Filtration

What does it mean …. FILTRATION ?
Filtration is the separation of undissolved media from liquids using a filter.The undissolved substances can be particulate, colloidal or disperse. The selection of the appropriate process depends on the liquid medium and the size of the substance to be separated.The following diagram can be used to roughly classify the particle size.

he following explanations deal exclusively with membrane technology. There are four filtration stages in membrane filtration, with the transitions being fluid:

Particle size

In order to find the right method for separating different particles, it is not always enough to use only tabular or schematic values. Since the different membrane processes overlap in their separation limits – which also has to do with the different definition (e.g. limitation of the process by pore sizes) – the particle in its actual shape must also be considered. If the particle is known, the appropriate size of the pore can easily be defined on the basis of empirical values.

In practice, however, a process solution is rarely found in which only a certain particle is to be separated. Usually there is a mixture of substances. Other substances present in the medium can also interfere with the filtration. It is therefore imperative to know all the ingredients in order to be able to make a precise statement. In practice, this is usually not the case.

​It does not always make sense to remove all substances from the medium using the membrane. In some processes it is even desirable that some ingredients remain in the medium, so that in practice compromises often have to be found. In addition, the energy consumption of the filtration system must be considered. The purer the permeate (filtrate) should be, the more energy (pressure / overflow) is required. It should therefore be noted that the technically most effective process does not necessarily always have to be the best or most suitable in terms of an overall economic calculation.

Basic of Membrane filtration

Membrane filtration uses the natural physical principle of molecule transport through a semipermeable membrane, which is possible due to a pressure difference (drinking membrane pressure). Molecules or particles are retained on the membrane due to their size, weight or structure.The membrane is characterized by its pore size, by the distribution of the pores on the surface, by the number of pores per m² of membrane area, by their charge and by their chemical composition. The mass transport is significantly influenced by these factors and by the top layer (secondary layer) that arises with each filtration. This has an impact on yield, performance and retention, and is therefore also decisive for the economy of membrane filtration.

Membrane and Module type

Structure, structure and materials

Im allgemeinen unterschiedet man zwischen der Membran, der eigentlichen Filtrationsschicht und dem Gehäuse (Housing), dem Element welches die passend konfektionierte Membrane enthält. Das Modul stellt eine Gesamtheit dar und kann aus einer oder mehreren Membranen in einem Gehäuse bestehen. Sowohl die Membran als auch das Modul werden wiederum nach Material und Herstellungsweise unterschieden.

Membrane material

Beim Material unterscheidet man zwei Hauptgruppen: organische Membranen (Polymere) und anorganische Membranen (keramische, metallische, Kohlenstoff). Bei letzteren hat jedoch die metallische Membran praktisch keine wirtschaftliche Bedeutung.

Beide Membranarten finden vielfältige Anwendungsbereiche in der Industrie. Grundsätzlich kann aber gesagt werden, daß die anorganische Membran aufgrund ihres hohen Preises und ihrer relativ großen Poren, nur eine untergeordnete Rolle spielt. Es muß allerdings erwähnt werden, dass keramische Membranen in einzelnen Anwendungen, das heißt, dort, wo ihre wirklichen Vorteile zum tragen kommen, vorzugsweise genommen werden.
Der Markt für keramische Membranen befindet sich vornehmlich in Europa und hier in der Hauptsache in Deutschland. International ist die anorganische Membran so gut wie unbedeutend. Die meisten keramischen Membranen sind Mikrofiltrationsmembranen.

Function

Molekurlarsieb

Die Mikrofiltration und Ultrafiltration, die im folgenden näher betrachtet werden sollen, gehören zur Kategorie der Molekularsiebfiltrationen. Das zu filtrierende Medium wird dabei unter Druck und Strömung auf die Membran gebracht. Stoffe, die aufgrund von Größe, Struktur und Ladung nicht durch die Poren dringen können, verbleiben im Konzentrat. Die Triebkraft für diesen Prozeß ist ein Druck von 2–10 bar.

Diffusionsfiltration

Osmose oder Umkehrosmose beruhen auf dem Prinzip der Diffusionsfiltration. Dabei diffundiert das Lösungsmittel in Abhängigkeit von Struktur und chemischem Aufbau der Membran in die Membran hinein und wird auf der Permeatseite wieder abgegeben. Diese Art von Membran hat keine Poren. Triebkraft ist entweder ein Konzentrationsgefälle (Osmose) oder ein äußerer Druck von 10– 50 bar (Umkehrosmose).

Das Cross-Flow-Prinzip

Grundsätzlich wird bei der Membranfiltration dem Zustrom ein Filtrat entzogen, das durch die Membran hindurchtritt und über einen Permeatsammler abgeführt wird. Im Stromkanal verbleibt das Retentat, dessen Konzentration im Verlauf des Filtrationsprozesses kontinuierlich zunimmt.

Bei der Membranfiltration nach dem Cross-Flow-Prinzip wird die Membran tangential angeströmt, so dass aufgrund der sich einstellenden turbulenten Strömungsverhältnisse keine hemmenden Ablagerungen, sondern vielmehr eine kontrollierte Sekundärschicht gebildet wird. Dadurch wird es möglich, diese Art der Filtration kontinuierlich zu betreiben.

Cleaning

Die Stand- und Lebenszeit der Membranen hat große wirtschaftliche Bedeutung. Sie kann jedoch durch eine optimale Reinigung erheblich verlängert werden, wobei grundsätzlich zwischen zwei Reinigungsarten unterschieden werden kann.

Chemical Cleaning

Bei der chemischen Reinigung wird nach Abfall der Anlagenfiltratleistung der Spülprozeß mittels einer chemischen Lösung durchgeführt. Je nach zu filtrierendem Medium kann diese Lösung alkalisch oder sauer sein. Dabei wird die Lösung in einer bestimmten Zeiteinheit mittels Umwälz- oder Spülpumpe über die Membran gefahren. Die gebildete Deckschicht wird chemisch von der Membran gelöst. Ein Teil der Reinigerlösung durchdringt die Poren der Membran und löst dort die eventuell abgesetzten Partikel. Nach Abschluß der Reinigung ist die Reinigerlösung zu verwerfen. Sollte sich der gewünschte Flux nicht neu einstellen, so ist die Reinigung zu wiederholen.

Permeate backflushing

Bei der permeatseitigen Rückspülung wird während des Filtrationsprozesses in definierten Zeitintervallen das Permeat entgegen der eigentlichen Flußrichtung zurückgeführt. Dies geschieht mittels Luft oder über eine Wasservorlage, wobei der Rückstaudruch größer als der Filtratdruck sein muß. Diese Art der Reinigung wird nur bei bestimmten Modultypen eingesetzt, da nicht alle Membranen mechanisch ausreichend stabil sind. Sinnvoll ist sie insbesondere bei symmetrischen Membranen, da bei diesen in der Pore filtriert wird.

Bei organischen Membranen, hingegen, wird diese Reinigung eher selten eingesetzt. Grundsätzlich muß angemerkt werden, daß diese Art der Reinigung in der Praxis nicht immer den gewünschten Erfolg zeigt, zumal sie zusätzlich auch noch energetisch relativ aufwendig ist. Jeder Reinigungsvorgang ist also einzeln und auf den spezifischen Anwendungsfall abgestimmt zu betrachten.