DE1642811C3

DE1642811C3 - Diffusionszelle

Info

Publication number: DE1642811C3
Application number: DE1642811A
Authority: DE
Inventors: Norman Stanley Midland Mich. Strand (V.St.A.)
Original assignee: Cordis Dow Corp
Current assignee: Althin Medical Inc
Priority date: 1964-12-09
Filing date: 1967-08-30
Publication date: 1978-03-02
Also published as: NL162563C; GB1203655A; DE1642811B2; NL6711789A; NL162563B; US3342729A; BE702991A; DE1642811A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Diffusionszelle mit einem eine Mittelöffnung aufweisenden ebenen Rahmen und mit einer die Mittelöffnung abdeckenden, auf dem Rahmen angeordneten Trennmembran.

Eine derartige, als künstliche Niere aufgebaute Diffusionszelle ist aus der US-PS 32 12 642 bekanntgeworden. Diese bekannte Diffusionszelle besitzt Rahmen mit Mittelöffnungen und vier sich gegenüberstehender, im Abstand voneinander befindlicher Umfangsöffnungen mit zwischen den Rahmen befindlichen Membranen

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung von Kapillar-Membran-Dialysatoren (DT-AS 5 17 903) bekanntgeworden, deren Kapillar-(Hohlfaden)-Membranen einen Außendurchmesser von 500 μιη und eine Wandstärke von 80 μπι besitzen.

Die bisher verwendeten Membranen sind in der Hauptsache dünne, uniplanare Membranen, die von genuteten, gelochten oder porösen Stützplatten starr getragen werden. Bei einer derartigen Ausführung ist ein Membranbogen sehr großer Fläche oder sind mehrere Bogen erforderlich um praktisch verwendbare Ergebnisse zu erzielen. Bei diesen Ausführungen gibt es viele »tote« Flächen, in denen kein Durchdringen erfolgt und die dort vorhanden sind, wo die Membranen gegen die Stützplatten gedrückt werden. Die für das Durchdringen zur Verfügung stehenden »freien« Flächen werden also entsprechend der zum Tragen der Membran erforderlichen »toten« Fläche verringert.

Die Verwendung von hohlen Filamentfäden als Membranmaterial hat den Vorteil, daß sich die Membran selbst gegen die auf die Innenseite oder die Außenseile der Faser einwirkenden Drucke trägt. Werden jedoch mehrere Fäden zusammengefaßt, um die genügend große Gesamtmembranfläche zu schaffen, durch die der Flüssigkeitsstrom hindurchgeleitet werden kann, dann kann die verschiedenartige Anordnung der Fadenbündel die Gesamtdurchdringungsmenge dadurch verringern, daß an den Stellen, an denen sich benachbarte Filamentfäden aneinanderlegen oder berühren, der Abfluß oder der Zufluß der Flüssigkeit behindert wird. Diese Berührung und diese Nähe behindert die Strömung der Flüssigkeit auf der Außenseite der hohlen Fäden und stört auch die Berührung der Flüssigkeit mit der Außenseite der Fäden, so daß die in den Innenzonen des Dündels gelegenen Filamentfäden von der äußeren Flüssigkeit

ίο kaum berührt werden. Die gegenseitigen Stellungen der Fäden in parallelen Bündelanordnungen, die in der Zone zwischen den Sammelrohren ziemlich locker gehalten werden, können sich auch während der Herstellung oder auch während des Gebrauches der Anlage verschieben. Es besteht also keine Gewähr dafür, daß die Fäden so liegen, daß die größte unbehinderte Freifläche vorhanden ist.

Bei Verwendung verschiedenartiger Anordnungen aus Bündeln hohler Filamentfäden, und zwar Bündeln aus parallel verlaufenden Fäden und Bündeln aus gewickelten oder umwickelten Fäden, entstehen schwierige Probleme beim Abdichten der an den Sammelkammern anzuschließenden Faden- oder Bündelenden, und oft leiten die Fäden nach Art eines Dochtes das Dichtmittel auf das Bündel, so daß ein Teil der Fadenoberfläche von der Flüssigkeit nicht mehr berührt wird.

Eine weitere Schwierigkeit bei einer Bündelanordnung aus hohlen Fäden besteht darin, daß es beim Brechen eines Fadens und bei dem sich daraus ergebenden Sichern nicht nur schwierig ist, die gebrochenen Fäden herauszufinden, sondern daß es oft nicht möglich ist, die Fäden abzudichten oder auszuwechseln, ohne die Zelle zu beschädigen oder teilweise zu zerstören, insbesondere wenn gewickelte oder umwickelte Bündel verwendet werden. Das Reinigen der aus hohlen Fäden bestehenden Bündel bereitet ebenfalls Schwierigkeiten. Es ist oft schwer, eine genügend angemessene Berührung aller Oberflächen der im Bündel gelegenen inneren Fäden zu erzielen. Eine nicht einwandfreie Reinigung kann zu Schwierigkeiten führen, wenn dieselbe Zelle oder dieselbe Abscheidevorrichtung zum Trennen mehrerer verschiedenartiger Stoffe verwendet wird und eine Verunreinigung vermieden werden muß. Besondere Probleme entstehen, wenn Nahrungsmittel zu reinigen, zu konzentrieren sind. Wenn die Zelle nach ihrer Verwendung nicht sofort gereinigt wird, können die Nahrungsmittel teilchen verderben.

Zur Behebung der Mangel der bekannten Diffusionszellen ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Membran aus mehreren ineinander verwebten, hohlen, wahlweise durchlässigen Fäden gebildet ist, wobei jeder Faden an seinen Enden offen ist, daß eine Anzahl der Fäden in einem Winkel zu den anderen Fäden in der Membranebene liegen und daß die gegenüberliegenden Enden jedes Fadens in gegenüberliegenden Umfangsöffnungen zu Rahmen enden.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegend auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen als Schlitze ausgebildet sind, die sich parallel zu den Kanten des Rahmens erstrecken, und daß die hohlen Fäden, die in dem einen Paar der gegenüberliegend auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen enden, aus einem Kationenaustauschmaterial bestehen, und daß die hohlen Fäden, die in dem anderen Paar der gegenüberliegenden, auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen enden, aus

einem Anionenaustauschmaterial bestehen.

Durch die Erfindung wird eine bequeme, angemessene und sichere Dichtung der unterstützten Enden der Hohlfaden ermöglicht Außerdem sind alle Fadenaußenflächen, die von der Flüssigkeit berührt werden sollen leicht und vollständig zugänglich. Infolgedessen können die Zellen auch leicht gereinigt werden. Außerdem ist eine Prüfung und Auswechselung der Fäden jeder Zelle leicht möglich.

Die in der Diffusionszelle verwendeten, im Durchmesser kleinen Hohlfäden widerstehen trotz ihrer sehr dünnen Wände hohen Druckgefällen. Die Ausführungen der bekannten Membranen erforderten entweder dickere Materialwände oder Stützplatten und andere Auflager, die dem auftretenden Druckgefälle widerstanden.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine aus hohlen Fäden bestehende Membran, die in der erfindungsgemäßen Diffusionszelle verwendet wird;

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen in der Diffusionszelle verwendeten Rahmen;

Fig.3 eine schaubildliche Ansicht der Stellung des Rahmens nach F i g. 2 und der Membran nach F i g. 1 bei der Herstellung der Diffusionszel'e;

Fig.4 eine schaubildliche Ansicht einer Au führung der Diffusionszelle;

Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht einer in einer Diffusionsvorrichtung verwendeten Kopfplatte und einer Verteilplatte;

Fig. 6 eine Vorderansicht einer Diffusionsvorrichtung, und

Fig. 7 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht einer Diffusionsvorrichtung und ihrer Betriebseinrichtungen.

Fig.8 und 9 sind vereinfachte Schnittansichten, die verschiedene Betriebseinrichtungen für die Diffusionsvorrichtung bei Verwendung mehrerer Zellen zeigen.

Fig. 10,10a, 11, I la, 12 und 12a sind schematisch und diagrammatisch dargestellte Beispiele zur Verwendung der Diffusionszelle und der Diffusionsvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Abscheidemembran oder Diffusionsmembran 10 aus hohlen Fäden besteht für gewöhnlich aus einer einschichtigen Lage dieser Fäden, doch kann jede in der gewebe- oder netzartigen Membran vorhandene Rippe, die durch einen einzelnen Hohlfaden dargestellt ist, auch aus einem kleinen Bündel hohler Fäden bestehen. Vorzugsweise wird die Membran nach Art einer Webware durch Verweben oder Verflechten hergestellt, wodurch eine verhältnismäßig dimensionsstabile Membran entsteht und die Fäden an der ihnen gegebenen Stelle gehalten werden. Derartige gewebte Membranen können auf üblichen Textilmaschinen hergestellt werden, die die neuen und verwickelten Muster herzustellen vermögen, die als vorteilhaft angesehen werden. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß kein Fadenbruch oder keine dünne Stelle während der Herstellung des Gewebes auftritt, damit Sickerstellen in der Membran verhütet werden

Fig. la zeigt auseinandergezogen einen Teilquerschnitt einer gewebten Membran der in F i g. 1 dargestellten Art, deren Fäden 11 miteinander verwebt sind. Die in der einen Richtung verlaufenden Fäden werden auf dem Textilgebiete mit Schußfäden und die in der senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden Fäden werden mit Kettfaden bezeichnet. Es können auch andere Einrichtungen zur Herstellung der Gewebe verwendet werden, z. B. Handeinlegvorrichtungen. Jeder Faden 11 hat eine Wand 12 und eine ununterbrochene Bohrung 13, durch die eine Flüssigkeit 5 oder ein Strömungsmittel strömen kann. Die tatsächliche Trennung der Komponenten erfolgt durch diese Wand 12 hindurch, die aus einem ausgewählten durchlässigen Material besteht, z. B. aus einem für gewöhnlich vollen polymeren Kunststoff, der zu einem feinen hohlen Faden gezogen werden kann.

Es können verschiedene Stoffe zur Herstellung des durchlässigen Fadens verwendet werden. Die meisten dieser Stoffe sind organische Stoffe, z. B. polymere Stoffe, wie Azetat-, Triazetat-, Propionat-, Nitrat-Ester von Zellulose, und zwar einschließlich der Mono-, Di- und Triester und Gemischen dieser Ester; Zelluloseäther z. B. Methyl-, Äthyl-, Hydroxyalkyl-, Carboxyalkyl-Äther, und zwar einschließlich gemischter Zelluloseäther; regenerierte Zellulose; Polyvinylalkohole; PoIysaccharide; Kasein und seine Derivate usw. Die erwähnten Stoffe sind hydrophil und sind besonders vorteilhaft bei der Behandlung von wäßrigen Lösungsmittelgemischen.
Zum Abscheiden von organischen Komponenten aus Flüssigkeitsgemischen sind verschiedene hydrophobe Stoffe besonders geeignet, z. B. lineare Kunststoffpolyamide, Polykarbonate, Polyvinylchlorid und seine Kopolymere; Polyvinylidenchlorid und seine Kopolymere, Polyuräthane, Polyvinylformale und -butyrale und Gemische derselben, Methakrylatpolymere, Styrolpolyinere, Polyolefine, z. B. Polyäthylene, Polypropylene usw. und andere Polyester sowie Gemische dieser Stoffe. Akrylnitrilpolymerisate und auch bestimmte Zellulosederivate sowie gemischte Ätherester können so modifiziert werden, daß sie entweder hydrophil oder hydrophob sind, je nachdem, welche Kennzeichen bei der Verwendung erwünscht ist.

Einige der erwähnten Stoffe, sowie andere einen durchlässigen Hohlfaden bildende Stoffe, einschließlich Glas usw., können zum wahlweisen Abscheiden verschiedenartiger Strömungskomponenten verwendet werden. Die Meirbran kann auch für lonen-Austauschzwecke geeignet sein oder geeignet gemacht werden. Die Hohlfäden werden in diesem Falle in den Zellen für lonen-Austcuschzwecke verwendet. Beispiele für derartige Ionen-Austauschstoffe sind Kunststoffe, die Karboxyl-, Sulfo-, Phosphor-, Amin-, quaternäre Ammonium-, Mercaptan-, Enolat-Gruppen und Phenolgruppen enthalten, z. B. sulfoniertes Polyäthylen oder sulfoniertes Polystyrol. Besonders vorteilhaft ist eine gewebeartige Membran aus Fäden mit Kationen-Austauscheigenschaften, die in der einen Richtung (z. B. der Kettenfadenrichtung) verlaufen und aus Fäden mit Anionen-Austauscheigenschaften, die in einer senkrecht

5S zur ersterwähnten Richtung gerichteten Richtung (z. B. der Schußfadenrichtung) verlaufen. Eine derartige Membran aus Fäden dieser Stoffe kann auf diese Weise in der neuen Zelle und in der neuen Diffusionsvorrichtung beispielsweise als ein Filterbett für einen

ho kontinuierlich arbeitenden Wasserentsalzer oder Wasserenthärter verwendet werden.

Die Hohlfäden werden in an sich bekannter Weise hergestellt. Im allgemeinen werden die Fäden mittels des Schmelz-, Trocken-, oder Naß/iehverfahrens

(>S hergestellt, was von den zur Verwendung kommenden Stoffen abhängt. Der Spinnkopf wird entsprechend dem angewendeten Spinnverfahren und den in dem Hohlfaden gewünschten besonderen Abmessungen gewählt.

Zur Herstellung des Hohlfadens hat der Spinnkopf eine kleine runde Öffnung in der Mündung, über die die Spinnmasse ausgezogen wird.

Die in der Gewebemembran verwendeten Hohlfaden sind verhältnismäßig feine Filamentfäden. Die Wandstärke der Fäden wird so gewählt, daß die Fäden dem Druck widerstehen, der bei der Diffusion auftritt. Erwünscht ist im allgemeinen eine Widerstandsfähigkeit gegen Drucke von 7 kg/cm² oder höher. Die kleinen Durchmesser dieser feinen Hohlfaden ermöglichen den selbsttragenden Membranwänden des F'adens, beträchtlichen Drucken zu widerstehen.

Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der Hohlfaden nicht größer als 0,350 mm (350 Mikron) und vorteilhaft nicht größer als 0,300 mm (300 Mikron). Vorzugsweise liegen die Äußendurchmesser der Fäden im Bereich von 0,01 bis 0,05 mm (10 Mikron bis 50 Mikron). Das Verhältnis der Wandstärke der Hohlfaden zum Außendurchmesser der Fäden reicht vorteilhaft von 1 zu 8 bis zu 1 zu 3. Die Wandstärke der Fäden liegt im Bereich von 0,001 bis 0,05 mm (1 Mikron bis 50 Mikron) und vorzugsweise zwischen 0,002 bis 0,015 mm (2 Mikron bis 15 Mikron). Wandstärken unterhalb dieses Bereiches widerstehen gegebenenfalls nicht den gewünschten Drucken, und Wandstärken oberhalb dieses Bereiches erhöhen den Widerstand gegen die Diffusion. Diese Kennzeichen ändern sich jedoch etwas mit den zur Verwendung kommenden Stoffen und auch mit der jeweiligen zur Anwendung kommenden Diffusionsart.

Die Diffusionsfläche dieser neuen Diffusionszelle ändert sich entsprechend den verschiedenen Abmessungen der Hohlfäden, der Größe der Zelle und der Gesamtdichte der in der Membran vorhandenen Fäden. Die Zahl der in einer bestimmten Membranfläche vorhandenen Hohlfäden bestimmt natürlich die Porositat der Membran oder der offenen Fläche. Im allgemeinen wird eine sehr dichte Webart angewendet, die jedoch nicht so dicht ist, daß übermäßig hohe Drucke erforderlich sind, um die Flüssigkeit durch das Gewebe hindurchzudrücken, wobei ein Strecken oder ein anderweitiges Verformen der Membran erfolgen könnte. Ein Faktor, der bei der Bestimmung der Größe der zwischen den Fäden vorhandenen Öffnungen berücksichtigt werden muß, ist das zu behandelnde Material. Wenn beispielsweise die über die Membran fließende Flüssigkeit ziemlich breiig ist. dann ist eine offenere Webart erwünscht, um Verstopfungen zu verhüten. Wird eine nicht-viskose Flüssigkeit behandelt, z. B. beim Enthärten von Wasser, dann kann eine dichtere Webart zugelassen werden.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Rahmens 14, der mit der in Fig. 1 dargestellten Membran 10 zusammengebaut werden soll. Der Rahmen 14 hat eine Mittelöffnung 15, ferner sich gegenüberstehende, auf Abstand befindliche Umfangsöffnungen 16, ferner sich gegenüberstehende, auf Abstand befindliche Umfangsöffnungen 17 und ferner Schraubenlöcher 18.

Fig.3 zeigt, wie die Membran 10 zwischen zwei Rahmen 14 gelegt wird, und in F i g. 4 ist eine Zelle 14 schaubildlich dargestellt, die nach dem Zusammenbau der in Fig.3 dargestellten Teile entstanden ist Bei Verwendung dieser Teile zur Herstellung der Zelle 20 wird die Membran 10 etwas größer gemacht als der Rahmen 14. Die Seiten der Rahmen 14, die mit der Membran 10 verbunden werden sollen, sind mit einem Klebstoff, z. B. einem Epoxykunststoff, überzogen, die die Teile sicher und dauerhaft miteinander verbindet und auch die Flächen zwischen den Fäden 11 der Membran 10 so abdichtet, daß keine Sickerung zwischen den Umfangsöffnungen 16, 17 und der Mittelöffnung 15 erfolgen kann. Die Membran 10 ist so zwischen die Rahmen 14 eingebettet, daß die Mittelöffnung, die Umfangsöffnungen und die Schraubenlöcher der Rahmenteile übereinander liegen. Nach dem Trocknen oder Härten werden diejenigen Teile der Membran 10, die die Umfangsöffnungen 16, 17 übei spannen, ausgeschnitten, so daß ein unbehinderter Durchlaß durch diese öffnungen hindurch erfolgen kann. Der Fadenüberschuß der Membran, der über die Außenkanten des Rahmens hinausragt, wird abgeschnitten, und die an der Außenkante vorhandenen Fadenenden werden mit einem Dichtmittel, z. B. einem Epoxy kunststoff gedichtet.

Der Rahmen 14 kann aus jedem zweckdienlichen Material bestehen, das verhältnismäßig inert gegen die in der Zelle zu behandelnden Flüssigkeiten ist. Das Material kann beispielsweise aus verschiedenen Metallen oder Kunststoffen bestehen. Der Umriß des Rahmens und der Zelle braucht nicht quadratisch zu sein, sondern kann gewünschtenfalls sechseckig, achtekkig oder kreisrund sein. Um die in der Membran vorhandene Fadenfläche möglichst weitgehend auszunutzen, sollten mindestens vier Umfangsöffnungen, d. h. zwei Paar sich gegenübei stehender, auf Abstand befindlicher öffnungen bei jeder Umrißform verwendet werden. Diese Anordnung ermöglicht das Zuführen einer Flüssigkeit zum Innenraum der Fäden aus mindestens zwei Richtungen und ermöglicht das Ableiten der Flüssigkeit aus den gegenüberstehenden, auf Absland befindlichen Auslassen. Die Fäden bilden auf diese Weise in der Membran ein Winkelmuster aus sich kreuzenden Fäden und ungefähr die Hälfte der Fäden verläuft senkrecht zu der verbleibenden Hälfte in der Ebene der Membran. Die Umfangsöffnungen brauchen nicht unbedingt in der Oberseite und der Unterseite des Rahmens 14 zu sein. Gleich zufriedenstellende Ergebnisse werden auch erhalten, wenn die Öffnungen längs der Kanten des Rahmens verlaufen und mit Durchlaßöffnungen einer Diffusionsvorrichtung verbunden werden.

Eine besonders vorteilhafte und wirtschaftlich günstige Herstellung der Zelle 20 besteht darin, daß zuerst der gewünschte Rahmen aus einem thermoplastischen Polymer gezogen oder gegossen wird. Eine Membran wird dann zwischen zwei Rahmen gelegt und das Paket einer Wärmewirkung unterworfen, um die Rahmen zu verbinden. Auf diese Weise werden die Rahmen leicht und sicher zu einem einzigen Teil verbunden, und es muß kein Klebstoff oder Dichtmaterial mit entsprechenden Härtezeiten oder Trocknungszeiten verwendet werden. Es können auch gleichzeitig die Enden aller Fäden, die über die Außenkante der Verbindungsstelle beider Rahmen hinausragen, durch Wärmeeinwirkung dadurch gedichtet werden, daß das Material des Rahmens Ober die Verbindungsstelle fließt und eine glattflächige nahtlose Kante bildet Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß die Hohlfaden in aller Abschnitten, in denen ein Fluß gewünscht wird, nichl wesentlich geändert werden. Die Rahmen können als Paare mit Vorsprüngen und Vertiefungen hergestellt werden, wodurch die Ausrichtung der verschiedenen übereinanderliegenden öffnungen erleichtert und gesichert wird. Durch diese Ausführung ist eine schnelle Herstellung der Zellen möglich.

Die Zelle 20 kann in jede geeignete Diffusionsvorrich-

tung eingebaut werden, bei der ein Zweiwegestrom durvh den Innenraum der Membranfäden und/oder über die Außenseite der Fäden strömt. Eine derartige Vorrichtung wird aus den in F i g. 5 dargestellten Teilen gebildet und weist eine Kopf- oder Sammelplatte 25 und eine Verteilplalte 26 auf. Die Kopfplatte 25 hat einen Mitteldurchlaß 27, der so ausgeführt und angeordnet ist, daß er mit einer Einrichtung gekuppelt werden kann, die eine Flüssigkeit zuführt und die Flüssigkeit zur Mittelöffnung der Zelle, die der in F i g. 4 dargestellten Zelle ähnlich ist. leitet. Einlaßöffnungen 28 sind so ausgeführt und angeordnet, daß sie mit einer Einrichtung gekuppelt werden können, die eine Flüssigkeit zuführt, und diese Flüssigkeit zu den Umfangsöffnungen einer Zelle leiten, die der in Fig. 4 dargestellten Zelle ähnlich ist. Auslaßöffnungen 29, die gegenüber und im Abstand von den Einlaßöffnungen 28 angeordnet sind, nehmen die Flüssigkeit, die die Einlaßöffnungen 28 und den Innenraum der Hohlfäden der Membran durchströmt hat und/ oder den Stoff, der von der Außenseite der Hohlfäden durch die Wände der Hohlfäden diffundiert ist, auf. Ist ein Flüssigkeitstrom durch den Innenraum der Hohlfäden nicht erforderlich oder notwendig, so daß die Hohlfäden nur zum Sammeln des diffundierten Stoffes dienen, dann werden die Einlaßöffnungen 28 lediglich als Auslaßöffnungen verwendet. Schraubenlöcher 18 in der Kopfplatte 25 fluchten mit Schraubenlöchern 18 im Rahmen 14.

Die Verteilplatte 26 hat zwei Öffnungen 16 und zwei Umfangsöffnungen 17, die mi! den gleichbezeichneten Öffnungen im Rahmen 14 fluchten. Schraubenlöcher 18 fluchten mit den Schraubenlöchern 18 im Rahmen 14 und in der Kopfplatte 25. Ein den Mitteldurchlaß 27 in der Kopfplatte 25 durchströmender Flüssigkeitsstrom wird vor Berührung der Zellcnmembran durch Perforationen oder Löcher 30, die wahllos verteilt sind, geleitet, um eine Kanalstrombildung der Flüssigkeit beim Druchströmen der Zelle zu verhüten. Eine Verteilplatte ist nicht unbedingt erforderlich und die Einlaßöffnung selbst kann als Verteiler ausgeführt sein. Es kann auch unterhalb der Zelle eine Verteilplatte angeordnet werden, um einer Kanalstrombildung noch weiter entgegenzuwirken. Bei Verbindung mehrerer Zellen zu einer einzigen Vorrichtung werden Verteilplatten zwischen den Zeilen angeordnet.

Eine vereinfachte zusammengesetzte Diffusionsvorrichtung ist in F i g. 6 dargestellt.

Der obere Teil der Vorrichtung besteht aus einer Kopfplatte 25, einer Verteilplatte 26, einer Zelle 20, einer zweiten Verteilplatte 26 und einer Bodenplatte 21, die eine in der Mitte gelegene Auslaßöffnung 32 hat, aus der die Flüssigkeit abfließt, die der Zellen 20 über den Mitteleinlaß 27 zugeführt worden ist. Die verschiedenen Teile werden durch Befestigungsvorrichtung 18a, die aus Gewindemuttern und Schraubenbolzen bestehen, zusammengehalten. An den Verbindungsstellen sind die Teile außerhalb der Umfangsöffnungen durch Dichtungen 33 gedichtet, die aus einem Dichtmaterial, z.B. modifiziertem Kautschuk bestehen. Es kann jede beliebige Dichtung verwendet werden, erforderlich ist jedoch, daß das gewählte Material relativ inert in bezug auf die damit in Berührung kommende Flüssigkeit ist und daß ein guter Abschluß bewirkt wird. Gewünschtenfalls kann auch eine vollständig aus einem Stück bestehende Zelle hergestellt werden, wenn eine Prüfung der Membran nicht erforderlich ist Beispielsweise können die verschiedenen Teile für dauernd durch Epoxykunststoff miteinander verbunden und gedichtet werden, oder die verschiedenen Teile können aus einem thermoplastischen Polymerkunststoff bestehen und durch Wärmewirkung in der gleichen Weise verbunden werden, wie dies bei der Herstellung der Zelle beschrieben worden ist.

F i g. 7 zeigt eine teilweise geschnittene Diffusionsvonichtung mit näheren Einzelheiten. Die Vorrichtung besteht aus einer Kopfplatte 25 mit Mitleleinlaß 27 und Ventil 35, aus einem Umfangseinlaß 28 mit Ventil 36 und

ίο aus einem Umfangsauslaß 29. Die an der Außenkante der Zelle vorhandenen Enden der Hohlfäden 11 sind mit Epoxykunststoff 37 od. dgl. gedichtet. Eine Flüssigkeit wird dem Mitteleinlaß 27 zugeführt und fließt nach unten über die Verteilplatte 26, Löcher 30 und über die Membran 10 aus Hohlfaden 11, ferner durch die Löcher 3ö der zweiten Verteüpiatte 26 und strömt dann über den Mittelauslaß 32 der Bodenplatte 31 aus. Gewünschtenfalls fließt eine zweite Flüssigkeit über den Umfangseinlaß 28 und die Umfangsöffnungen 16 durch den Innenraum der Fäden 11, deren offene Enden in der Öffnung 16 enden, und weiter zur Umfangsoffnung 17 und dann aus der Auslaßöffnung 29 aus. Ventilvorrichtungen können auch in den Auslässen 29 und 32 verwendet werden, um die in der Diffusionsvorrichtung entwickelten Drucke zu regeln. Eine Ansicht ähnlich der Fig. 6 entsteht, wenn die Vorrichtung um 90° gedreht und im Schnitt dargestellt wird.

Fig.8 und 9 zeigen eine etwas abgeänderte Diffusionsvorrichtung bei Verwendung mehrerer ZeI-len. Bei der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung wird eine Flüssigkeit nach unten über die Außenseite der Hohlfäden 11 der Membran geleitet, und die Flüssigkeit, die die hohlen Fäden 11 durchströmen soll, der gleichen Seite jeder Zeile zugeführt. In Fig. 9 wird die Flüssigkeit, die durch den Innenraum der Hohlfäden 11 strömen soll, abwechselnd in jeder folgenden Zelle in der entgegengesetzten Richtung geleitet. Bei Verwendung dieser Anordnung ist es vorteilhaft, die über die Außenseite der Fäden strömende Flüssigkeit in Gegenstromrichtung — wie durch die Richtungspfeile gezeigt — zu führen, jedoch ist auch ein Gleichstrom zur Fließrichtung der Flüssigkeit im Innenraum der Fäden nützlich. Die Diffusionszelle und die Diffusionsvorrichtung können praktisch in jeder Stellung verwendet werden, da sie für gewöhnlich vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind.

Es gibt zahlreiche Variationsmöglichkeiten in der Anordnung mehrerer Zellen in Reihen- oder Parallelschaltung oder Kombinationen davon, was abhängt von dem zu behandelnden Material, der Leistung oder dem Grad der gewünschten Abscheidung, dem Volumen der zu behandelnden Flüssigkeit.

Die den Zellen zugeführten Drucke oder das für die Diffusion benutzte Druckgefälle richtet sich nach der Art des verwendeten Fadenmaterials, der Art der Flüssigkeit oder ihrer Komponenten, nach der Diffusionsgeschwindigkeit, dem osmotischen Druck, der Menge usw_ Vorteilhaft wird der Druck im Bereich zwischen 0,7 bis 1050 kg/cm² verwendet

Die Zelle, die Vorrichtung und das Verfahren können zur Wiedergewinnung oder zum Abscheiden von Komponenten aus verschiedenen Flüssigkeitsgemischen oder Flüssigkeitslösungen verwendet werden. Nachstehend werden typische Beispiele verschiedener

<>5 gewerblicher Gebiete genannt, bei denen die neue Diffusionsvorrichtung verwendet werden kann.

1. Gewinnung von Wasser aus Meerwasser und ungenießbarem Wasser.

2. Konzentration von Salzen oder anderen Chemikalien in verschiedenen Lösungen, z. B. Lösungen von NaCI, KCI, KBr, Na₂CO₃, Na₂SO₄, Na₂B₄O₇, Na)PO₄, NaBr, NaF, CaCI₂, NaOH, KOH, Ammoniak und Stickstoffdüngemitteln, Uran- und anderen seltenen Salzen aus Bleichlaugen, HjPO₄, CuSO₄. Mononatriumglutamat, Natriumthiosulfat, Natriumchromat, Natriumchlorat, Lithiumkarbonat, Alaun, Aluminiumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumnitrat, schwerem Wasser, Glyzerin, Milchsäure, Gerbextrakte, Alkohol, Fluorwasserstoff oder G lykole.

3. lonen-Austauschverfahren einschließlich Enthärten von Wasser, anionisches Enthalten und Gewinnung von Magnesium aus Meerwasser.

4. Abscheiden und Konzentrieren von wärmeempfindüchen Stoffen, ζ. B. Konzentrieren von natürlichen Frucht- und Gemüsesäften, Konzentrieren von Getränken, wie Milch oder Kaffee- und Tee-Extrakten, und für verschiedene medizinische und pharmazeutische Zwekke, z. B. künstliche Nieren, Behandlung von sterilen Lösungen, Isolieren von Viren oder Bakterien, Fraktionieren von Blut, Herstellen von Serum, Konzentrieren von Alkaloiden, Glukosiden, Hormonen, Vitaminen, Impfstoffen, Aminosäuren, Schutz-und Heilseren, antiseptischen Stoffen, Eiweibstoffen, organometallischen Verbindungen und antibiotischen Stoffen.

5. Abscheiden von Komponenten, die für gewöhnlich azeotropisch sind und sehr schnell sieden, und Abscheiden von Ammoniak aus organischen Aminen.

6. Behandlung von industriellen Abwässern z. B. Abfall aus radioaktiven Materialien, Sulfitbreien, spaltbaren Abfall, Konservenabfall, Wiedergewinnung von Ätzmitteln aus viskosen Lösungen oder Wiedergewinnung von Säuren aus Metallbehandlungsverfahren.

Ein anderes Gebiet für die neue Diffusionsvorrichtung und das Verfahren ist die Abscheidung von Komponenten aus einem Gasgemisch. Wasserstoff beispielsweise durchdringt einen permeablen Polystyrolfaden etwa 22 Mal so schnell wie Stickstoff und kann daher leicht und sehr bequem aus Gemischen, die beide Gase enthalten, getrennt werden, z. B. aus Gemischen, wie sie beim Abbau von Ammoniak entstehen, in denen das anfallende Gas etwa 75% Wasserstoff und 25% Stickstoff enthält.

Ebenso kann das Abscheiden von Wasserstoff aus Gemischen, die Kohlensäure enthalten, sehr leicht bei Verwendung von Hohlfäden aus Polystyrol ausgeführt werden. Es können daher verschiedene in Gewerbebetrieben anfallende Gemische dieser Art verwendet werden, z. B. Gemische, die bei der Dehydrierung von Äthylbenzol zur Herstellung von Styrol entstehen. Mit der neuen Diffusionsvorrichtung wird der Wasserstoff abgeschieden und das anfallende, an Kohlensäure reiche Restgas wird wieder in den Dehydrierungsvorgang zurückgeleitet Wasserstoff kann in ähnlicher Weise aus anderen wasserstoffhaltigen Gasen abgeschieden wer den, z. B. aus Koksofengas oder aus Gasen, die bei Hydrierungsverfahren und bei Petroleum-Raffinierungsverfahren entstehen.

Auch die Gasphasenabscheidung von chlorierten Methanen aus nicht umgesetztem Methan und die Abscheidung von Stickstoff aus Methan ist durchführbar, um auf diese Weise das Naturgas verkaufsfähiger zu machen. Ebenso kann Sauerstoff aus Meerwasser gewonnen werden, und zwar nach Art von künstlichen Kiemen, wobei das Meerwasser, das in der Innenseite 5 oder auf der Außenseite des Hohlfadens strömt, ein Diffundieren des Sauerstoffes durch die Fadenwand hindurch bewirkt. Die Erfindung kann auch zum Abscheiden von Sauerstoff aus Luft und von Helium aus Naturgas verwendet werden.

ίο Die Fig. 10, 10a; 11, 11a und 12, 12a zeigen schematisch und diagrammatisch das Arbeiten der Diffusionsvorrichlung für einige der vorstehend angegebenen Zwecke. In Fig. 10, 10a werden hohle Fäden, die für Wasser durchlässig sind, zum Konzentrieren von Fruchtsaft verwendet. Eine Dehydrierungsflüssigkeit, z. B. eine Sole, wird in zwei Richtungen durch den Innenraum c'er Hohlfäden einer Membran geleitet und der Fruchtsaft wird in der in Fig. 10a dargestellten Weise über die Membran auf der Außenseite der Hohlfäden geführt. Eine verdünnte Sole (verbrauchte Dehydrierungsflüssigkeit) fließt aus den entgegengesetzten Enden der Hohlfäden und ein konzentrierter Fruchtsaft wird am unteren Ende der Vorrichtung erhalten.

In ähnlicher Weise verwendet der in den Fig. 11, 1 la dargestellte Wasserenthärter hohle Fäden mit Kationen-Austauscheigenschaften, in den F i g. 12,12a ist zum Entionisieren von Wasser ein Entsalzer mit gemischtem Bett vorgesehen.

Die Erfindung wird noch durch folgende Ausführungen näher erläutert. Eine Zelle mit einer der erwähnten Profilierungen oder Umrissen wurde nach dem an Hand der F i g. 1 bis 7 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Membran wurde aus hohlen Polyäthylenfäden gewebt, die mit Chlorschwefelsäure sulfoniert wurden, um die Fäden als Kationen-Austauschfäden geeignet zu machen. Der Außendurchmesser jedes Fadens betrug etwa 0,21 mm (2iO Mikron) und der lichte Durchmesser jedes Fadens betrug etwa 0,18 mm (180 Mikron). Die Mittelöffnung im Rahmen war 6,25 cm² groß. Etwa 60 Fäden in jeder Richtung lagen frei in der Mittelöffnung. Zwei Zellen — durch Kautschukdichtung getrennt — wurden übereinander gestapelt und in eine Diffusionsvorrichtung eingebaut, die ähnlich der in den F i g. 6 und 7 dargestellten Vorrichtung war.

Eine wäßrige Solelösung (d. h. eine etwa 5%-ige NaCI-Lösung) wurde durch zivei der Umfangskanäle, die einen Abstand von etwa 90° hatten, hindurchgeleitet. Die Sole strömte durch den Innenraum der Fäden hindurch und strömte aus den gegenüberstehenden, im Abstand von den Eintrittsöffnungen befindlichen Austrittsöffnungen aus. Wasser, das etwa 200 ppm CaCI₂ enthielt, sickerte nach unten durch eine Mittelöffnung hindurch über die Membran und floß aus einer im Boden befindlichen Mittelöffnung aus. Das aus der Bodenöffnung abströmende Abflußwasser hatte bedeutend weniger Calcium-Ionen und kann durch aufeinanderfolgendes Hindurchleiten durch die Membran oder durch Benutzung mehrerer in Reihe geschalteter Zellen in der Diffusionsvorrichtung oder in einer nachgeschalteten Diffusionsvorrichtung vollständig »weich« gemacht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Diffusionszelle mit einem eine Mittelöffnung aufweisenden ebenen Rahmen und mit einer die Mittelöffnung abdeckenden, auf dem Rahmen angeordneten Trennmembran, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus mehreren ineinander verwebten, hohlen, wahlweise durchlässigen Fäden (11) gebildet ist, wobei jeder Faden an seinen Enden offen ist, daß eine Anzahl der Fäden in einem Winkel zu den anderen Fäden in der Membranebene liegen und daß die gegenüberliegenden Enden jedes Fadens in gegenüberliegenden Umfangsöffnungen (16,17) im Rahmen enden.

2. Diffusionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegend und auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen (16, 17) als Schlitze ausgebildet sind die sich parallel zu den Kanten des Rahmens erstrecken, und daß die hohlen Fäden, die jn dem einen Paar der gegenüberliegend auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen (16, !7) enden, aus einem Kationenaustauschmaterial bestehen, und daß die hohlen Fäden, die in dem anderen Paar der gegenüberliegenden, auf Abstand angeordneten Umfangsöffnungen (16,17) enden, aus einem Anionenaustauschmaterial bestehen.