Die vorliegende Erfindung betriff ein Verfahren zum Detek tieren von Filterdefekten an getauchten Wassertiltern mit tels einen Druckintegritätstests.

Wasserfilter im Bereich der Mikro- und Ultrafiltration haben Porengrößen zwischen 10 und 0,01 Mikrometer Durchmesser.

Über diese sehr kleinen Poren können Feststoffe aus dem Was ser herausgefiltert werden. Von großem Interesse ist das Herausfiltern von Keimen aus Trinkwasser, von denen eine Ge- sundheitsgefahr ausgehen kann. Hierzu zählen beispielsweise E. coli und Kryptosporidien. Derartige Keime können u.a. Durchfallerkrankungen verursachen.

Seitens der Gesetzgebung wird hoher Wert auf die zuverläs sige Entfernung dieser und anderer Keime gelegt. Richtli nien, wie beispielsweise das von der US EPA (United States Environmental Protection Agency) herausgegebene Membrane Filtration Guideline Manual 815-R-06-009, 2005, wurden ein geführt.

In den Richtlinien werden verschiedene Mess- und Prüfmetho den definiert, die es ermöglichen, Filterdefekte zu detek tieren. Neben visuelle Prüfmethoden, beispielsweise einem Blasenbildtest, werden sogenannte Integritätstests beschrie ben. Ziel eines Integritätstests ist es, während des Betrie bes des Filters mittels einer bevorzugt schnell durchführba ren Methode zu messen, ob der Filter seine ursprüngliche Po rengröße geändert hat. Änderungen können beispielsweise durch mechanische Defekte, wie Risse oder Brüche, aber auch durch chemische Reaktionen, die zu einer Alterung und damit Porenerweiterung führen, auftreten. Hat sich die Porengröße verändert, verändert sich auch der erzielbare Keimrückhalt. Je größer eine Pore ist, desto geringer ist der Keimrück halt. Gemäß der US EPA Richtline 815-R-06-009, 2005 bedarf es eines Mindestrückhaltes von 99,9% für Kryptosporidien, die üblicherweise eine Größe von 3-7 Mikrometer Durchmesser besitzen. Nur dann darf der Filter in Trinkwasseranwendungen eingesetzt werden.

Das Messen des Keimrückhaltes ist eine sehr aufwendige Me thode. Eine sogenannte Keimzahlbestimmung benötigt eine lange Messdauer über Stunden bzw. Tage. Es ist nicht mög lich, aus einer im Betrieb gesammelten Filterprobe ein so fortiges quantitatives Keimbestimmungsergebnis zu erhalten. Aus diesem Grund bedient man sich alternativer Messverfah ren, den sogenannten Druckintegritätstests.

Alle Druckintegritätstests berücksichtigen Haupteigenschaf ten des zu filtrierenden Wassers sowie Haupteigenschaften des Filters selbst. Zu den Haupteigenschaften des zu filt rierenden Wassers gehören Temperatur und die korrelierende Oberflächenspannung. Die Haupteigenschaften des Filters sind Porengröße, Porenstruktur, Porenlänge, Wasserkontaktwinkel und Oberflächenrauigkeit. Die Haupteigenschaften des zu filtrierenden Wassers sind einfach und direkt messbar, je doch gilt dies nicht für alle Haupteigenschaften des Fil ters. Aus diesem Grund wurden Vereinfachungen für die Druck- integritätstests gefunden unter der Annahme, dass ähnlich charakterisierte Wasserfilter einen ähnlichen Luftdurch bruchpunkt (auch Blasenpunkt genannt) bzw. Lufthaltepunkt haben. Unter ähnlich charakterisierten Wasserfiltern wurden Kunststofffilter beispielsweise aus Zellulose Acetat (CA), Polyvinyliden Fluoride (PVDF), Polyacrylonitrile (PAN), Po- lypropylene (PP), Polysulfone (PS), Polyestersulfone (PES) zusammengefasst. Bei gleichem Material haben Kunststofffil ter sehr ähnliche Porenstrukturen, Porenlängen, Wasserkon taktwinkel und Oberflächenrauigkeiten. Die einzige signifi kante Variable, die einen Einfluss auf den Luftdurchbruch punkt bzw. Lufthaltepunkt damit noch hat, ist die Poren größe. Die Porengröße kann, wie eingangs beschrieben, im Be reich der Mikro- und Ultrafiltration zwischen 10 und 0,01 Mikrometern Durchmesser liegen.

Der Luftdurchbruchpunkt ist definiert als der Differenz druck, bei dem die Wasserentleerung einer Pore startet. Der Luftdruck wird auf einer Seite der Pore angelegt, ist gegen über dem Druck auf der anderen Seite der Pore höher bzw. niedriger und drückt bzw. saugt damit das Wasser aus der Pore heraus. Der Luftdurchbruch wird also dadurch erzielt, dass die Druck- bzw. Saugkraft der angelegten Luft größer ist als die Kapillarkraft der Pore, die das Wasser in der Pore hält.

Der Lufthaltepunkt ist derjenige Druck, bei dem die Druck- bzw. Saugkraft der angelegten Luft genauso groß ist, wie die Kapillarkraft der Pore. Das Wasser in der Pore entweicht entsprechend (gerade) noch nicht. Der Luftdurchbruchpunkt hat stets einen größeren Differenzdruck als der Lufthalte punkt bzw. liegt unmittelbar darüber. In einer Pore mit konstantem Durchmesser verhalten sich Druck und Kraft typischerweise direkt proportional zueinan der. Als Beispiel: Verdoppelt sich der Druck, dann verdop pelt sich auch die Kraft. Die erforderliche Druck- bzw. Saugkraft sowie die Kapillarkraft sind umgekehrt proportio nal zur Porengröße zum Quadrat. Als Beispiel, verdoppelt sich eine Porengröße von einem Durchmesser von 0,1 Mikrome ter auf 0,2 Mikrometer, so reduziert sich die erforderliche Druck- bzw. Saugkraft sowie die Kapillarkraft und damit der Lufthaltepunkt bzw. Luftdurchbruchpunkt um den Faktor 4, also von 100% auf 25%. Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie stark sich definierte Druckpunkte ändern mit sich än dernder Porengröße.

Mit diesen funktionalen Abhängigkeiten lassen sich bei defi nierter Porengröße der Luftdurchbruchpunkt bzw. Lufthalte punkt exakt bestimmen. In der Praxis zeigt sich aber, dass ein realer Filter eine Porenabweichung mit sich bringt, die sogenannte Porengrößenverteilung. Üblicherweise geben Fil terhersteller als Porengröße an, welcher Porendurchmesser am häufigsten auftritt. Durch diesen Durchmesser strömt ent sprechend das meiste Wasser, wodurch die maßgebliche Filter eigenschaft, also der Rückhalt an Feststoffen charakteri siert wird. Um diese Porengröße herum gibt es einen kleinen Anteil größerer und kleinerer Porendurchmesser. Das hat zur Folge, dass man in der Praxis keinen festen Lufthaltepunkt für die angegebene Porengröße des Herstellers messen kann. Stattdessen gibt es stets einen langsamen, kontinuierlichen Differenzdruckverlust. Dieser Verlust ist gleichzusetzen mit einem Luftdurchbruch für alle größeren Poren. Der Differenz druck stabilisiert sich erst, wenn der Lufthaltepunkt der größten Pore erreicht wurde.

Die Schnelle des Differenzdruckverlustes ist ein Qualitäts kriterium für den Filter. Der Hersteller stellt für sein Filterprodukt einen entsprechenden Verlauf des Differenz druckverlustes dar. Je schneller der Verlust, umso mehr grö ßere Poren gibt es. Bei einem ungewöhnlich schnellen Verlust kann die Ursache eine Leckage am Filter sein. Aus diesem Grund haben sich sogenannte Differenzdruckabfalltests (Dru ckintegritätstests) als eine Standardmessmethode für das De- tektieren von Filterfehlern und Defekten etabliert.

Für eine Entscheidung, ob ein Filter für eine Trennaufgabe genügend ist, wird in der Regel festgelegt, welche und wie viel Feststoffe der Filter zurückhalten muss. In Trinkwas seranwendungen sind vor allem Keime ein Entscheidungskrite rium. Die US EPA (Membrane Filtration Guideline Manual 815- R-06-009, 2005) fokussiert den Rückhalt von Kryptosporidien, die zwischen 3-7 Mikrometer Durchmesser klein sind. Mit ei ner maximalen Porengröße bzw. einem maximalen Filterdefekt von 3 Mikrometer Durchmesser soll sichergestellt werden, dass der Filter den Keim genügend zurückhalten kann (Minde strückhalt von 99,9%). In der US EPA Richtlinie wird daher ein Lufthaltepunkt von 1,0 bar (14,5 psi) für bekannte Kunststofffilter mit einer maximalen Porengröße bzw. Filter defekt von 3 Mikrometer Durchmesser festgelegt. Dieser Luft haltepunkt wurde für alle Kunststofffilter allgemein festge legt. Üblicherweise haben die meisten Filterhersteller je doch deutlich kleinere Porengrößen. Entsprechend ist der Lufthaltepunkt von 1,0 bar als Minimum anzusehen, der tat sächliche Lufthaltepunkt von Filtern mit kleineren Poren liegt entsprechend über 1,0 bar.

Alle bekannten Druckintegritätstests für getauchte Wasser filter laufen nach dem gleichen Testschema ab, was im Fol genden anhand der schematischen Darstellungen eines getauch ten Wasserfilters gemäß den Fig. la und lb erläutert wird.

Getauchte Wasserfilter 1 sind definiert als Filter, die in einem zur Luftatmosphäre (d.h. zum Atmosphärenluftdruck 2) offenen Becken 3 in Wasser 4 eingetaucht sind und typischer weise mittels eines an der Filterinnenseite 5 (d.h. im Fil- terinnenraum 7) angelegten Unterdruckes von der Filteraußen seite 6 zur Filterinnenseite 5 filtrieren und mittels eines an der Filterinnenseite 5 angelegten Überdruckes von der Filterinnenseite 5 zur Filteraußenseite 6 zurückgespült wer den.

Im Rahmen eines Druckintegritätstests wird bei den bisher üblichen Verfahren gemäß dem Stand der Technik zunächst si chergestellt, dass der gesamte Filter 1 vollständig in Was ser 4 getaucht ist. Damit sind der gesamte Filterinnenraum 7 und alle Poren 8 des Wasserfilters 1 vollständig mit Wasser gefüllt. Falls sich trotz vollständig getauchtem Zustand des Filters 1 kleine Luftblasen innerhalb der Poren 8 festhal- ten, können diese Luftblasen über eine kurz andauernde Filt ration oder Rückspülung mit Wasser 4 entfernt werden. An der Filterinnenseite 5 wird anschließend im Rahmen des eigentli chen Druckintegritätstests ein Differenzdruck angelegt und sukzessive erhöht, wobei Fig. lb den Moment zeigt, in dem der Differenzdruck dem hydrostatischen Druck einer Wasser säule der Höhe 12 entspricht.

Dieser Differenzdruck ist üblicherweise ein positiver Wert, liegt somit oberhalb des Atmosphärenluftdruckes und wird dann als Überdruck bezeichnet. Er kann allerdings - insbe sondere im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die weiter un ten näher erläutert wird - auch als Saugdruck mit einem ne gativen Wert unterhalb des Atmosphärenluftdruckes vorliegen. Im Weiteren werden - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - die Testdetails für einen positiven Differenzdruck beschrie ben.

Ziel ist es zunächst, dass durch den Differenzdruck an der Innenseite 5 des Filters 1 der gesamte Filterinnenraum 7 von Wasser 4 entleert wird, wobei das Wasser 4 von der Innen seite 5 des Filters 1 durch die Poren 8 zur Außenseite 6 in das oben offene Wasserbecken 3 und damit außerhalb des Fil ters 1 transportiert wird. Die Filtergesamthöhe 9 von kom merziell verfügbaren, getauchten Wassertiltern überschreitet in der Regel nicht mehr als 4,0 m. Das bedeutet, dass be reits ein Differenzdruck von mindestens 0,4 bar aufgebracht werden muss, um die Luft 2 bis an den Boden des in Wasser 4 getauchten Filters 1 zu bringen. Allgemein gilt für Wasser, dass durch eine Wassersäule pro 1,0 m Wassertiefe ein Druck von 0,1 bar ausgeübt wird. Ein erforderlicher Differenzdruck von 0,4 bar infolge der Filtergesamthöhe ist somit ausrei chend entfernt von dem zuvor erwähnten Lufthaltepunkt von typischerweise 1,0 bar für bekannte Kunststofffilter mit ei ner Porengröße von 3 Mikrometer Durchmesser, so dass bei ei- nem Differenzdruck von 0,4 bar zwar bereits der gesamte Fil- terinnenraum 7 entleert ist, jedoch noch keine Luft durch die Poren 8 hindurchtritt, da der Luftdurchbruchpunkt von 1 bar durch den gegebenen Differenzdruck noch nicht erreicht ist.

Das bedeutet, dass bei entsprechender Herstellung eines Dif ferenzdrucks im Filterinnenraum 7 sichergestellt werden kann, dass bis zur tiefsten Stelle 10 des Filters am Becken boden Luft 2 in der Innenseite 5 des Filters 1 bis an die Pore 8 transportiert wird. Es ist damit also möglich, typi sche Kunststofffilter oder vergleichbare Filter mit Poren durchmessern von 3 Mikrometern oder kleiner im vollständig in Wasser getauchten Zustand einem Integritätstest mittels Differenzdruck zu unterziehen.

Für den sich nach Entleerung des Filterinnenraums 7 an schließenden Druckintegritätstest wird dann der Differenz druck nochmals vorteilhaft auf einen Wert bis (knapp) unter halb des bei intaktem Filter zu erwartenden Luftdurchbruch punkts des zu prüfenden Wasserfilters erhöht, wobei dann ein etwaiger Druckabfall vor Erreichen des bei intaktem Filter zu erwartenden Luftdurchbruchpunkts auf eine Leckage oder sonstige Beschädigung des Filters hindeutet. Aufgrund einer gewissen Streuung in den tatsächlichen Porengrößen kann bei Druckintegritätstests auch der mit steigendem Differenzdruck steigende Druckabfall in einer Druckabfallkurve ausgewertet und überprüft werden, ob das Messergebnis innerhalb gewisser Toleranzgrenzen noch demjenigen Verlauf entspricht, der an einem intakten Filter zu erwarten ist. Alle im Stand der Technik bekannten Kunststofffilter haben grundsätzlich ähnliche Materialeigenschaften, so dass der Lufthaltepunkt solcher Filter typischerweise deutlich über dem Druck einer hydrostatischen Wassersäule 11 liegt, die die gesamte Höhe des getauchten Filters überspannt. Ein Dru ckintegritätstest gemäß vorstehender Beschreibung eignet sich somit entsprechend für derartige Filter.

Neue Filtermaterialien weisen jedoch deutlich andere Materi aleigenschaften auf. Insbesondere Filter aus Keramikmateria len sind deutlich durchlässiger für Wasser, maßgeblich be gründet durch deutlich niedrigere Wasserkontaktwinkel. Das bedeutet, dass bei gleicher Porengröße deutlich niedrigere Kapillarkräfte vorherrschen und somit niedrigere Differenz drücke erforderlich sind, um den Luftdurchbruchpunkt bzw. Lufthaltepunkt zu erreichen. Es zeigt sich, dass die Luft durchbruchpunkte von Keramikfiltern aus Siliziumkarbid oder Aluminiumdioxid selbst bei sehr kleinen Poren von beispiel weise 0,4 bis 0,1 Mikrometer Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 0,3 bar liegen. Solche Filter haben jedoch in vielen An wendungsfällen ebenfalls eine Gesamthöhe von bis zu 4,0 m.

Ist der Lufthaltepunkt niedriger als die hydrostatische Was sersäule am getauchten Filter, ergibt sich dabei das Prob lem, dass in Bereichen 13 des Filters 1 in niedrigerer Was sertiefe bereits der Luftdurchbruchpunkt erreicht wird und damit Luft aus den Poren strömt, während die unteren Filter bereiche 14 nahe des Beckenbodens noch im Inneren des Fil ters 1 mit Wasser 4 gefüllt sind, wodurch Luft 2 noch nicht bis zur Innenseite 5 der Pore gelangt ist und somit auch keine Leckagen 15 (durch Messung des dann entstehenden Dif ferenzdruckabfalls) detektiert werden können.

An diesem Problem setzt die vorliegende Erfindung an, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, ein Verfahren zum Detektieren von Filterdefekten an getauchten Wassertiltern mittels eines Druckintegritätstest so auszugestalten, dass damit auch ge tauchte Wasserfilter einem Druckintegritätstest unterzogen werden können, bei denen der Druck einer den zu prüfenden Filterbereich überdeckenden hydrostatischen Wassersäule oberhalb des Luftdurchbruchpunkts des Filters liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren von Filterde fekten an getauchten Wassertiltern mittels eines Druckinteg ritätstests gemäß Anspruch 1 ist hierfür dadurch gekenn zeichnet, dass der Druckintegritätstest in einem Zustand ge startet wird, in dem alle Poren des Filters mit Wasser ge füllt sind und in dem der zu testende Filterbereich sowohl außenseitig als auch innenseitig zeitgleich an Atmosphären luftdruck steht.

Weitere Aspekte und bevorzugte Ausgestaltungen der vorlie genden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nach folgenden Beschreibung genannt bzw. erläutert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird somit ein Prüfver fahren definiert, das an dem Messgrundsatz der Durchführung eines (Differenz-) Druckintegritätstests unter Berücksichti gung des Luftdurchbruchpunktes bzw. des Lufthaltepunktes festhält, also den Druckpunkten (und -kräften), die größer bzw. gleich der Porenkapillarkraft sind. Jedoch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Druck- integritätstests mit wassergefüllten Filterporen gewisserma ßen an Luft - anstatt getaucht im Wasser - durchgeführt.

Es wird zunächst vorausgesetzt, dass der Filter vor Durch führung des Tests vollständig in Wasser getaucht ist. Falls erforderlich, wird eine kurzzeitige Filtration oder Rückspü lung mit Wasser durchgeführt, um etwaige kleine Luftblasen aus den Poren vollständig zu entfernen.

Dann wird das Wasserbecken 3 in zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geleert, bis der Filter 1 bzw. der zu testende Filterbereich vollständig an Luft steht, wie dies in Fig. lc dargestellt ist. Gleichzeitig mit dem Entleeren des Wasserbeckens wird auch der Filterinnen- raum 7 bzw. die Innenseite 5 des Filters mit dem Atmosphä renluftdruck 2 verbunden, was beispielsweise über das Öffnen eines Ventiles 16 erfolgen kann. Es herrscht damit während des Entleerungsvorgangs an der Außenseite 6 und Innenseite 5 des Filters 1 zeitgleich Atmosphärenluftdruck 2. Durch das Öffnen des Filterinnenraums 7 zum Atmosphärenluftdruck kann sich das in der Innenseite 5 des Filters 1 befindliche Was ser infolge der hydrostatischen Wassersäule über die Poren 8 des Filters entleeren. Das bedeutet, dass das Filterinnen- wasser bis zum untersten Filterbereich am Bodenbecken voll ständig über die Poren 8 zur Außenseite 6 und damit außer halb des Filters 1 gelangt.

Mit Abschluss der Entleerung steht der Atmosphärenluftdruck 2 gleichzeitig innenseitig und außenseitig an allen Poren 8 des Filters 1, wobei alle Poren 8 infolge der Kapillarkräfte weiterhin noch vollständig mit Wasser 4 gefüllt sind. Es wird damit ein gleicher Porenzustand erreicht wie bei den herkömmlichen Messverfahren, bei denen ebenfalls alle Poren mit Wasser gefüllt und Innen- sowie Außendruck am Filter gleich groß sind.

Damit kann nun ein Druckintegritätstest nach bekannter Me thode angewendet werden. Der Unterschied ist jedoch, dass der jetzt innenseitig anzulegende Differenzdruck (welcher vorliegend, wie bereits weiter oben erläutert, grundsätzlich sowohl positiv als auch negativ sein kann) lediglich dem an der Außenseite des Filters befindlichen Atmosphärenluftdruck gegenübersteht. Im Gegensatz zu dem bei den bekannten Ver fahren außen am Filter 1 anstehenden Wasser 4 (vgl. Fig. lb), für das allgemein gilt, dass pro 1,0 m Wassertiefe ein Druck von 0,1 bar ausgeübt wird, übt der außenseitig am Fil ter 1 befindliche Atmosphärenluftdruck 2 (vgl. Fig. lc) pro 1,0 m Lufttiefe einen Druck von lediglich ca. 0,0001 bar aus. Bei einer maximalen Filterhöhe 11 von beispielsweise 4,0 m bedeutet das, dass im Filterinnenraum lediglich ein der Filterhöhe 11 entsprechender Differenzdruck von 0,0004 bar angelegt werden muss, um sodann die untersten Poren 8 des Filters 1 prüfen zu können.

Dieser Differenzdruck ist im Übrigen so gering, dass alle Poren 8 mit einem quasi identischen Messdruck geprüft werden können. Wie eingangs erwähnt, liegen bei Keramikfiltern die Luftdurchbruchpunkte bei sehr niedrigen Werten, üblicher weise zwischen 0,1 bis 0,3 bar. Der im Rahmen der vorliegen den Erfindung erforderliche Differenzdruck von 0,0004 bar zum Ausgleich der hydrostatischen Luftsäule ist hiervon sehr weit entfernt, selbst für die kleinsten bekannten Luftdurch bruchpunkte .

Die eigentliche Durchführung eines sich dann anschließenden Druckintegritätstests, in dem typischerweise unerwünschte Druckabfälle unterhalb des bei intaktem Filter 1 zu erwar tenden Luftdurchbruchpunkts auf einen fehlerhaften Filter 1 hindeuten, ist aus dem Stand der Technik in verschiedenen Varianten hinlänglich bekannt. Es ist klar, dass auch alle weiter oben zum Stand der Technik erwähnten Merkmale oder Verfahrensschritte selbstverständlich im Rahmen der vorlie genden Erfindung ebenfalls anwendbar sind, soweit sie trotz der Besonderheiten der vorliegenden Erfindung erkennbar noch darauf anwendbar sind.

Damit kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein zuver lässiger Druckintegritätstest für alle getauchten Keramik filter durchgeführt werden. Insbesondere wird die ansonsten gegebene Problematik vermieden, dass in oberen Bereichen des Filters die Poren bereits von Wasser entleert werden, wäh rend andererseits der für den Integritätstest benötigte Dif ferenzdruck an den Poren im unteren Bereich des Filters noch nicht ansteht. Luftdurchbruchpunkte 17 an Leckagen 18 können somit zuverlässig detektiert werden.