Projekt 24159/01

Entwicklung innovativer geflochtener Schlauchfiltersysteme für energiearme Membranfiltration nach biologischem Vorbild

Projektträger

Cleartec Water Management GmbH
Großvichtach 2 u. 4
96364 Marktrodach
Telefon: 09261 / 96762

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung von innovativen geflochtenen schlauchförmigen Filtern, die auf eine erhebliche Verbesserung der Filtrationsleistung in der Mikro- (MF) und Ultrafiltration (UF) bei gleichzeitiger Verminderung der Deckschichtbildung bzw. des Druckverlustes gegenüber herkömmlichen Membranen zielt.
Im Rahmen des geplanten Projektes sollten einerseits neuartige filamentverstärkte geflochtene Filter mit veränderbaren Porengrößen für die Mikrofiltration entwickelt werden. Die Idee der veränderbaren Porengrößen folgt dem biologischen Vorbild von Schwämmen, welche durch eine adaptive Filtration ihre Nahrungsaufnahme regulieren. Darüber hinaus sollten andererseits geflochtene beschichtete Ultrafiltrationskapillarmembranen entwickelt werden, welche durch Einbringung eines verdrillten textilen Kerns zur Stützung der Membranen, Betriebsdrücke von bis zu 8 bar standhalten, ohne dass diese kollabieren. Die Filtration kann dadurch unter wesentlich höheren Druckdifferenzen erfolgen und erheblich länger bis zum Abreinigen arbeiten.
Weiterhin sollte die Effizienz (Wirkungsgrad) der Filtration durch eine Kombination der entwickelten MF /UF-Filtrationsmechanismen gesteigert werden. Der sich auf dem MF-Vorfiltergeflecht aufbauende Filterkuchen kann dann durch eine erzwungene dynamische Bewegung und mechanisch durch Reibung zwischen den Filamenten sehr energieeffizient abgebaut werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie anvisierte Verbesserung der Filtrationsleistung in der Mikro- und Ultrafiltration sollte durch einen spe-ziellen schlauchförmig geflochtenen Filter erreicht werden. Zur Erreichung der Projektziele wurden zunächst für die MF- und UF-Filterschlauchelemente die machbaren bzw. optimalen Vormaterial-, Faden- und Geflechtparameter ermittelt. Im Einzelnen wurden hierfür folgende Punkte bearbeitet: Erarbeitung ei-nes Anforderungskatalogs, Fadenmaterialauswahl (Fadenfeinheit, Mono- und/oder Multifiltechnik), Lit-zenkonstruktion für Geflecht und Stützkern (gezwirnt oder geflochten, Fadenanzahl je Strang bzw. je Litze, Schlagrichtung und -länge), Geflechtkonstruktion (Köper- oder Leinenbindung, asymmetrische Flechtung, Litzenfachung je Spule, Spulenanzahl, Geflechtdurchmesser und -dichte), Nachbehandlung (zusätzliche Verdichtung und Fixierung durch Wärmeschrumpfung; Glättung innen und/oder außen), Konfektionierung (Schnittkantenfixierung, Endbefestigung, Bündelung).
Anschließend wurde die Auswirkung der Oberflächenmodifikationen auf die Effizienz der Membrantechnik nach Maßgabe der Anwendungen vorab im Labormaßstab durch systematische Variation der Herstellungsparameter und Messung der erzielten Effekte optimiert. Neben dem Labortest war hier ebenfalls die Langzeitaussage in den späteren Applikationen zur Verschmutzung bzw. zum Langzeitverhalten der Filterschläuche entscheidend. Durch einen eingebrachten Stützkörper kann der Geflechtschlauch auch bei höheren Filtrations-Betriebsdrücken (1 bis 8 bar) eingesetzt werden.
Unter dem Gesichtspunkt weiterer Energieeinsparungen wurde im Anschluss daran eine Kombination der zuvor getrennt voneinander entwickelten Filtrationsmembranen untersucht.
Für Labor- und Pilotversuche wurden Prüfstände für die Charakterisierung der Filtrationsleistungen (Abscheidung, Druckdifferenz) aufgebaut und eingesetzt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Vorhabens wurden geflochtene Schlauchfilter entwickelt, die im Bereich der Mikrofiltration eingesetzt werden können. Für die Herstellung der Geflechte wurden verschiedene Garnfeinheiten eingesetzt. Die Versuche zeigten, dass mit zunehmender Feinheit der Fasern die Filtrationsergebnisse hinsichtlich der Partikelabscheidung verbessert werden.
Am Ende der Versuchsreihe wurde ein Schlauchfilter entwickelt, der den folgenden Anforderungen gerecht wird: Eine gute Filtrationswirkung mit einer Abscheidung <10 µm bei geringem Druckverlust und ein gutes Deckschichtabreinigungsverhalten durch das konstruktionsbedingte elastische Verhalten des Ge-flechts. Der aus den Versuchen als bester hervorgehender Filter besteht aus einem symmetrischen Ge-flecht und wurde aus verzwirnten Multifilamenten hergestellt.
Die entwickelten Schlauchfilter wurden auf ihre thermische und mechanische Beständigkeiten und Praxistauglichkeit überprüft.
Der Vorteil der entwickelten Schlauchfilter gegenüber herkömmlichen MF-Membranen liegt in der geringeren Verstopfungsneigung des Filters durch das regelmäßige mechanische Abreinigen während des Filtrationsprozesses. Dies erzeugt eine energiearme Mikrofiltration, da die Druckdifferenz durch eine konstant geringere Deckschichtbildung niedriger ist als bei den klassischen Mikrofiltrationsmembranen. Aufgrund von regelmäßigen dynamischen Zugbewegungen des Schlauchfilters kann die Anzahl der zeit-lich aufwendigen chemischen Reinigung reduziert werden. Dies führt zu einer markanten Reduzierung und Einsparung des (Spül)Chemikalien- und Energiebedarfes und damit zu einer Minimierung der Umweltbelastung. Darüber hinaus sinken die Personalkosten für Wartungsarbeiten.
Die Vorversuche, die zur Entwicklung eines Schlauchfilters für die Ultrafiltration vorgenommen wurden, dienten als gute Grundlage für die weitere Entwicklung von beschichteten Geflechten. Das Ziel lag in der Realisierung einer Kombination zweier Schlauchfilter, um einen Vorfilter (MF) und einen Feinfilter (UF) in einem Modul zu erhalten. Der Vorfilter soll zur mechanischen Abreinigung dienen, der Feinfilter erhöht die Filtrationswirkung und kann zusätzlich Makromoleküle und Mikroorganismen abtrennen.
Im weiteren Verlauf wurde eine einfache kombinierte MF/UF-Pilotanlage entwickelt, bei der mehrere Schlauchfilter parallel nebeneinander angeordnet sind. Durch die höhere Anzahl an Schlauchfilter im Modul wird die Permeatleistung erhöht. Die entwickelten Schlauchfilter können nicht nur in der Abwasserrei-nigung eingesetzt werden, sondern in fast allen Industriezweigen, wie in der Lebensmittelsbranche oder chemischen Industrie.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Vortrag auf dem Denkendorfer Bionikkolloquium (17./18.05.2006)
- Vortrag auf dem 8. Symposium Textile Filter, Chemnitz (07./08.03.2006)
- Veröffentlichung in Fachzeitschriften (Melliand Textilberichte/Textilveredelung), in Planung


Fazit

Im Rahmen des Vorhabens wurden die ersten Schritte zur Entwicklung eines veränderbaren, adaptiven und gleichzeitig energieeffizienten Cross-Flow Mikrofiltrationssystems vorgestellt. Ausgehend von Analysen zur Nahrungsaufnahme von Schwämmen, welche durch eine adaptive Filtration reguliert wird, wurde ein speziell geflochtener Schlauchfilter entwickelt. Der Schlauchfilter zeigt eine gute Filtrationswirkung mit einer Abscheidung von kleiner 10 µm bei geringem Druckverlust und ein gutes Deckschichtabreinigungsverhalten durch das konstruktionsbedingte elastische Verhalten des Geflechts.
Der Vorteil der entwickelten Schlauchfilter gegenüber herkömmlichen Mikrofilter liegt in der geringeren Verstopfungsneigung des Filters durch das regelmäßige mechanische Abreinigen während des Filtrationsprozesses. Dies erzeugt eine energiearme Mikrofiltration, da die Druckdifferenz durch eine konstant geringere Deckschichtbildung niedriger ist als bei den klassischen.
Die Vorversuche, die zur Entwicklung eines Schlauchfilters für die Ultrafiltration vorgenommen wurden, dienten als gute Grundlage für die weitere Entwicklung von beschichteten Geflechten.
Realisiert wurde zudem eine Kombination zweier Schlauchfilter, um einen Vorfilter (MF) und einen Feinfilter (UF) in einem Modul zu erhalten. Der Vorfilter soll zur mechanischen Abreinigung dienen, der Feinfilter erhöht die Filtrationswirkung und kann zusätzlich Makromoleküle und Mikroorganismen abtrennen. Mit diesem System kann die Anzahl der zeitlich aufwendigen chemischen Reinigung reduziert werden. Dies führt zu einer markanten Reduzierung und Einsparung des (Spül)Chemikalien- und Energiebedarfes und damit zu einer Minimierung der Umweltbelastung. Darüber hinaus sinken die Personalkosten für War-tungsarbeiten
Die entwickelten Schlauchfilter können nicht nur in der Abwasserreinigung eingesetzt werden, sondern in fast allen Industriezweigen, wie in der Lebensmittelsbranche oder chemischen Industrie.