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Jun 18, 2023

Keramikmembranen: Hohe Packungsdichten im Filterbereich verbessern die Membranleistung

Dafür wurden neue röhrenförmige Keramikmembranen entwickelt

Es wurden neue röhrenförmige Keramikmembranen entwickelt, die für eine hohe Packungsdichte der Filtrationsfläche sorgen. Diese neuen Keramikmembranfilterelemente haben sich in Fallstudien in Anwendungen zur Behandlung von ölhaltigem Abwasser bewährt. Steffen Heidenreich und Winfried Michell von der Pall Filtersystems GmbH beschreiben die Ergebnisse.

Schumasiv-Keramikmembranfilterelemente der Pall Corporation werden seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Beispiele sind die Öl-Wasser-Trennung von Kompressorkondensaten, Entfettungsbädern, Kühlschmiermitteln und Waschwässern, die Filtration von Prozesswässern, die Katalysatorrückgewinnung in chemischen Prozessen, die Biomassetrennung in Abwässern und verschiedene Anwendungen zur Klärung von Getränken. Schumasiv-Membranen sind als röhrenförmige Mono- und Mehrkanal-Filterelemente erhältlich. Sie haben einen Trägerkörper aus reinem α-Aluminiumoxid, der chemisch stabilen Phase von Aluminiumoxid. Die Membranen bestehen je nach Porengröße aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid. Aufgrund einer fein abgestuften mehrschichtigen Struktur mit einem groben Träger, der mit mehreren Schichten abnehmender Porengröße beschichtet ist, werden Membranen mit einem breiten Spektrum an Porengrößen hergestellt, die den gesamten Bereich der Mikro- und Ultrafiltration von 2 bis 0,005 μm abdecken. In Abbildung 1 ist beispielhaft der Aufbau einer 0,05μm Ultrafiltrationsmembran dargestellt. Keramikmembranen weisen eine hervorragende Beständigkeit gegen Abrieb und chemisch aggressive Flüssigkeiten auf. Darüber hinaus verfügen sie über eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute thermische Beständigkeit und eine hohe Abscheideleistung. Die ein- und mehrkanaligen Schumasiv-Filterelemente sind mit unterschiedlichen Durchmessern der Strömungskanäle von 2,8 bis 16 mm erhältlich. Dies ermöglicht ihren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Feststoffkonzentrationen. Schumasiv-Membranfilterelemente haben eine Länge von bis zu 1,5 m. Die Außendurchmesser der Mehrkanal-Filterelemente betragen typischerweise 25,4 mm (19 Kanäle mit 3,3 mm Kanaldurchmesser), 41 mm (19 Kanäle mit 6 mm Kanaldurchmesser oder 37 Kanäle mit 3,6 mm Kanaldurchmesser) und 52 mm (19 Kanäle mit 8 mm Kanaldurchmesser). ). Abbildung 2 zeigt einige Beispiele der Filterelemente mit unterschiedlichen Geometrien. Die keramischen Membranfilterelemente werden in Modulgehäuse eingebaut (siehe Abbildung 3). Standardgehäuse können bis zu 27 m² Filterfläche pro Gehäuse haben. Die Filterelemente lassen sich einfach mit O-Ring-Dichtungen installieren. Aufgrund ihrer Beständigkeit im pH-Bereich von 1 bis 14 können Keramikmembranen mit aggressiven Chemikalien, organischen Lösungsmitteln, heißem Wasser oder Dampf gereinigt werden. Darüber hinaus lassen sich Keramikmembranen durch Rückspülen mit hohen Drücken regenerieren und weisen eine lange Lebensdauer auf.

Um Größe und Kosten eines Filtersystems zu reduzieren, wurden neue Keramikmembranfilterelemente mit einer hohen Packungsdichte der Filterfläche entwickelt.

Durch die Erhöhung der Packungsdichte der Filtrationsfläche konnte eine größere Membranoberfläche pro Filterelement erreicht werden, ohne den Außendurchmesser und die Länge der vorhandenen Filterelemente zu verändern. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Filtrationsrate in bestehenden Membransystemen durch den Austausch der vorhandenen keramischen Membranfilterelemente. In den Fallstudien wird auch eine Reduzierung der Anzahl der Filterelemente und damit der Größe und Kosten der Filteranlage bei Neuinstallationen aufgezeigt.

Durch eine dichtere Packung der Strömungskanäle wurde die Membranfläche pro Filterelement vergrößert. Um eine sehr dichte Packung ähnlich einer Bienenwabe zu ermöglichen, wurde eine hexagonale Geometrie des Querschnitts der Strömungskanäle gewählt. Der hexagonale Grundriss der Strömungskanäle ermöglicht keramische Membranfilterelemente mit einer sehr hohen Packungsdichte der Membranoberfläche. Gegenüber der üblichen runden Geometrie der Strömungskanäle wurde eine Steigerung der Filtrationsfläche pro Filterelement um 50 Prozent erreicht. Beispielsweise wurde die Filterfläche eines Mehrkanal-Membranfilterelements mit einem Außendurchmesser von 41 mm und einer Länge von 1,2 m von 0,5 m2 auf 0,75 m2 erhöht. Die Anzahl der Strömungskanäle wurde in diesem Fall von 37 (Rundkanäle mit einem Durchmesser von 3,6 mm) auf 61 Kanäle (Sechskantkanäle mit einem hydraulischen Durchmesser von 3,1 mm) pro Element erhöht (Abbildung 4). Die Verbesserung einer dichteren Packung der Filtrationsoberfläche führt zu einem höheren Permeatfluss pro Filterelement.

Schumasiv-Keramikmembranfilterelemente sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermischen und chemischen Stabilität sowie ihrer hohen Filtrationseffizienz, ihres hohen Permeatflusses und ihrer langen Haltbarkeit eine gute Wahl für Öl-Wasser-Trennanwendungen. In den letzten Jahren haben diese Filterelemente in vielen Anwendungen zur Öl-Wasser-Trennung eine hervorragende Leistung gezeigt. Die neuen Schumasiv-Membranfilterelemente mit den hexagonalen Strömungskanälen bieten weiterhin alle Vorteile der bisherigen Schumasiv-Membranfilterelemente. Gleichzeitig ermöglichen sie einen erhöhten Permeatfluss pro Element und eine Kostenreduzierung des Membranfiltersystems.

Die folgenden zwei Fallstudien verdeutlichen und demonstrieren den erfolgreichen und vorteilhaften Einsatz der neuen Filterelemente bei der Behandlung von ölhaltigem Abwasser. Ein Fallbeispiel ist die erfolgreiche Steigerung der Filtrationsrate durch den Austausch bisheriger Schumasiv-Membranfilterelemente durch Rundkanäle mit hexagonalen Kanälen und erhöhter Packungsdichte der Filtrationsfläche. Die zweite Fallstudie berichtet über eine neue Installation, bei der die Größe des Filtersystems reduziert wurde, um die größere Oberfläche der sechseckigen Kanalfilterelemente von Schumasiv voll auszunutzen.

Im Jahr 2000 baute ein Recyclingunternehmen eine Filteranlage (siehe Abbildung 5) zur Behandlung von gemischten Abwässern, ölhaltigen Wässern und Emulsionen aus verschiedenen industriellen Quellen. Die Anlage verwendete ursprünglich 1,2 m lange Schumasiv-Keramikmembranfilterelemente mit einem Außendurchmesser von 41 mm und 37 runden Strömungskanälen mit einem Kanaldurchmesser von 3,6 mm. Aufgrund einer starken Expansion des lokalen Abwassermarktes musste der Kunde die Durchsatzkapazität der Recyclinganlage erhöhen. Der Kunde wurde auf die neuen Schumasiv-Keramikmembranfilterelemente mit der dichten Packung der Membranoberfläche aufmerksam, die von der Pall Corporation entwickelt wurden. Es wurden einige Versuche mit den neuen Membranen im bestehenden Filterprüfstand durchgeführt, um die Steigerung der Filtrationsrate zu bewerten, die durch die höhere Packungsdichte der Filtrationsfläche erreicht werden konnte.

Die neu konzipierten Schumasiv-Filterelemente boten die Möglichkeit einer einfachen Aufrüstung der bestehenden Filteranlage und der Erhöhung der Durchsatzleistung durch den Austausch der vorhandenen Keramikmembranfilterelemente durch die neu entwickelten. Die Versuche waren erfolgreich und der Kunde entschied sich, die vorhandenen Keramikmembranen in der Anlage durch 61 sechseckige Strömungskanäle (Elementlänge: 1,2 m; Außendurchmesser der Elemente: 41 mm) zu ersetzen.

Durch den Austausch der Filterelemente konnte der Kunde eine Steigerung der Filtrationsleistung der Anlage von durchschnittlich 2200 l/h auf 3200 l/h erreichen. Die 45-prozentige Steigerung bei gleichbleibend hoher Filtratqualität entspricht einer nahezu vollständigen Ausnutzung der vergrößerten Oberfläche. Die neuen Filterelemente sind seit 2008 problemlos im Einsatz.

Die Steigerung der Produktionskapazität der Anlage von 350.000 l auf 510.000 l pro Woche ist ein wichtiger Erfolg für den Kunden. Dies gelang zu relativ geringen Kosten und mit einem sehr kurzen Produktionsverlust beim Austausch der Filterelemente. Lediglich die Filterelemente mussten ausgetauscht werden. Alle anderen Anlagenteile wie die vorhandenen Gehäuse, Pumpen, Ventile und Rohrleitungen konnten weiterhin verwendet werden und mussten nicht ausgetauscht werden. Die Amortisationszeit der Kosten betrug drei Monate. Der Kunde hat die Anlagenkapazität durch den Einbau eines zusätzlichen Gehäuses mit Sechskantkanal-Schumasiv-Filterelementen noch weiter erweitert.

Ein Fahrgestellhersteller sammelte ölhaltige Kühlmittelabfälle aus einer Bearbeitungswerkstatt und verschiffte sie zweimal pro Woche per Tankwagen. Durch die Installation eines Querstromfiltrationssystems vor Ort zur Reduzierung des Abfallvolumens konnten erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden. Berechnungen, die auf der Verwendung eines kompakten Filtersystems mit den neuen Schumasiv-Filterelementen und der dichten Packung der Filteroberfläche basieren, ergaben eine interessante Kapitalrendite von weniger als einem Jahr. Daher entschied sich der Kunde für den Kauf eines Clarisep-Crossflow-Filtersystems von Pall mit den neuen Sechskantkanal-Schumasiv-Elementen. Die Filtratqualität ist so gut (siehe Abbildung 6), dass der Kunde es ohne weiteren Aufbereitungsschritt in die Abwasserkanalisation einleiten kann. Das ölhaltige Konzentrat wird nur dreimal pro Jahr in Containern gesammelt und per Tanker verschifft – eine deutliche Reduzierung im Vergleich zu zwei Mal pro Woche vor der Installation der Pall Clarisep-Filtereinheit. Der Kunde ist mit dem Clarisep-System mit den neuen Schumasiv-Keramikmembranfilterelementen zufrieden und sucht nun nach ähnlichen Anwendungen an anderen Standorten.

Die neuen Schumasiv-Keramikmembranfilterelemente mit hoher Packungsdichte der Filterfläche ermöglichen eine einfache Nachrüstung bestehender Filtersysteme durch Austausch der Filterelemente. Dies wurde durch eine Fallstudie gezeigt, bei der die Filtrationsrate durch den Austausch der alten Filterelemente durch die neuen Schumasiv-Filterelemente ohne zusätzliche Änderung des Filtersystems um 45 Prozent gesteigert werden konnte.

Bei Neuinstallationen können durch den Einsatz der neuen Schumasiv-Filterelemente mit größerer Filterfläche die Anzahl der Filterelemente und damit die Größe der Filtergehäuse sowie die Kosten der Filteranlage reduziert werden.