediums (Permeat),
  • - Abdichtung zwischen Feed- und Permeat-Raum.

Die keramischen Flachmembranen befinden sich in den Modulen parallel übereinander. Die Fixierung der Flachmembranen variiert und ist von der Geometrie der Flachmembranen abhängig.

Scheibenförmige Flachmembranen weisen oft einen dreischichtigen Aufbau auf ("Kassetten"), bei dem das Feed allseitig von außen durch die Membran in das innere Volumen der Kassetten eintreten kann. Das Permeat wird der Mitte der Kassetten zugeführt, gesammelt und dort durch ein zentral in der Mitte der Kassetten befindliches Sammelrohr senkrecht nach oben bzw. unten abtransportiert (DE 1 96 24 176 C2). Mehrere dieser Kassetten sind übereinander gestapelt und jeweils durch Dichtungsringe (O-Ringe) miteinander in Kontakt. Die Abdichtung der Kassetten erfolgt durch Anlegen von ober- oder unterseitigem Druck auf die Kassetten und damit auf die Dichtungsringe, wodurch ein Eindringen von Feed in den Spalt zwischen zentralem Sammelrohr und Ober- bzw. Unterkante der Kassetten vermieden wird. Das Feed trifft frontal auf die Kassetten bzw. auf die Membran auf. Die Fixierung der Kassette wird ausschließlich durch das Sammelrohr gewährleistet. Der von oben oder unten angelegte Druck darf einen gewissen Wert nicht übersteigen, um den dreischichtigen Aufbau der Kassette an dem Sammelrohr nicht zu beschädigen. Üblicherweise werden keramische Membranen mit hohen Überströmgeschwindigkeiten gefahren (bei > 10 m/s). Dies verursacht auch sehr hohe Strömungskräfte. Es ist offensichtlich, daß in dieser Anordnung die mechanische Stabilität der Membranen schlecht ist. Besonders beim Auftreffen der Feedlösung auf die am Außenrand des Trägers befindlichen Bereiche führt die ungünstige Hebelwirkung zu einem leichten Bruch der Kassetten im Zentrum am Sammelrohr.

Flachmembranen in Rechteckform werden derart in einem Gehäuse untergebracht, daß diese Flachmembranen an allen vier Seiten mit dem Gehäuse verbunden sind (US 5,554,282). Die Flachmembranen sind dabei als Pakete mit Feed- und Permeatkanal gefertigt. Mehrere dieser Pakete stellen eine Einheit dar, zwischen denen sich Edelstahlplatten und Dichtungen auf jeder Seite befinden. Die Edelstahlplatten verfügen über Retentat- und Permeatdurchgänge. Die Einheiten werden zwischen eine bewegliche und eine feste Halterung gespannt und können hierdurch gegeneinander abgedichtet werden. Das Feed zirkuliert tangential von der einen zur anderen Seite des Pakets, das Permeat wird im Inneren aufgenommen und dann zum Permeatausgang geleitet.

In diesem System trifft das Feed tangential auf die Membranoberfläche auf und die bei den Flachmembranen in Rundgeometrie herrschende frontale Anströmung wird vermieden. Zudem sind alle vier Seiten der Flachmembranen mechanisch abgestützt. Daher stellt dieses System hinsichtlich der mechanischen Stabilität der Membranen eine Verbesserung des Modulkonzeptes von keramischen Flachmembranen dar.

Bei unerwarteten, impulsartigen Druckerhöhungen der Feedlösung oder des zur Rückspülung, d. h. zur Entfernung von Ablagerungen auf der Membran, verwendeten Permeats sind die Flachmembranen in Scheibengeometrie und die Flachmembranen in Rechteckform aber erhöhten Spannungen ausgesetzt. Dies kann unter Umständen zum Bruch der Keramik führen. Gleiches gilt auch für die Verwendung von Druckluft zum Entfernen der Deckschicht, einem ebenfalls gängigen Verfahren zur Reinigung von Membranen. Derartige Druckschwankungen sind in der Praxis häufig und bewirken im Extremfall einen Zeit- und kostenintensiven Austausch einzelner Kassetten oder Pakete.

Die Nachteile der bisherigen keramischen Flachmembranen und ihrer Anordnung in Flachmembranstapeln bestehen darin, daß zum einen, aufgrund der Konstruktionsform, sehr hohe Strömungsdruckverluste auftreten. Zum anderen ist die mechanische Stabilität der Membranen konstruktions- und geometriebedingt schlecht. Dieser Nachteil verstärkt sich mit abnehmender Dicke der Flachmembranen bzw. der Träger, steht also dem Wunsch nach einer hohen Durchsatzleistung durch die Membran entgegen. In der Praxis ist eine Kompromißlösung aus hinreichender Stabilität und Durchsatzleistung akzeptiert.

Ansätze zur Erhöhung der Festigkeit bestehen beispielsweise in der Herstellung zweier Membranflachfolien, die durch eine stoffgleiche, aber absolut dichte Distanzhalterung in Wellenform voneinander getrennt werden (DE 43 35 122 A1). Die Seite der Membran, welche vom Feed angeströmt wird, besitzt eine ebene, d. h. nicht strukturierte Oberfläche. Nachteilig sind der hohe, kostenintensive Materialeinsatz und die aufwendige Fertigung, die einer breiten Anwendung entgegenstehen. Dieses Konzept ist bislang nicht realisiert.

In dem Patent DE 43 29 473 C1 ist eine druckstabile anorganische Flachmembran beschrieben, bei der auf der Permeatseite halbkreisförmige Rillen enthalten sind. Die Rillen nehmen die Druckdifferenz zwischen Feed- und Permeatseite in der Membran auf und dienen zugleich als Filtratsammelkanäle. Zwei derartige Membranen bilden vorteilhafterweise kreisrohrförmige Kanäle. Es wird in diesem Patent angegeben, daß "die Membranen zu einem Modul gestapelt werden". Es wird dabei von "geeigneten Dichtungen in Abständen von wenigen mm" gesprochen. Konkrete Aussagen zur Anordnung geeigneter Dichtungen bzw. Abstandshalter werden nicht gemacht. Auch liegen keine Informationen zur Geometrie und Struktur der Dichtungen bzw. Abstandshalter vor. Aus dieser Beschreibung und Abbildungen ist zu entnehmen, daß die Flachmembranen ausschließlich in Parallelstrom- Betriebsweise betrieben werden können.

Die bisherige Technologie zur Herstellung von keramischen Flachmembranen besteht aus folgenden Schritten:

1. Herstellung des Supportes
  • - Mischen von eng fraktionierten Pulvern im Größenbereich einiger µm mit bekannten Formgebungshilfsmitteln,
  • - Formgebung,
  • - Sintern.
2. Herstellung einer Teilschicht auf dem Support
  • - Suspensionsherstellung aus feinen, ebenfalls möglichst eng fraktionierten Pulvern mit Korngrößen, die kleiner sind als die des Supportes,
  • - Beschichtung des Supportes durch z. B. Dipcoating,
  • - Trocknen,
  • - Sintern,

    gegebenenfalls mehrmalige Wiederholung der letzten drei Teilschritte.
3. Herstellung einer weiteren Teilschicht auf der ersten Teilschicht
  • - Suspensionsherstellung aus feinen, möglichst eng fraktionierten Pulvern mit Korngrößen, die kleiner sind als die der vorherig aufgebrachten Teilschicht, oder Solherstellung
  • - Beschichten der ersten Teilschicht durch z. B. Dipcoating,
  • - Trocknen,
  • - Sintern,

    gegebenenfalls mehrmalige Wiederholung der letzten drei Teilschritte.
4. Fertigung der Module
  • - Versiegeln der Endstücke (Abdichtung),
  • - Montage.

Nach der Herstellung der keramischen Flachmembranen müssen die Endbereiche der Flachmembranen versiegelt werden. Anschließend erfolgt der Einbau der Flachmembranen in Module, wobei zwischen Flachmembranen und Module Abdichtungen integriert werden, um das Vermischen von Feed und Permeat zu verhindern.

Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß der hauptsächliche Nachteil des bekannten Herstellungsverfahrens die aufwendige Wiederholung der Aufbringung, Trocknung und Sinterung der Teilschichten ist. Diese Herstellungsteilschritte sind besonders kostenintensiv.

Es hat bereits Untersuchungen gegeben, dieses Herstellungsverfahren durch Integration der Beschichtung in den Formgebungsprozeß zu verbessern (T. Moritz u. a., British Ceramic Proceedings No. 60, Vol. 2, 245-246, 1999). Dies wurde über die Zentrifugation einer Pulversuspension mit beispielsweise zwei Pulverfraktionen untersucht, wobei jede Pulverfraktion eine enge Partikelgrößenverteilung aufweist. Nach beendeter Zentrifugation und Sinterung liegt ein Porengradient vor, wobei kleine Poren im oberen Bereich und größere Poren im unteren Bereich der Scheibe vorliegen.

Die Porengrößenverteilung der auf diese Art hergestellten Scheiben ist aber sehr breit und daher für einen technischen Einsatz völlig unzureichend.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen anzugeben, der eine erhöhte mechanische Stabilität bei günstigen Strömungsverhältnissen aufweist und bei dem die Realisierung der festigkeitserhöhenden Maßnahmen kostengünstig auch in den Produktionsschritt der Flachmembranen und/oder des Flachmembranstapels integriert werden kann.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Flachmembranstapel ist aus keramischen Flachmembranen aufgebaut, die mindestens zwei Schichten gleicher Dicke aufweisen, wobei jede dieser Schichten aus wiederum mindestens zwei Teilschichten aufgebaut ist. Diese beiden Teilschichten können sich hinsichtlich der stofflichen Zusammensetzung und Struktur voneinander unterscheiden oder auch nicht. In jedem Fall unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer mittleren Porengröße. Vorteilhafterweise sind die grobporöseren Teilschichten in Richtung des Permeates angeordnet.

Unter der mittleren Porengröße ist dabei die Größe zu verstehen, die alle mittleren Abmessungen (insbesondere Durchmesser, Radius, Querschnittsfläche, Volumen) der Poren und auch ihre mittlere Verteilung betrifft.

Unter unterschiedlich porös ist im Sinne der Erfindung insbesondere zu verstehen, eine unterschiedliche Porosität und/oder eine unterschiedliche mittlere Porengröße in den einzelnen Schichten und/oder Teilschichten.

Die Teilschichten sind vorteilhafterweise miteinander verbunden. Die Schichten sind vorteilhafterweise miteinander verbunden.

Die Schichten können eine planare oder nichtplanare Geometrie aufweisen. Unter einer planaren Geometrie soll gemäß dieser Erfindung verstanden werden, daß die Oberflächen der Schichten eben oder im wesentlichen eben sind. Alle nicht planaren Oberflächen sind also nicht eben oder im wesentlichen nicht eben.

Zwischen den einzelnen derart aufgebauten Flachmembranen sind erfindungsgemäß Abstandshalter angeordnet. Diese Abstandshalter können Bestandteil der Flachmembranen sein, wobei die Abstandshalter eine große Ähnlichkeit hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen, oder sie sind nicht Bestandteil der Schichten, wobei die Abstandshalter Abweichungen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Struktur besitzen können. Weiterhin sind die Abstandshalter zwischen den Flachmembranen so angeordnet, daß sie mit ihrer längeren Seite parallel oder nahezu parallel zur Richtung des einströmenden Feeds weisen.

Dabei können die Abstandshalter über die gesamte Länge und Breite der Flachmembran angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, daß der Querschnitt der Abstandshalter eine beliebige Geometrie aufweist. Vorteilhafterweise ist er rechteckig. Seine Geometrie kann sich auch über die Länge der Abstandshalter kontinuierlich oder diskontinuierlich ändern. Auch kann zwischen mehreren Flachmembranen die Geometrie des Querschnitts der Abstandshalter unterschiedlich sein und sie können über ihre Länge verdreht sein.

Auch können die Abstandshalter eine oder mehrere planare oder eine oder mehrere gewellte Flächen aufweisen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Flachmembranstapel aus keramischen Flachmembranen mögt ich.

Es werden mindestens zwei keramische Flachmembranen hergestellt, die aus mindestens zwei Schichten aufgebaut sind, wobei wiederum jede der beiden Schichten aus mindestens zwei Teilschichten besteht. Diese Teilschichten werden beispielsweise als Folie gegossen, wobei erst die eine Teilschicht als Folie gegossen und ganz oder teilweise getrocknet wird und anschließend auf diese Folie die zweite Folie aus dem Material für die zweite Teilschicht gegossen und getrocknet wird. Die beiden Teilschichten der beiden Schichten können gleiche oder unterschiedliche Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen. In jedem Fall haben sie aber eine unterschiedliche mittlere Porengröße.

Die Herstellung der Teilschichten und/oder der Schichten kann derart erfolgen, daß die Abstandshalter gleicher oder verschiedener Querschnittsgeometrie bereits bei der Herstellung der Teilschichten und/oder der Schichten in die Teilschichten und/oder Schichten integriert werden. Es wird dann eine Flachmembran und eine Flachmembran mit Abstandshaltern übereinander positioniert, kontaktiert und die Verfestigung der Einheit durch beispielsweise Sintern realisiert.

Es ist aber auch möglich, eine Flachmembran oder eine Flachmembran mit Abstandshaltern in gesintertem Zustand mit einer ungesinterten Flachmembran mit Abstandshaltern bzw. einer ungesinterten Flachmembran zu kontaktieren.

Die Verbindung der Teilschichten und/oder der Schichten mit den Abstandshaltern kann aber auch derart erfolgen, daß die Abstandshalter erst nach der Herstellung der Teilschichten und/oder Schichten erfolgt, beispielsweise durch Einlegen von Abstandshaltern mit Negativkontur in die nicht planare Seite einer Flachmembran mit Positivkontur. Die Abstandshalter können in ungesintertem Zustand oder in gesintertem Zustand vorliegen. Vorteilhafterweise liegen die Abstandshalter und die Flachmembranen in ungesintertem Zustand vor.

Durch die Verwendung der Abstandshalter wird eine vielfache Unterstützung der Flachmembranen bei geringer Beeinträchtigung der Strömung bewirkt. Es entsteht ein starres System, welches eine hohe Widerstandsfähigkeit bei großen Zug- und Druckbelastungen durch auftretende Strömungskräfte aufweist.

Durch die Anordnung der Abstandshalter zwischen den einzelnen Flachmembranen parallel zur Fließrichtung des eintretenden Feeds ist eine Betriebsweise auch im Kreuzstrom möglich.

Der modulare und stabile Aufbau der mit Abstandshaltern versehenen Flachmembranen ermöglicht eine einfache Konstruktion des Flachmembranstapels und eines Modules aus mehreren Flachmembranstapeln. Bei Verwendung einer Rundgeometrie des Moduls, also ungleich langen Flachmembranen, kann die Abdichtung beispielsweise durch einen kranzförmigen Außenring bewerkstelligt werden, dessen Herstellung im einfachsten Falle durch die bekannte Technik des Schleuderns erfolgt.

Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die Funktionsweise der Flachmembranstapel und eine mögliche Form und Anordnung der Abstandshalter im Flachmembranstapel.

Fig. 2 zeigt Möglichkeiten der Anordnung von Abstandshaltern.

Fig. 3 zeigt in gewellte Flachmembranen einlegbare Abstandshalter.

Fig. 4 zeigt ein Modul aus einem Flachmembranstapel in einem kranzförmigen Außenring.

Beispiel 1 Herstellung der Suspension 1

65 g Siliciumcarbidpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 µm und 11,5 g Borosilikatglaspulver werden in einer Lösung aus 9,8 g Polyvinylalkohol, 9,8 g Polyethylenglykol in 42 g Wasser dispergiert. Die Dispergierung erfolgt durch 5stündiges Rühren in einem Becherglas mittels Propellerrührer. Anschließend wird die Suspension in einer Vakuumbox bei einem Druck von 12 Pa entgast.

Herstellung der Suspension 2

50 g Siliciumcarbidpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1 µm und 7,2 g Borosilikatglaspulver werden in einer Lösung aus 6,5 g Polyvinylalkohol, 6,5 g Polyethylenglykol und 0,1 g Natriumpolycarbonat als Dispergiermittel in 32 g Wasser dispergiert. Die Dispergierung erfolgt durch gleichmäßiges Bewegen in einem geschlossenen Gefäß auf einem Rollenstuhl. In dem Gefäß befinden sich außer der Suspension 50 Achatkugeln mit einem Durchmesser von 10 mm. Nach der 2stündigen Dispergierung wird die Suspension über ein Sieb abgegossen und danach durch Ultraschallanwendung entgast.

Herstellung der Schicht 1

Die Suspension 1 wird auf einer Foliengießanlage zu einer Folie vergossen. Die Gießhöhe über der ebenen Unterlage beträgt 0,6 mm. Nach einer Trocknungszeit von 3 h bei Raumtemperatur wird über diese Folie die Suspension 2 mit einer Gießhöhe von 0,09 mm gegossen. Nach einer Trocknungszeit von 6 h bei Raumtemperatur wird die so aus zwei Teilschichten/Teilfolien bestehende Schicht/Folie von der Unterlage entfernt.

Herstellung der Schicht 2

Die Herstellung der Schicht 2 erfolgt analog dem Verfahren zur Herstellung der Schicht 1.

Nach dem Vorliegen der beiden Schichten im getrockneten Zustand werden aus beiden Quadrate der Abmessungen 100 × 100 mm2 geschnitten. Die Stücke der Schicht 2 werden in eine Form gelegt, die aus einem Rahmen 100 × 100 mm2 und aus zwei Preßstempeln mit einer gewellten Oberfläche besteht, und durch Anwendung eines Druckes von 2 MPa verformt. Anschließend werden die beiden Schichten, die eine geprägte und die eine ungeprägte, miteinander verbunden, wobei die aus der Suspension 1 hergestellten Teilschichten einander zugewandt sind. Durch dieses Verfahren ist eine Flachmembran mit Kanälen entstanden, die einen wellenförmigen Querschnitt aufweisen.

Herstellung der Abstandshalter

Aus einer nach obigem Verfahren hergestellten Teilschicht wird ein Quadrat der Abmessungen 100 × 100 mm2 geschnitten. Dieses Quadrat wird in eine Form gelegt, die aus einem Rahmen 100 × 100 mm2 und aus zwei Preßstempeln mit einer gewellten Oberfläche besteht, und durch Anwendung eines Druckes von 2 MPa verformt. Diese gewellte (nicht planare) Teilschicht wird auf eine Foliengießanlage positioniert und über diese Teilschicht wird die Suspension 1 gegossen, so daß sich die Rillen der gewellten Teilschicht mit der Suspension füllen. Das Rakelmesser befindet sich 0,5 mm über den konvexen, hervorstehenden Bereichen der gewellten Teilschicht.

Nach einer Trocknungszeit von 3 h bei Raumtemperatur wird die auf einer Seite ebene und auf der anderen Seite gewellte Teilschicht mit einer Schneidvorrichtung senkrecht zu der Richtung der Wellentäler oder Wellenberge in Bänder von 3 mm Breite geschnitten und die Bänder (Abstandshalter) bei 950°C an Luft gesintert. Die Herstellung von planaren, nicht gewellten Abstandshaltern erfolgt durch einfaches Beschneiden einer planaren Teilschicht auf einer Schneidvorrichtung.

Herstellung des Flachmembranstapels

Die Orientierung von planaren Abstandshaltern auf den Flachmembranen erfolgt derart, daß die Richtung der längeren Seite der Abstandshalter nahezu oder völlig senkrecht zu der Richtung der durch die gewellte (nicht planare) Flachmembran hervorgerufenen Kanäle verläuft. Die Abstandshalter sind jeweils ununterbrochen und kommen jeweils auf den konvexen Stellen der Kanäle der Flachmembranen zum Liegen (Fig. 1 und 2a).

Beispiel 2

Die Orientierung von planaren Abstandshaltern auf den Flachmembranen erfolgt derart, daß die Richtung der längeren Seite der Abstandshalter nahezu ganz oder völlig senkrecht zu der Richtung der durch die gewellte Flachmembran hervorgerufenen Kanäle verläuft. Die Abstandshalter sind einzeln unterbrochen und kommen jeweils auf den konvexen Stellen der Kanäle der Flachmembran zum Liegen (Fig. 1 und 2b).

Beispiel 3

Die Orientierung von planaren Abstandshaltern auf den Flachmembranen erfolgt derart, daß die Richtung der längeren Seite der Abstandshalter nahezu oder völlig senkrecht zu der Richtung der durch die gewellte Flachmembran hervorgerufenen Kanäle verläuft. Die Abstandshalter sind sowohl ununterbrochen als auch unterbrochen und kommen jeweils auf den konvexen Stehen der Kanäle der Flachmembran zum Liegen (Fig. 1 und Fig. 2a + 2b).

Beispiel 4

Die Orientierung von gewellten Abstandshaltern auf den Flachmembranen erfolgt derart, daß die Richtung der längeren Seite der Abstandshalter nahezu oder völlig senkrecht zu der Richtung der durch die gewellte Flachmembran hervorgerufenen Kanäle verläuft. Die Abstandshalter werden mit ihrer gewellten Seite und den konvexen Stellen in die konkaven Bereiche der Flachmembranen positioniert.


Anspruch[de]
  1. 1. Flachmembranstapel aus mindestens zwei keramischen Flachmembranen, die aus mindesten zwei Schichten gleicher Dicke, die aus mindestens zwei unterschiedlich porösen Teilschichten aufgebaut sind, bestehen, wobei mindestens zwischen den beiden Flachmembranen Abstandshalter angeordnet sind, die Bestandteil der Flachmembranen sind und/oder aus dem gleichen Material wie die Flachmembranen ganz oder teilweise bestehen und die Abstandshalter zwischen den Flachmembranen mit ihrer längeren Seite parallel oder nahezu parallel zur Richtung des einströmenden Feeds angeordnet sind.
  2. 2. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der mindestens eine der Schichten der keramischen Flachmembranen eine nicht planare Geometrie aufweist.
  3. 3. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die Abstandshalter aus dem einen oder anderen poröseren Material der Teilschichten der keramischen Flachmembranen, oder aus einem dichten oder beliebig porösen Material bestehen.
  4. 4. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die Abstandshalter sich ganz oder teilweise über die Länge und Breite der Flachmembranen erstrecken.
  5. 5. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der der Querschnitt der Abstandshalter beliebige Geometrie, vorteilhafterweise eine rechteckige Geometrie, hat, wobei die Geometrie der Querschnitte über die Länge der Abstandshalter kontinuierlich oder diskontinuierlich veränderbar ist.
  6. 6. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die Querschnitte der Abstandshalter zwischen zwei Flachmembranen unterschiedlich sind.
  7. 7. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die Abstandshalter über ihre Länge verdreht sind.
  8. 8. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die Abstandshalter eine oder mehrere planare oder eine oder mehrere gewellte Flächen aufweisen.
  9. 9. Flachmembranstapel nach Anspruch 7, bei der die Abmessungen der gewellten Flächen der Abstandshalter den Abmessungen der nicht planaren Schicht der Flachmembran ähneln oder entsprechen.
  10. 10. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die mittlere Porengröße der Teilschichten der Flachmembranen in Richtung des Permeates hin zunimmt.
  11. 11. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis der Dicke der grobporöseren Teilschicht zur Dicke der feinporöseren Teilschicht der Flachmembranen 5 bis 10 beträgt.
  12. 12. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis der Dicke einer feinporöseren Teilschicht zur Dicke einer weiteren noch feinporöseren Teilschicht der Flachmembranen 1 bis 10 beträgt.
  13. 13. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der der mittlere Porendurchmesser der grobporöseren Teilschicht das 2- bis 10fache des mittleren Porendurchmessers der feinporöseren Teilschicht der Flachmembranen beträgt.
  14. 14. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der der mittlere Porendurchmesser einer feinporöseren Teilschicht das 2- bis 100fache des mittleren Porendurchmessers einer weiteren noch feinporöseren Teilschicht der Flachmembranen beträgt.
  15. 15. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der der mittlere Partikeldurchmesser der grobporöseren Teilschicht das 2- bis 10fache des mittleren Partikeldurchmessers der feinporöseren Teilschicht der Flachmembranen beträgt.
  16. 16. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der der mittlere Partikeldurchmesser einer feinporöseren Teilschicht das 2- bis 100fache des mittleren Partikeldurchmessers einer weiteren noch feinporöseren Teilschicht der Flachmembranen beträgt.
  17. 17. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine der Teilschichten der Flachmembranen eine dichte oder nanoporöse anorganische Schicht aufweist.
  18. 18. Flachmembranstapel nach Anspruch 17, bei der die anorganische Schicht eine metallische und/oder keramische Schicht ist.
  19. 19. Flachmembranstapel nach Anspruch 17, bei der die dichte oder nanoporöse Schicht auf die feinporöseste Teilschicht aufgebracht ist.
  20. 20. Flachmembranstapel nach Anspruch 1, bei der die mindestens zwei Schichten aus mindestens zwei miteinander laminierten Teilschichten bestehen, die eine Flachmembran bilden.
  21. 21. Verfahren zur Herstellung von Flachmembranstapeln aus mindestens zwei keramischen Flachmembranen nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem aus mindestens zwei keramischen Pulvern gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung aber unterschiedlicher Partikelgröße oder aus mindestens einem keramischen Pulver und mindestens einer Lösung, die die Vorstufen eines keramischen Materials enthält, unter Zusatz bekannter Additive, Sinterhilfsmittel, Formgebungshilfsmittel, Bindemittel, Dispergierhilfsmittel keramische Suspensionen hergestellt werden, wobei die Partikelgröße der Zusätze nicht größer ist als die größte Partikelgröße der keramischen Pulver, aus einer der Suspensionen mindestens eine Teilschicht geformt und dann die Dispersionsflüssigkeit ganz oder teilweise entfernt wird, danach eine zweite Teilschicht aus der anderen Suspension oder Lösung geformt und die Dispersionsflüssigkeit oder das Lösungsmittel ganz oder teilweise entfernt wird, wobei diese mindestens zwei Teilschichten übereinandergelegt und/oder miteinander zu einer Schicht verbunden werden, wobei mindestens einer der Teilschichten oder eine der Schichten mit Abstandshaltern gleicher oder verschiedener Querschnittsgeometrie geformt und entweder mindestens die Teilschichten der Schichten zu Flachmembranen verbunden und gesintert und daraus Flachmembranstapel hergestellt werden oder die Schichten zu Flachmembranstapeln verbunden und gesintert werden, oder wobei Abstandshalter gleicher oder verschiedener Querschnittsgeometrie geformt und vor oder nach dem Sintern auf den Schichten positioniert und die mit Abstandshaltern versehenen Schichten zu Flachmembranstapeln verbunden werden.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem als keramische Pulver oxidische oder nichtoxidische Pulver oder Mischungen dieser Pulver eingesetzt werden.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem als keramische Pulver Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid oder Zirkonoxid eingesetzt werden.
  24. 24. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem als Dispersionsflüssigkeit Wasser eingesetzt wird.
  25. 25. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem als Bindemittel ein Gemisch aus mindestens Polyvinylalkohol und mindestens einer thermoplastischen Substanz, wie Stearinsäure, Paraffin, eingesetzt wird.
  26. 26. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem als Sinteradditiv ein Glas eingesetzt wird.
  27. 27. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem als Lösung, die die Vorstufen eines keramischen Materials enthält, ein Sol eingesetzt wird.
  28. 28. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Formung der Teilschichten durch Foliengießen erfolgt.
  29. 29. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem nach dem Gießen einer Folie und der Trocknung dieser Folie auf diese eine weitere Folie gegossen wird.
  30. 30. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Verhältnis des mittleren Partikeldurchmessers einer feinkörnigeren Suspension zum mittleren Partikeldurchmesser einer grobkörnigern Suspension 0,1 bis 0,5 beträgt und dieses Verhältnis auch für weitere Suspensionen gilt.
  31. 31. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Schichtherstellung kontinuierlich aus einem unbeweglichen Behälter auf ein bewegtes Trägerband erfolgt.
  32. 32. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Schichtherstellung diskontinuierlich aus einem beweglichen Behälter auf eine unbewegliche Unterlage erfolgt, wobei die unbewegliche Unterlage eine Platte oder eine auf einer Platte fixierte Trägerfolie ist.
  33. 33. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem während des Herstellungsprozesses der Teilschichten und/oder der Schichten der Querschnitt der Schichten an den Stellen vergrößert wird, an denen die Abstandshalter in der Flachmembran angeordnet sind.
  34. 34. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem während des Foliengießverfahrens die Schichtdicke der herzustellenden Folien an den Stellen vergrößert wird, an denen die Abstandshalter in der Flachmembran angeordnet sind.
  35. 35. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem durch Veränderung der Spaltbreite beim Foliengießverfahren die Veränderung der Schichtdicke beeinflußt wird.
  36. 36. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Abstandshalter durch Prägen der feuchten oder getrockneten Teilschichten und/oder Schichten hergestellt werden.
  37. 37. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem aus dem Teilschicht- und/oder Schichtmaterial vorgefertigte Abstandshalter auf die feuchte oder getrocknete Schicht aufgebracht und mit diesen fest verbunden werden.
  38. 38. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Verbindung der Abstandshalter mit den Schichten der Flachmembranen durch Kleben, Temperatureinwirkung, wie Sinterung, physikalische Methoden, wie Ultraschallschweißen, Laserbehandlung, oder durch Einlegen durchgeführt wird.






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