NL1004210C2

NL1004210C2 - Waterfiltratie-inrichting.

Info

Publication number: NL1004210C2
Application number: NL1004210A
Authority: NL
Inventors: Johan Jan Scharstuhl
Original assignee: Prime Water Systems N V
Priority date: 1996-10-07
Filing date: 1996-10-07
Publication date: 1998-04-10
Also published as: EP0938367A1; CA2268161A1; DE69727310D1; CN1122561C; ES2219776T3; CN1232408A; EP0938367B1; WO1998015342A1; ATE258078T1; DE69727310T2; US5895573A; AU4402697A; CA2268161C

Description

Waterfiltratie-inrichting

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een waterfiltratie-inrichting voor het lokaal zuiveren van huishoudelijk en/of drinkwater, omvattende een filterhuis voorzien van een toevoer- en een afvoeraansluiting, en met daarin 5 aangebracht een bundel capillaire membranen, welke capillaire membranen aan een eerste uiteinde open zijn en aan een andere uiteinde gesloten zijn, en aan het eerste uiteinde zijn gevat in een membraanhouder die de ruimte tussen de capillaire membranen en het filterhuis afsluit.

10 Inrichtingen voor het reinigen van vloeistoffen, en meer specifiek voor het reinigen van drinkwater en voor het hieruit verwijderen van levende micro-organismen zijn bekend uit de praktijk. Het zijn doorgaans omvangrijke installaties, welke worden toegepast voor het zuiveren van drinkwater ten 15 behoeve van een omvangrijk gebied. Vaak worden gedateerde technieken of verouderde installaties toegepast en het is daarom niet eenvoudig een adequate zuivering van drinkwater te realiseren. Ook kunnen er later ziekteverwekkers of andere soorten van verontreiniging in het in eerste instantie gezui-20 verde water optreden. Om het optreden van de gezondheid bedreigende ziekteverwekkers te voorkomen wordt er in veel gevallen chloor aan het drinkwater toegevoegd. Dit heeft als belangrijk nadeel dat de smaak en de reuk van het water in sterke mate verslechtert. Een aantal micro-organismen, zoals 25 Cryptosporidium en Giardia zijn bovendien resistent voor chloor en blijven dus in leven in gechloreerd drinkwater. Voorts is problematisch dat in veel gebieden, en vooral in derde-wereldlanden, in het geheel geen betrouwbare drinkwatervoorziening aanwezig is.

30 Een waterfiltratie-inrichting van de in de aanhef genoemde soort is bekend uit de Japanse octrooipublikatie JP-A-63.287.593. Een beperking van deze bekende inrichting is dat enerzijds de capaciteit, uitgedrukt in liters gefilterde vloeistof per oppervlakte-eenheid membraanoppervlak en 35 per tijdseenheid, laag is en dat anderzijds een hoge drukval 1004210 2 over de filtratie-inrichting noodzakelijk is om filterwerking te verkrijgen.

De waterfiltratie-inrichting volgens de uitvinding beoogt deze beperking op te heffen. Daartoe bezit de waterfil-5 tratie-inrichting volgens de uitvinding het kenmerk dat de membranen ultrafiltratiemembranen met een asymmetrische porie-structuur zijn, waarbij de poriestructuur zodanig asymmetrisch is dat de poriediameter geleidelijk afneemt in de stroomrichting van de vloeistofstroom door de membraanwand.

10 Als gevolg van de asymmetrische poriestructuur met een geleidelijke afname van de poriediameter wordt de door-stroomweerstand door het membraan aanzienlijk verminderd, zodat de capaciteit toeneemt. Voorts resulteert de asymmetrische structuur in een vertraging van de vervuiling van de 15 membranen en kan de inrichting eenvoudig worden gereinigd om opnieuw te worden gebruikt. Dit reinigen vindt plaats door het inverteren van de stroomrichting, waardoor vervuiling eenvoudig uit de asymmetrische poriën wordt verwijderd. Deeltjes en moleculen die groter zijn dan de poriediameter van de water-20 filtratiemembranen worden effectief uit de te reinigen vloeistof gefilterd. De capillaire membranen kunnen met een bepaalde porie-afmeting worden vervaardigd. Wordt er bijvoorbeeld voor een zeer geringe porie-afmeting gekozen om een absolute barrière voor bacteriën en virussen te vormen, dan ligt een 25 typisch verkrijgbare log-verwijderingswaarde voor micro-orga-nismen boven de waarde 8.

Opgemerkt wordt dat een asymmetrisch membraan bekend is uit EP-A-0.305.787. Dit membraan bezit echter een drie-laagsstructuur. De eerste laag hiervan is een dichte, nog 30 dunne huid, de tweede laag bezit een sponsstructuur, en de derde laag bezit een open-vingerstructuur.

Verder wordt opgemerkt dat uit EP-A-0.036.315 een anisotroop membraan bekend is. Dit membraan bezit een huid met kleine poriën op een drager met een netachtige structuur, 35 waarbij de grootte van de poriën in de drager in de richting van de huid afneemt.

In beide publikaties is echter geen sprake van een structuur van de afzonderlijke poriën, waarvan de diameter geleidelijk afneemt in de stroomrichting.

1004210 3

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de waterfil-tratie-inrichting neemt de poriediameter af vanaf de buitenzijde naar de binnenzijde van de capillaire membranen. De capillaire membranen worden in dat geval vanaf de buitenzijde 5 aangestroomd. In deze uitvoeringsvorm kan de dichtheid van de poriën in de membraanwand groter zijn dan bij een toenemende poriediameter van binnen naar buiten, aangezien het aan de buitenzijde van de capillaire membranen beschikbare oppervlak groter is dan aan de binnenzijde. Dit resulteert in een grote-10 re capaciteit van de filtratie-inrichting.

De effectiviteit en toepasbaarheid van de waterfiltratie-inrichting wordt verder verbeterd, wanneer de membranen permanent hydrofiel zijn. De combinatie van permanent hydrofiele membranen en de asymmetrische structuur resulteert in 15 een gering benodigd drukverschil over het membraan bij een hoge filtratie-/permeaatopbrengst, dat wil zeggen dat een hoge capaciteit wordt gerealiseerd bij een geringe werkdruk. De waterfiltratie-inrichting volgens de uitvinding kan nu worden toegepast bij werkdrukken in het gebied van 0,5 tot 4 bar, en 20 een capaciteit groter dan 1000 liter/m2/ uur/bar is op eenvoudige wijze te realiseren. De waterfiltratie-inrichting is zodoende uitermate geschikt om in of bij een wateraftappunt, zoals de uitstroombuis van een mengkraan, of op een andere plaats in het huishoudelijke waterleidingnet te worden toege-25 past.

De uitvinding wordt hierna verder toegelicht aan de hand van de tekening, waarin gelijke verwijzingscijfers naar gelijke of gelijksoortige onderdelen verwijzen, en waarin fig. 1 een eerste uitvoeringsvorm toont van de ultra-30 filtratie-inrichting volgens de uitvinding, waarbij het kool-stoffilter is geplaatst tussen een toevoeraansluiting en de capillaire membranen; fig. 2 een tweede voorkeursuitvoeringsvorm toont van de ultrafiltratie-inrichting volgens de uitvinding, waarbij 35 het koolstoffilter is geplaatst tussen de capillaire membranen en de afvoeraansluiting; fig. 3 een derde voorkeursuitvoeringsvorm toont van de ultrafiltratie-inrichting volgens de uitvinding, waarbij de 1004210 4 capillaire membranen zijn opgenomen in een behuizing van het koolstoffilter; en fig. 4 een enkel capillair membraan volgens de uitvinding toont.

5 In figuren 1, 2 en 3 wordt het filterhuis aangeduid met het verwijzingscijfer 10. Het filterhuis 10 is voorzien van een toevoeraansluiting, welke wordt aangeduid door 11, en een afvoeraansluiting, welke wordt aangeduid door 12. In het filterhuis 10 is een bundel capillaire ultrafiltratiemembranen 10 20 aangebracht welke aan een eerste uiteinde 21 zijn gevat in een filterhouder 30. Aan dit eerste uiteinde 21 zijn de capillaire membranen open. Aan het andere uiteinde 22 zijn de capillaire membranen gesloten. Het filterhuis 10 kan zijn vervaardigd van een star materiaal, zoals P.V.C. of een me-15 taal, maar het kan ook zijn vervaardigd van een flexibel materiaal. In het laatste geval kan de ultrafiltratie-inrich-ting in een gebogen toestand worden toegepast.

In een eerste uitvoeringsvorm zoals getoond in fig. 1 zijn de membranen 20 aan beide zijden ingebed in een hars, 20 zoals epoxy of polyurethaan. Het filterhuis 10 bestaat in de uitvoeringsvorm getoond in fig. 1 uit een buisvormig element waarin tussen nabij de uiteinden aangebrachte harsproppen 30, 40 een opening 12 is aangebracht welke dient als afvoeraansluiting.

25 In een tweede uitvoeringsvorm getoond in fig. 2 zijn de capillaire membranen 20 ieder afzonderlijk afgesloten door een harsprop 45. In deze uitvoeringsvorm bestaat het filterhuis 10 ook uit een buisvormig element, maar is de afvoeraansluiting 12 in het verlengde van de toevoeraansluiting 11 30 geplaatst.

In het filterhuis 10 is een koolstoffilter 50 aangebracht. Dit filter is opgebouwd met geactiveerde koolstof-korrels, welke zijn opgenomen in een doorstroombare behuizing 51. Door het koolsstoffilter 50 worden in het water opgeloste 35 organische verontreinigingen, welke de capillaire ultrafiltra-tiemembranen 20 zouden kunnen passeren, verwijderd. Het kool-stoffilter 50 kan op verschillende plaatsen in het filterhuis 10 worden opgenomen. In de eerste uitvoeringsvorm getoond in fig. 1 is het koolstoffilter geplaatst tussen de toevoeraan- 1004210 5 sluiting 11 en de membraanhouder 30. De doorstroombare behuizing 51 is zodanig in de filterhouder 10 aangebracht dat het via de toevoeraansluiting 11 toestromende water slechts via dit koolstoffilter de capillaire membranen 20 kan bereiken. Om 5 de geactiveerde koolstofkorrels 53 in de doorstroombare behuizing 50 op te sluiten, is deze behuizing 51 aan beide uiteinden afgesloten door een geperforeerde plaat 52.

In de tweede uitvoeringsvorm getoond in fig. 2 is het koolstoffilter 50 geplaatst tussen de capillaire membranen 20 10 en de afvoeraansluiting 12. Hierin passeert het te reinigen water eerst de membranen en doorstroomt vervolgens het kool-stoffilter en kan de inrichting via de afvoeraansluiting 12 verlaten.

In de derde uitvoeringsvorm getoond in fig. 3 zijn de 15 capillaire membranen 20 opgenomen in de behuizing van het koolstoffilter 50. Het filterhuis 10 dient in deze uitvoeringsvorm tevens als doorstroombare behuizing 51 van het koolstoffilter. De geactiveerde koolstofkorrels bevinden zich daarbij tussen de capillaire membranen 20. De afvoeraanslui-20 ting 12 in deze uitvoeringsvorm is tussen de beide nabij de uiteinden aangebrachte harsproppen 30, 40 aangebracht en deze is afgesloten met een geperforeerde plaat 52 om de koolstof-korrels in de doorstroombare behuizing 51 te behouden.

De poriën van de capillaire membranen hebben een 25 asymmetrische structuur, waarbij de poriediameter afneemt in de stroomrichting van de vloeistofstroom, dat wil zeggen met de grotere poriën aan de binnenzijde van de capillaire membranen van de in figuren 1 tot en met 3 getoonde uitvoeringsvormen. Het is ook mogelijk om de toevoer- en afvoeraansluiting 30 te verwisselen van de in de figuren 1 tot en met 3 getoonde uitvoeringsvormen. In dat geval worden de capillaire membranen vanaf de buitenzijde aangestroomd, zodat de grotere poriedia-meters zich nu aan de buitenzijde van de capillaire membranen moeten bevinden. Een dergelijke uitvoeringsvorm, waarbij de 35 capillaire membranen aan de buitenzijde worden aangestroomd, kan voordelig zijn, omdat het aan de buitenzijde van de capillaire membranen beschikbare membraanoppervlak groter is en de grotere poriediameter zich aan de aanstroomzijde moet bevin- 1004210 6 den. De dichtheid van de poriën in de membraanwand kan nu groter worden gekozen, zodat de capaciteit toeneemt.

Het is gebleken dat door de asymmetrische structuur de filtratie-eigenschappen aanzienlijk beter zijn dan bij een 5 membraan met een symmetrische poriestructuur. Mede hierdoor en door de permanent hydrofiele eigenschappen van het membraanma-teriaal zijn de membranen niet snel verzadigd met vervuiling. Door de asymmetrische structuur van de poriën kunnen de capillaire membranen na een periode van gebruik ook uitstekend 10 worden gereinigd en hierna opnieuw worden gebruikt. In de getoonde uitvoeringsvormen hebben de poriën aan de binnenzijde een diameter van ongeveer 10 μπι en aan de buitenzijde van de capillaire membranen een diameter van ongeveer 20 nm. Deeltjes met een grootte boven de 20 nm worden zodoende met een grote 15 effectiviteit uit het te reinigen drinkwater gefilterd. Bij voorkeur maakt men gebruik van ultrafiltratiemembranen van de firma X-Flow B.V., Almelo, Nederland. Deze membranen voldoen aan de gestelde filtratiecriteria en hebben een geringe ver-vuilingsaffiniteit. Bovendien zijn deze membranen goed toepas-20 baar bij temperaturen van 0-120°C.

De ultrafiltratie-inrichting wordt bij voorkeur toegepast in of bij een aftappunt, zoals een mengkraan. Deze levert doorgaans 10 liter water per minuut, waarvoor een membraanoppervlak van circa 0,1 m2 noodzakelijk is. Dit mem-25 braanoppervlak wordt gerealiseerd door toepassing van een bundel met ongeveer 150 capillaire membranen met een buitendiameter van circa 1,2 mm en een binnendiameter van circa 0,7 mm. In de praktijk kan dit aantal variëren van 100-200 en, afhankelijk van het aantal gebruikte capillaire membranen, 30 dient de lengte van de membranen tussen de 30 en de 15 cm gekozen te worden.

Het door de ultrafiltratie-inrichting gereinigde water is gezuiverd van verontreinigingen en ziekteverwekkers, zoals bacteriën en virussen. Het resultaat is betrouwbaar 35 drinkwater, dat vrij is van een eventuele onaangename geur en smaak, zoals die het resultaat zou zijn van aan het drinkwater toegevoegd chloor. De ultrafiltratie-inrichting heeft een lange gebruiksduur en kan worden gereinigd en hergebruikt. De ultrafiltratie-inrichting volgens de uitvinding kan bij toe- 1004210 7 passing bij een waterkraan worden opgenomen in een onderdeel van de waterkraan, maar het is ook goed denkbaar om de ultra-filtratie-inrichting door middel van bijvoorbeeld een schroef-of bajonetaansluiting op de waterkraan aan te sluiten waardoor 5 de ultrafiltratie-inrichting tevens dienst doet als uitstroom-buis. Het is ook mogelijk om de ultrafiltratie-inrichting op te nemen in een watertoevoerleiding voor een gebouw, zoals een woonhuis. Vanzelfsprekend moet de dimenszonering van de ultra-filtratie-inrichting hierop worden aangepast.

10 Fig. 4 toont een enkel capillair ultrafiltratiemem- braan 20 volgens de uitvinding. Aan de zijde 22 is het capillair afgesloten door bijvoorbeeld een hars, zoals epoxy of polyurethaan. Het uiteinde 21 is over een lengte van circa 8 cm bedekt met een porie-afsluitend materiaal 60, zoals hars of 15 tape. Dit membraan kan als rietje worden gebruikt om water op te zuigen, waarbij de asymmetrische poriestructuur in het membraan als barrière fungeert voor vervuiling en ziekteverwekkers. Hiertoe wordt het gedeelte van het capillair van het afgesloten gedeelte 22 tot over het porie-afsluitende gedeelte 20 in het water gestoken. Als aan het open uiteinde 21 wordt gezogen, zal het water van buiten naar binnen het membraan passeren en aldus gefilterd drinkwater beschikbaar komen. De grotere poriën bevinden zich nu aan de buitenzijde van het capillaire membraan. In deze toepassing heeft het capillair 25 een lengte van ongeveer 20-30 cm, een buitendiameter van circa 5 mm en een binnen-diameter van circa 3 mm.

De beschreven uitvoeringsvormen moeten niet worden opgevat als een beperking van de uitvinding. Binnen het kader van de onderhavige uitvinding en de hiernavolgende conclusies 30 kan de ultrafiltratie-inrichting in diverse uitvoeringsvormen worden gerealiseerd, welke alle liggen binnen de beschermings-omvang van de uitvinding.

1004210

Claims

1. Waterfiltratie-inrichting voor het lokaal zuiveren van huishoudelijk en/of drinkwater, omvattende een filterhuis voorzien van een toevoer- en een afvoeraansluiting, en met daarin aangebracht een bundel capillaire membranen, welke 5 capillaire membranen aan een eerste uiteinde open zijn en aan een andere uiteinde gesloten zijn, en aan het eerste uiteinde zijn gevat in een membraanhouder die de ruimte tussen de capillaire membranen en het filterhuis afsluit, met het kenmerk, dat de membranen (20) ultrafiltratiemembranen met een 10 asymmetrische poriestructuur zijn, waarbij de poriestructuur zodanig asymmetrisch is dat de poriediameter geleidelijk afneemt in de stroomrichting van de vloeistofstroom door de membraanwand.

2. Waterfiltratie-inrichting volgens conclusie 1, met 15 het kenmerk, dat de poriediameter afneemt vanaf de buitenzijde naar de binnenzijde van de capillaire membranen (20).

3. Waterfiltratie-inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de membranen (20) permanent hydrofiel zi jn.

4. Waterfiltratie-inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, opgenomen in de leiding naar of in de uitstroomopening van een wateraftappunt zoals een mengkraan.

5. Capillair filtratiemembraan (20) zoals beschreven als onderdeel van de waterfiltratie-inrichting volgens conclu- 25 sie 1, 2 of 3.

6. Capillair filtratiemembraan volgens conclusie 5 voor toepassing als een drinkrietje. 1004210