Membrantrennverfahren und Membranmodul zur Aufbereitung von Flüssigkeiten

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membrantrennverfahren zur Aufbereitung von Flüssig keit

Durch Membranmodule 1 (auch als Membranvorrichtung bezeichnet) werden einige Kompo- nenten (z.B. partikuläre, gelöste anorganische oder organische Wasserinhaltsstoffe oder Mikroorganismen) im Zulauf 17 des Membranmoduls 1 mittels Trennmembranen 5 (im Fol- genden auch einfach als Membranen bezeichnet) selektiv zurückgehalten und verlassen die Membranvorrichtung 1 als Konzentrat 19. Andere Komponenten (z.B. Wassermoleküle) pas- sieren die Membran 5 als Permeat 18 (Figur 1 ). Die Erfindung ist auf Flüssigkeiten im All- gemeinen anwendbar. Der Einfachheit halber ist hier jedoch oft von Wasser die Rede. Der Fachmann versteht, dass statt Wasser auch andere Flüssigkeiten gemeint sein können.

Membrantrennverfahren (auch einfach Membranverfahren genannt) wie Umkehrosmose, Nanofiltration und Elektrodialyse werden unter anderem zur Aufbereitung von Flüssigkeiten verwendet. Ausgegangen wird insbesondere von Verfahren zur Entfernung von Salzen, ge- lösten organischen Wasserinhaltsstoffen sowie Kolloiden wie z.B. Huminstoffen. Dies schließt unter anderem folgende Anwendungsgebiete ein: Meer- oder Brackwasserentsal- zung, Aufbereitung von Trink- und Brauchwasser, Reinstwasserherstellung, Abwasserbe- handlung oder zur Aufkonzentration von Flüssigkeiten in der Lebensmittelindustrie. In den genannten Anwendungsgebieten wird ein hoher Rückhalt bestimmter Komponenten bei gleichzeitig hohem Permeatflux Jw angestrebt.

Entsprechend der Porenweite der verwendeten Membran werden Membranverfahren in Mik- rofiltration (0.1 - 10 Mikrometer), Ultrafiltration (0.01 - 0.1 Mikrometer), Nanofiltration (0.001 - 0.01 Mikrometer) und Umkehrosmose, Vorwärtsosmose bzw. Elektrodialyse (< 0.001 Mik- rometer) unterschieden. Mikrofiltrationsmembranen werden üblicherweise zum Rückhalt von Komponenten einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser, also partikulärer Wasserinhalts- stoffe eingesetzt. Ultrafiltrationsmembranen halten gelöste Wasserinhaltsstoffe einer Mole- külgröße von bis zu 5000 Da zurück. Nur einige wenige Komponenten (z.B. Salze) passieren Nanofiltrationsmembranen. Umkehrosmose-, Vorwärtsosmose- bzw. Elektrodialysemembra- l nen halten nahezu alle Komponenten im Wasser zurück. Die Erfindung betrifft insbesondere Membranen und Membranverfahren der beiden letztgenannten Kategorien - Nanofiltration und Umkehrosmose, Vorwärtsosmose, Elektrodialyse.

Prozesstechnisch werden Membranen 5 in Membranvorrichtungen 1 eingesetzt. Das Spiral wickelmodul ist die am häufigsten verwendete Membranvorrichtung 1 für Umkehrosmose-, Nanofiltrations- und Elektrodialysemembranen.

Ein Spiralwickelmodul 1 ist schematisch beispielhaft in Figur 2 dargestellt. Das Spiralwi- ckelmodul 1 besteht aus mehreren viereckigen Membranen 5, hier Membrantaschen 5, wel- che um das leicht verlängerte Permeatsammelrohr 12 gewickelt sind. Als Membranmateria- lien für Umkehr-, Vorwärts oder Elektrodialysemembran kommen unter anderem Polyamid (als Kompositmembran), Celluloseacetat, Aqaporine oder Polytetrafluorethylen). Die einge- wickelten Membrantaschen 5 sind wiederum von einem Hüllelement 20 umgeben. Um das Hüllelement 20 herzustellen, werden einzelne Fasern, Faserbündel oder flächige Gewebe aus hitzebeständigem, alkaliresistentem Kunststoff um die äußere periphere Oberfläche der Membran 5 gewickelt (umsponnen) und in Epoxidharz eingebettet.

Zwei Membranlagen, 9 und 11 , welche an drei Seiten (hier Stirnseite 6, obere Seite 7 und Ablaufseite 8) verschlossen sind, bilden eine Membrantasche 5. Die Membrantasche 5 ist an der offenen Seite an das perforierte oder geschlitzte Permeatsammelrohr 12 angeschlossen. Zwischen den Membranlagen befindet sich in der Membrantasche der Permeatspacer 10. Zwischen den Membrantaschen 5 befinden sich Feedspacer 4, welche ebenfalls um das leicht verlängerte Permeatsammelrohr 12 gewickelt sind. Ein Teil des aufzubereitenden Zu- laufs 17 (auch Feedstrom 17 genannt), welcher stirnseitig 2 in die Membranvorrichtung 1 gelangt, passiert die Membran 5 und verlässt die Membranvorrichtung 1 anschließend als gereinigtes Permeat 18 in Richtung Permeatsammelrohr 12, während ein zweiter Teil des Feedstroms 17 an der Membran 5 als Querstrom vorbeigeführt wird und die Membranvor- richtung 1 ablaufseitig 3 als Retentat 19 verlässt. Der als Retentat 19 bezeichnete Teilstrom enthält im Vergleich zum Feedstrom 17 zusätzlich einen Großteil der durch die Membran 5 zurückgehaltenen Komponenten, während das Permeat 18 diese Komponenten nicht oder nur noch sehr unwesentlich enthält. Die Druckschrift US 2007/0068864 beschreibt beispiel haft ein Spiralwickelelement 1.

Durch den Permeatspacer 10 werden Kanäle gebildet, durch die Permeat 18 im Inneren der Membrantasche 5 zum Permeatsammelrohr 12 gelangt. Durch Feedspacer 4 werden Kanäle gebildet, durch die der Feedstrom 17 über die obere Membranlage 11 und die untere Memb- ranlage 9 der Membrantasche 5 geführt wird. Insbesondere die Feedspacer 4 sorgen zusätz- lieh zu Verwirbelungen der Strömung und folglich zu einer Verringerung der Konzentrations- Polarisation auf der Zulaufseite der Membranlagen und somit zu einem verbesserten Stoff- austausch.

Konzentrationspolarisation ist die ungewollte Konzentrationüberhöhung einer Komponente an der, dem Zulauf 17 zugewandten, Membranoberfläche. Die Konzentrationsüberhöhung ist in unmittelbarer Nähe zur Membranoberfläche besonders hoch und nimmt mit zunehmen- dem Abstand zur Membranoberfläche in Richtung der freien Lösung ab. Dieser Konzentrati- onsgradient führt zu einem zusätzlichen diffusiven Flux in Richtung der freien Lösung J _D . Als Folge dessen nimmt der Permeatflux Jw in Richtung der Membran 5 mit zunehmender Kon- zentrationsüberhöhung an der Membranoberfläche ab. Unter diesen Bedingungen kann die Leistungsfähigkeit der Membran 5 nicht vollständig ausgenutzt werden.

Zum Beispiel durch die Verwendung eines dünneren Feedspacers 4 wird die Fließgeschwin- digkeit des Zulaufes 17 im Zulauf-Retentat-Kanal erhöht und die Konzentrationspolarisati- onsschicht dünner. Übliche Leerrohr-Fließgeschwindigkeiten im Feed-Konzentrat-Kanal in x- Richtung liegen im Bereich von 0.05 - 1 m/s.

Figur 3 zeigt den Aufbau von Feedspacern 4, welche derzeit üblicherweise eingesetzt wer- den. Bisher werden sogenannte Netzspacer verwendet. Netzspacer sind Lagen aus einem Kunststoffgitter oder Kunststoffgewebe (z.B. Polypropylen). Lineare Elemente des Netzspa- cers 4a, 4b und 4c, 4d, auch Fasern genannt, sind derart angeordnet, dass sie sich kreuzen und Vierecke bilden. Hierbei werden generell zwei Formen an Vierecken unterschieden, Viereck (Figur 3a) und Diamant (Figur 3b).

Die linearen Elemente 4a in Figur 3a sind in einer Weise angeordnet, dass sie sich in einer Linie mit der Fließrichtung des Zulaufes 17 (x) befinden. Hierbei liegt eine Lage von zumeist parallel verlaufenden linearen Elementen 4b unterhalb einer zweiten Lage zumeist parallel verlaufender Lage an linear Elemente 4a, welche schräg zur oberen Lage angeordnet sind (siehe Figur 3c). Die linearen Elementen 4b sind in einem Winkel von 90°C im Verhältnis zur Lage des linearen Elementes 4a angeordnet. In einer zweiten Version der Netzspacer (Figur 3b) liegt eine erste Lage von zumeist parallel verlaufenden linearen Elementen 4c unterhalb einer zweiten Lage zumeist parallel verlaufender linearer Elemente 4d, welche schräg zur oberen Lage angeordnet sind (siehe Figur 3c)). Die linearen Elementen 4c sind in einem Winkel von 45°C im Verhältnis zur Fließrichtung des Zulaufes (x) angeordnet. Die linearen Elementen 4d sind in einem Winkel von -45°C im Verhältnis zur Fließrichtung des Zulaufes (x) angeordnet. Feedspacer 4 werden vornehmlich in Extrusionsverfahren oder 3D- Druckverfahren aus thermoplastischen Kunststoffen wir Polypropylen oder Polyethylen her- gestellt, weshalb die obere und untere Lage linearer Elemente miteinander verschmolzen ist und das Netzgewebe somit eine einheitliche Netzstruktur darstellt. Üblicherweise besitzen Feedspacer 4 eine Dicke von 0.66 m, 0.71 mm, 0.79 mm und 0.86 mm. Da dicke Feedspacer 4 viel Volumen im Membranmodul 1 einnehmen, kann folglich weniger Membranfläche in einem Membranmodul 1 zur Verfügung gestellt werden.

Aus den Druckschriften EP 2 143 480 A1 und WO 2004 / 112 945 sind weiterhin Feedspacer 4 bekannt, welche helixförmige Spacerelemente aufweisen. Die helixförmigen Spacerele- mente erlauben eine noch turbulentere und ungleichmäßige Strömung, wodurch die Kon- zentrationspolarisation im Vergleich zu herkömmlichen Feedspacern 4 in einem höherem Maße verhindert werden soll.

Spiralwickelmodule 1 werden im Betrieb üblicherweise in einem zylindrischen Druckrohr 21 platziert. Das Druckrohr 21 besitzt Anschlüsse für den stirnseitigen Zulauf 24 (Figur 4) sowie die Abführung des Permeates 14 und Konzentrates 13. Maße, in welchen Spiralwickelmodu- le 1 kommerziell angeboten werden, betragen: 50 mm, 60 mm, 100 mm und 200 mm (ortho- gonal zur axialen Richtung, y) und 350 mm, 530 mm und 1000 mm (in axialer Richtung, x).

Die Druckrohre 21 sind derart konstruiert, dass sie eine ganzzahlige Anzahl an Spiralwickel- modulen 1 , üblicher Weise vier bis sieben, hintereinander aufnehmen können. Der

Feedstrom 17 wird in axialer Richtung (x) über den Anschluss für den Feedstrom 24 durch die Frontplatte 25 in das Druckrohr 21 geleitet. Ein Permeat-Port-Adapter 22 verbindet die Frontplatte 25 und das Permeatrohr 21 des ersten Spiralwickelmoduls 1. Gleichzeitig ver- schließt er das Permeatrohr 21 stirnseitig 2. Jedes der in Reihe geschalteten Spiralwickel- module 1 besitzt zwei Anti-Spacing-Device 15, welche mit dem Hüllelement 20 sowie dem Permeatsammelrohr 12 stirnseitig 2 und abstromseitig 3 verbunden sind. Das Anti-Spacing- Device 15 verhindert das Verschieben der spiralförmig aufgewickelten Membranlagen 5 und Feedspacer 4, z.B. bei Beaufschlagung des Spiralwickelmodules 1 mit hydraulischem Druck. In einer Ausführung des Anti-Spacing-Device 15 dichtet eine Dichtung den Zwischenraum zwischen äußerem Hüllelement 20 und dem Druckrohr 21 ab und verhindert somit ein Ein- dringen des Feedstroms 17 in diesen Zwischenbereich. Die Permeatsammelrohre 12 hinter- einander angeordneter Spiralwickelmodule 1 werden durch einen Interconnector 23 mitei- nander verbunden. Ein Druckrohr 21 mit mehreren, hintereinander geschalteten Spiralwi- ckelmodulen 1 ergibt ein großes Membranelement 1. Jedes Druckrohr 21 kann wiederrum mit weiteren Druckrohren 21 in Reihe oder parallel kombiniert werden, wodurch ganze Filtra- tionssysteme entstehen. Filtrationssystem können optional mit einer Rezirkulation des Kon- zentrates oder im„single pass“ Modus betrieben werden. Membranverfahren wie Umkehrosmose, Nanofiltration und Elektrodialyse zeichnen sich dadurch aus, dass ein hydraulischer Druck auf einer Seite der semipermeablen Membranla- ge angelegt wird. Durch den Druck passiert ein Fluid die Membranlage, wobei Komponenten selektiv an der Membranlage zurück gehalten werden. Der Permeatflux (Jw) in Richtung ei- ner Membran 5 ist definiert als der auf eine Membranfläche (in der Regel 1 m ² ) normierte Volumenstrom an Permeat 18 (in der Regel in m ³ pro h) welcher die Membran 5 passiert. Für Flüssigkeiten ist der Permeatflux proportional zum transmembranen Druckdifferenz (Dr) zwi- schen dem Zulauf 17 und dem Permeat 18 (siehe Marcel Mulder,„Basic Principles of Memrbane Technology“, 2nd Edition, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Nether- lands, 1996) und lässt sich wie folgt bestimmen:

Jw = A (Dr - Dc)

Hier ist A der Permeabilitätskoeffizient der Membran 5 für eine Flüssigkeit und Dc der osmo- tische Druck zwischen Zulauf 17 und Permeat 18 an der Membranoberfläche. Um den natür- lichen Prozess der Osmose zu überwinden, muss die transmembrane Druckdifferenz größer als der vorherrschende osmotische Druck sein.

Durch die Konzentrationsüberhöhung und der Anlagerung der im Zulauf 17 befindlichen, weniger permeablen, Komponenten an der Membranoberfläche oder in unmittelbarer Nähe der Membranoberfläche kommt es zur Bildung von Belägen an der Membran 5 und dem Feedspacer 4. Dieser Prozess wird als Fouling bezeichnet. Es kann zwischen folgenden Arten von Fouling unterschieden werden: organisches Fouling, kolloidales Fouling, Scaling und Biofouling. Mit Biofouling wird die Anlagerung von Mikroorganismen wie beispielsweise Mikroalgen, Pilzen, Protozoen oder Bakterien, verbundenen mit der Ausbildung eines Bio- films auf den Membranlagen und anderen Bauteilen eines Membranmoduls 1 , wie zum Bei- spiel dem Feedspacer 4, bezeichnet. Die Lage des Biofilms 26 in einem Spiralwickelmodul 1 ist schematisch in Figur 5 veranschaulicht. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einem Spiralwi- ckelmodul 1 gemäß Figur 2 mit einem Feedstrom 17, einem die untere Membranlage 9 und die obere Membranlage 1 1 passierenden Permeatstrom 18 sowie einem an den Membranla- gen 9 und 1 1 vorbeigeführten Konzentratstrom 19. Zwischen den Membranlagen 9 und 11 ist ein Feedspacer 4 angeordnet. Durch diesen werden Kanäle für das zu reinigende Wasser bildet, so dass dieses die Membran 5 erreichen kann. Der Biofilm 26 bildet sich an der, dem Feedstrom 17 zugewandten Seite auf der Membran 5 sowie den äußeren Oberflächen der Einzelfasern des Feedspacers 4. Biofouling führt zu einer Reihe an Effekten, welche die Leistungsfähigkeit von Membransys- temen negativ beeinflussen.

Biofouling erhöht die Konzentrationspolarisation und führt zu einer zusätzlichen, ungewollten Reduktion des Permeatfluxes Jw in Richtung der Membran 5.

Weiterhin stellt der gebildete Biofilm eine Diffusionsbarriere für permeable Komponenten (z.B. Wassermoleküle) dar, bevor diese die Membran 5 passieren können. Durch die Ausbil- dung des Biofilms 26 auf der Membran sinkt der effektive Permeabilitätskoeffizient der Membran A, was zu einer ungewollten Verringerung des Permeatfluxes in Richtung der Membran Jw führt.

Ferner resultiert durch den Biofilm 26 eine Verengung des Fließquerschnittes im Zulauf- Retentat-Kanal. Daraus folgt ein erhöhter Druckverlust entlang des Zulauf-Retentat-Kanals, da in den meisten Betriebsweisen eines Spiralwickelmoduls 1 nach wie vor dieselbe Was- sermenge im Querstrom an der Trennmembran 5 vorbeigeführt wird und das Membranmodul 1 als Retentat verlässt.

Schließlich hat das Biofouling auch eine verminderte Qualität des Permeats zur Folge, da zum einen der Biofilm 26 die Akkumulation von zurückgehaltenen Komponenten in direkter Nähe der Membranoberfläche unterstützt (z.B. Salzrückhalt bei der Aufbereitung von Meer- wasser) und dadurch den Stoffrückhalt verschlechtert, und zum anderen der Biofilm 26 durch die darin befindlichen Mikroorganismen die Polymere der Trennmembran 5 angreift und hierdurch den Rückhalt von ungewünschten Stoffen/Komponenten verschlechtert. Solche irreversible Beschädigungen führen letztendlich zwangsweise zu einem Austausch der Membranen 5.

Die oben beschriebenen Effekte lassen sich durch verschiedene bekannte Maßnahmen vermindern. Beispielsweise sind dies der Austrag des Biofilms durch Spülen des Membran- moduls 1 (mittels Chemikalien oder unter Einsatz von Wasser oder Luft zur Erzeugung von Scherkräften), die Vorbehandlung des Zulaufes bevor dieser in das Membranmodul geleitet wird (z.B. zur Abtötung/Inaktivierung/Entfernung von Mikroorganismen aus/im Zulaufstrom oder zur Entfernung organischer Substanzen, welche den Biofilm aufbauenden Mikroorga- nismen als Nährstoff dienen) oder das Verändern der Eigenschaften der Trennmembran oder des Feedspacers (z.B. mittels hydrophiler, bakterizider und/oder biozider Modifizierun- gen/Beschichtungen).

Nachteilig an den genannten Maßnahmen ist, dass die bekannten Maßnahmen Biofouling nur bis zu einem gewissen Grad entgegenwirken, so dass die beschriebenen Vorbehand- lungsmaßnahmen kontinuierlich und die beschriebenen Spülmaßnahmen regelmäßig (bei einer Unterbrechung des Membrantrennverfahrens) durchgeführt werden müssen. Auch durch das Verändern der Membran- oder Feedspacereigenschaften kann das Biofouling le- diglich vermindert, nicht aber unterbunden werden. Ferner sind die genannten Maßnahmen zum einen prozesstechnisch sehr aufwändig und führen zum anderen zu erhöhten Betriebs- und Investitionskosten.

Zur Abtötung/Inaktivierung von Mikroorganismen im Zulaufstrom zur Vermeidung oder Ver- ringerung der durch Biofouling hervorgerufenen Auswirkungen werden bislang verschiedene Maßnahmen ergriffen. Am weitaus häufigsten werden der aufzubereitenden Flüssigkeit Bio- zide oder Biostatika beigefügt, die auf Mikroorganismen abtötend oder wachstumshemmend wirken sollen. Derartige Zugaben sind jedoch oft nur in hohen Konzentrationen wirksam, können bereits vorhandene Beläge oft nur ungenügend oder gar nicht entfernen und können sich sogar schädigend auf die Membran und deren Leistung auswirken.

Zur Abtötung/Inaktivierung von Mikroorganismen im Zulaufstrom kommt weiterhin auch bak- terizid wirkende UV Bestrahlung zur Anwendung. UV-Strahlung kann in drei Wellenlängen- bereiche unterteilt werden: ca. 200 nm bis 280 nm (UV-C), ca. 280 nm bis 315 nm (UV-B) und ca. 315 nm bis 400 nm (UV-A). Insbesondere UV-C Strahlung wirkt bakterizid durch di- rekte, photochemische DNA Schädigung. Diese erfolgt maßgeblich durch die UV-induzierte Bildung von Nucleotid-Dimeren in den DNA Molekülen. Die Bildung reaktiver Sauerstoffspe- zies durch Bestrahlung im UV-A und UV-B Wellenlängenbereich kann ebenfalls zu oxidativer Schädigung an Mikroorganismen führen.

Die höchste bakteriozide Wirkung besitzt jedoch UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 250 bis 260 nm. In diesem Wellenlängenbereich absorbiert DNA das meiste Licht, was zu einer besonders hohen photochemische DNA Schädigung führt. Eine UV-Dosis von ca. 200 bis 340 Joule pro m ² ist notwendig, um eine Inaktivierung des Großteils pathogener Keime von 99 Prozent zu erreichen. Unter realen Bedingungen ist die Wirksamkeit von UV- Strahlung von vielen Parametern wie der verwendeten Wellenlänge des UV-Strahlung, der Art des Bakteriums sowie der der Zusammensetzung der Wassermatrix abhängig. UV- Strahlung im Wellenlängenbereich <200 nm (Vakuum-UV) wird zur Wasserdesinfektion, auf Grund der Bildung ungewollter Nebenprodukte, wie zum Beispiel Nitrit, vorwiegend nicht verwendet.

Die Druckschrift US 2004 / 0232846 beschreibt einen typischen UV-Reaktor, welcher zur Wasseraufbereitung eingesetzt wird. Als UV-Quelle werden zumeist Niederdruck- Quecksilberstrahler oder Amalganstrahler eingesetzt, welche nicht unmittelbar mit dem zu behandelnden Medium in Kontakt stehen, sondern in einem transparenten, zumeist aus Quarzglas ausgeführten, Rohr ummantelt sind. Die beschriebenen UV-Reaktoren können ausschließlich als Vorbehandlungsmaßnahme für ein Spiralwickelmodul eingesetzt werden. Nachteilig am Einsatz von UV-Reaktoren ist, dass dem Biofouling nur bis zu einem gewissen Grad entgegenwirkt werden kann. Das Wachstum eines Biofilms unmittelbar auf den Memb- ranlagen im Membranmodul ist über einen vorgeschalteten UV-Reaktor nicht möglich. Folg- lich müssen Spülmaßnahmen für das Spiralwickelmodul regelmäßig (bei einer Unterbre- chung des Membrantrennverfahrens) durchgeführt werden.

Aus der Druckschrift US 5 862 449 A ist eine räumliche Kombination von Membranmodul und UV-Bestrahlung bekannt. Das Membranmodul, welches anorganische Holfasermembra- nen (Mikrofiltration) beinhaltet und im wasserführenden Boden platziert ist, wird zur photoka- talytischen in-situ Aufbereitung von Grundwasser verwendet. Der Feedstrom wird in das In- nere der Holfasermembran (Durchmesser 0,8 - 1 ,9 cm) geleitet und anschließend durch die Membran, welche die Faserwandung bildet, nach außen filtriert. UV-A Licht (Wellenlänge 350 - 380 nm) wird über eine optische Faser in den Innenraum der Kapillare geführt und dort seitlich ausgekoppelt, um die Membran zu bestrahlen. Die Membran ist mit einer UV-A- aktiven Schicht imprägniert. Durch die UV-A Bestrahlung des UV-A-aktiven Materials kommt es zur Bildung chemisch aktiver Zentren, an welchen ungewollte Wasserinhaltsstoffe bei passieren des Filters abgebaut werden.

Aus der Druckschrift EP 2 409 954 A1 ist eine räumliche Kombination von Membranmodul und UV-Bestrahlung zur Wasseraufbereitung bekannt. Das Membranmodul besteht aus Ka- pillarmembranen, welche durch seitlich UV-Licht abstrahlende Glasfasern von außen oder von innen mit UV-Licht bestrahlt werden. Die Membran wie auch die Glasfasern können mit einer UV-aktiven Schicht imprägniert sein. Durch die UV Bestrahlung des UV-aktiven Materi- als kommt es zur Bildung chemisch aktiver Zentren, an welchen ungewollte Wasserinhalts- stoffe bei passieren des Filters abgebaut werden.

Aus den Druckschriften DE 69 729 513 T2 und US 6 764 655 B1 sind räumliche Kombinatio- nen von Filtern und UV-Bestrahlung bekannt. Der Filter wird aus UV-Licht abstrahlenden Fasern, Faserbündeln oder Fasergeweben gebildet. Die Poren des Filters werden durch die Zwischenräume zwischen den Fasern gebildet. Auf den Fasern sind UV-aktive Substanzen immobilisiert. Durch die Bestrahlung des UV-aktiven Materials mittel UV-Licht kommt es zur Bildung chemisch aktiver Zentren, an welchen ungewollte Wasserinhaltsstoffe bei passieren des Filters abgebaut werden. Nachteilig an den genannten Membran- und Filtervorrichtungen ist, dass die Porenweite der eingesetzten Membranen bzw. Filter zu groß ist, um, wie oben beschrieben, für Anwendun- gen der Umkehrosmose eingesetzt zu werden. Weiterhin unterscheiden sich die beschriebe- nen Ausführungen der Membran- und Filtervorrichtungen grundsätzlich von denen eines Spiralwickelmoduls und können in keiner Weise auf das Anwendungsbeispiel eines Spiralwi- ckelmoduls übertragen werden. Zusätzlich dient das in den genannten Membran- und Filter- vorrichtungen eingesetzte UV-Licht vorwiegend der Bildung aktiver Zentren an den UV- aktiven Substanzen. Hierfür wird üblicher weise Licht mit Wellenlängen im UV-A Bereich (350 - 380 nm) eingesetzt, welches nur bedingt zur photochemischen Inaktivierung/Abtötung von Mikroorganismen beiträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Membrantrennverfahren sowie eine Memb- ranmodul zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht auf- weist und das Auftreten von Biofouling erheblich reduziert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Membranverfahren und ein Membranmodul gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.

Das erfindungsgemäße Membranverfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung haben gegenüber dem Stand der Technik jeweils den Vorteil, dass durch eine unmittelbare Bestrah- lung der Oberfläche der Trennmembran mit UV-Licht das Biofouling auf der dem Feedstrom zugekehrten Membranseite und somit direkt am Ort des Entstehens, das heißt direkt an der Membran und anderen Membranmodulkomponenten, effektiv unterbunden wird. Vorzugs- weise ist das Membrantrennverfahren ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitsstrom einem in Spiralwickeltechnik aufgebauten Membranmodul zu geführt wird, wobei ein erster Teilstrom die Trennmembran als gereinigtes Permeat passiert und das Membranmodul verlässt, und dass ein zweiter Teilstrom an der Trennmembran vorbeigeführt wird und als ungereinigtes, einen zusätzlichen Teil der durch die Trennmembran zurückge- haltenen Komponenten aufweisendes Retentat das Membranmodul verlässt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Trennmemnbran wie auch das Betrahlungselement Bestandteil eines Membranmoduls sind, wobei ein erster Teilstrom die Trennmembran als gereinigtes Permeat passiert und das Membranmodul verlässt, und dass ein zweiter Teilstrom an der Trennmembran vorbeigeführt wird und als ungereinigtes, einen zusätzlichen Teil der durch die Trennmembran zurückge- haltenen Komponenten aufweisendes Retentat das Membranmodul verlässt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die UV-Lichtbestrahlung mittels eines Bestrahlungselementes erfolgt, welches in das Membranmodul integriert ist und insbesondere die Funktion eines Feedspacers erfüllt. Vor- zugsweise wird der Zulauf einem in Spiralwickeltechnik aufgebautem Membranmodul zuge- führt. Das Bestrahlungselement weist eine UV-Lichtquelle, einen Lichteinkopplungselement, ein Lichtleitungselement und ein Lichtauskopplungselement auf. Hierbei wird das, in der UV- Lichtquelle erzeugte, UV Licht über ein Lichteinkopplungselement in ein Lichtleitungselement überführt, anschließend zum Lichtauskopplungselement geleitet und anschließend dort aus- gekoppelt.

Das Lichtauskopplungselement, ist vorzugsweise zusätzlich mit UV-aktiven Substanzen (z.B. Titandioxid) imprägniert oder umgeben, welche durch die Bestrahlung mit UV-Licht zusätz- lich zur Abtötung des Biofilms beitragen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitsstrom einer als Flachmembran ausgebildeten Membran zugeführt und zur Flüssigkeitsaufbereitung eine Dead-End-Filtration durchgeführt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein UV-Licht auskoppelnder Teil des Bestrahlungselementes in unmittelbarer Nähe zur Trennmembran positioniert ist oder auf dieser aufliegt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Bestrahlung mit UV-Licht mittels eines Gewebes und/oder eines Geleges und/oder eines Gitters und/oder eines Netzes welches vollständig oder teilweise seitlich Licht auskoppelnden Lichtleitfasern ausgebildeten Bestrahlungsele- ment besteht, erfolgt.

Vorzugsweise weisen die Bestrahlungselemente Lichtauskopplungselemente auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, mit Licht einer Wellenlänge im Bereich von UV-A, UV-B und UV-C. Wellenlängen im Bereich UV-C sind aufgrund der sehr hohen bioziden Wirkung bevorzugt einzusetzen. Bei Einsatz von Titandioxid ist vorzugsweise Licht einer Wellenlänge im Bereich von UV-A (ca. 365 nm) einzusetzen. Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichtes sind zu vermeiden, um ein zusätzliches, durch sichtbares Licht induziertes, Wachstum des Biofilms zu vermeiden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Trennmembran das Bestrahlungselement zumindest auf der Seite über die ihr die aufzubereitende Flüssigkeit zugeführt wird aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestrahlungselement der Membran über eine Durchführung in ein Druckrohr des Membranmoduls und optional über eine Durchführung in das Innere des Membranmoduls verfügt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestrahlung der Membran über das Bestrahlungselement intermittierend, pulsartig oder kontinuierlich erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestrahlung bei gleichbleibender Bestrahlungsstärke und erfolgt oder dass die Be- strahlung bei variierender Bestrahlungsstärke und erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Membrantrennverfahren ein Membrantrennverfahren zur Aufbereitung von Trink- wasser, kommunalem Abwasser, Voraufbereiteten kommunalen Abwasser, Industriewässern und/oder salzhaltigen Wässern geeignet ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Membrantrennverfahren ein Membrantrennverfahren ein Mikrofiltrationsverfahren, Ultrafiltrationsverfahren, Nanofiltrationsverfahren, Vorwärtsomoseverfahren, Umkehrosmo- severfahren, Membrandestillationsverfahren oder Elektrodeionisationsverfahren ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Teil des Bestrahlungselementes als ein Gewebe aus UV-Licht abstrahlenden Licht leitfasern oder UV-Licht abstrahlenden Lichtleitfasern und nicht UV-Licht abstrahlenden Kunststofffasern gebildet ist.

Vozugsweise weist das Membranmodul einen Zulaufkanal, eine Trennmembran und ein Be- strahlungselement auf. Vorzugsweise ist die Trennmembran im Zulaufkanal angeordnet. Vorzugsweise wird der Feedstrom über die Trennmembran geführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Membranmodul eine Koppeleinrichtung zum Anschluss einer Lichtquelle aufweist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Bestrahlungselement die Koppeleinrichtung auf- weist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestrahlungselement ein Lichtleitelement zur verlustarmen Übertragung von UV- Licht durch eine Durchführung in das Membranmodul aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestrahlungselement derart ausgebildet ist, dass eine Reflektion zur seitlichen Auskoppelung der Lichtstrahlung erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Lichtauskopplungselement derart ausgebildet ist, dass eine Reflektion zur seitli- chen Auskoppelung der Lichtstrahlung erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Membranmodul als Spiralwickelmodul ausgebildet ist

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestrahlungselement als Teil eines Feedspacers oder als Feedspacer ausgebildet ist.

Bei der besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei der das Membranmodul als Spiralwickelmodul mit einem als Lichtauskopplungslement ausgebildeten Feedspacer ausge- führt ist bzw. bei einem Membranverfahren, bei dem ein entsprechendes Spiralwickelmodul Verwendung findet, werden durch die inaktivierende Wirkung der UV-Strahlung jene Mikro- organismen gezielt inaktiviert, die auf der Membranoberfläche und dem Feedspacer anhaf- ten oder die den Zulauf-Retentat-Kanal im Querstrom passieren und das Membranmodul als Retentat verlassen. Im Lichteinkopplungselement wird das Licht vorzugsweise aus der Licht quelle in das Lichtleitungselement geleitet. In einer Variante der Erfindung wird eine Punkt- lichtquelle, zum Beispiel eine oder mehrere UV-Licht emittierende Leuchtdiode (UV LED), mit gleichen oder verschiedenen Emissionswellenlängen, als Lichtquelle eingesetzt. Zur Licht kopplung wird vorzugsweise ein Hohlzylinder mit hoher UV-Reflektion an der Innenwand (z.B. innen polierter Zylinder aus Aluminium oder PTFE) auf die UV LED gesetzt. Eine Linse, welche direkt auf der LED positioniert ist, und/oder sich im Hohlzylinder befindet, kann optio- nal helfen, das abgestrahlte Licht derart zu fokussieren, dass eine Einkopplung des Lichts in das Lichtleitelement effizienter erfolgt.

Auf der gegenüberliegenden Öffnung des Zylinders werden vorzugsweise einzelne Lichtleit- fasern oder Bündel aus Lichtleitfasern positioniert. Diese dienen als Lichtleitungselement.

In einer weiteren Variante der Erfindung werden weitere Lichtquellen, wie zum Beispiel Quecksilberdampfdruckstrahler, verwendet. Das emittierte UV-Licht wird bevorzugt über Re- flektoren und eine oder mehrere Linsen gebündelt, so dass es in einzelne Lichtleitfasern o- der Bündel aus Lichtleitfasern eingekoppelt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Lichtquelle außerhalb des Membranmoduls. Das Lichtleitungselement leitet dann das UV-Licht von der Lichtquelle in das Membranmodul. Als Lichtleitungselement kommen in einer Variante der Erfindung Lichtleitfasern zum Einsatz. Diese können als mono- und multimodale Lichtleitfasern ausge- führt sein und bestehen aus einem oder mehreren Kernen und einer Mantelschicht. In einer bevorzugten Variante ist außerhalb des Mantels eine oder mehrere Schutzschichten aus Kunststoff vorgesehen, welche den Mantel vor äußeren Einwirkungen schützen. Die Lichtleit fasern bestehen vorzugsweise aus solarisationsresistenten Werkstoffen wie zum Beispiel Quarzglas, welches eine hohe UV-Transmission aufweist. Als Material können alternativ auch Polymere eingesetzt werden, welche eine hohe Transmission für Licht im UV- Wellenlängenbereich aufweisen. Lichtleitfasern auf Quarzglasbasis weisen einen Kern aus aus Quarzglas und einen, z.B. mit Fluor, dotierten Mantel aus Quarzglas auf. Vorzugsweise besitzt das Quarzglas einen hohen OH-Anteil zur Steigerung der UV-Transmission. Polyme- re optische Lichtleitfasern (POF) weisen vorzugsweise einen Kern aus Polymethylmethac- rylat (PMMA) oder Polydimethylsiloxan (PDMS) und einen, z.B. mit Fluor, dotierten Mantel aus PMMA oder PDMS auf. Das eingekoppelte UV-Licht wird im Lichtwellenleiter mittels Re- flexion (insbesondere Totalreflexion) geleitet.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dem Spiralwickelmodul, werden die Lichtleitfasern über eine Kabeldurchführung in das Innere des Druckrohres geführt und dort durch das Hüllelement des Spiralwickelmoduls geführt. In dieser Weise werden die Lichtleit fasern den aufgewickelten Membrantaschen zugeführt. Bei der Herstellung des Hüllelemen- tes werden vorzugsweise neben einzelnen Fasern, Faserbündeln oder flächige Geweben aus hitzebeständigem, alkaliresistentem Kunststoff gleichzeitig auch die Lichtleitfasern um die äußere periphere Oberfläche der Membran gewickelt und in Adhäsive wie zum Beispiel Epoxidharz eingebettet. Das Lichtauskopplungselement ist vorzugsweise als Netz und/oder Gewebe und/oder Gele- ge und/oder Gitterausgebildet. Dieses besteht bevorzugt teilweise oder vollständig aus seit lich lichtauskoppelnden Lichtleitfasern.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die seitlich lichtauskoppelnden Lichtleit- fasern eine unmittelbare Verlängerung der Lichtleitfasern, welche als Lichtleitungselement eingesetzt wurden. Dabei sind eine oder mehrere seitlich lichtauskoppelnde Lichtleitfasern an eine Lichtleitfaser angeschlossen, welche zur Lichtleitung verwendet wird. Bei der als Spiralwickelmodul bzw. unter Verwendung eines Spiralwickelmoduls beschriebenen Erfin- dungsausführung ist mit Vorteil vorgesehen, das Netzgewebe derart auszubilden, dass es die Funktion eines Feedspacers erfüllt. In einer solchen Art ist der Feedspacer als Lichtaus- koppelement auszugestalten und erfüllt zusätzlich die Funktion eines Strömungsvergleich- mäßigungselementes.

Das Lichtauskopplungselement ist dabei vorzugsweise durch mehrere lineare Elemente ei- nes Netzspacer ausgeführt. Lineare Elemente eines Netzspacers können entweder vollstän- dig als UV-Licht abstrahlende Lichtleitfasern oder teilweise als UV-Licht abstrahlende Licht leitfasern und nicht UV-Licht abstrahlende Kunststofffasern (z.B. Polypropylen) ausgeführt sein. Das Lichtauskopplungselement ist bevorzugt als eine bahnartige Gewebematte oder Gelegematte aus einzelnen Lichtleitfasern, Lichtleitfaserbündeln und nicht UV-Licht abstrah- lende Kunststofffasern ausgestaltet. Ferner können herkömmliche Netzspacer aus nicht UV- Licht abstrahlenden Kunststofffasern (z.B. Polypropylen) durch Hinzufügen (z.B. Einlegen oder Einweben) einzelner UV-Licht abstrahlender Lichtleitfasern modifiziert werden. Damit ist hier der als Lichtauskopplungselement ausgebildete Feedspacer im Hinblick auf die Unter- bindung von Biofouling das zentrale Bauteil des als Spiralwickelmodul ausgebildeten Memb- ranmoduls. Durch diesen Aufbau eines Membranmoduls wird erstmalig eine direkte Bestrah- lung der gesamten oder zumindest von Teilen der Membranoberfläche in einem z.B. als Spi- ralwickelmodul ausgebildetem Membranmodul mit UV-Licht ermöglicht, wodurch der Ausbil- dung eines Biofilms effektiv entgegengewirkt wird.

Weist das Lichtauskopplungselement die Form eines Feedspacers auf, so besitzt es sehr ähnliche Eigenschaften wie ein konventioneller Feedspacer, wodurch zum einen die Funkti- on der Beanstandung der T rennmembran der Membrantaschen und damit der Aufbau eines Retentatkanals realisiert wird und wodurch zum anderen die unmittelbare Bestrahlung der Oberfläche der Trennmembran mit UV-Licht ermöglicht wird. Denkbar ist, dass die linearen Elemente mittels eines 3D-Druckverfahrens gedruckt sind. Vorzugsweise sind die linearen Elemente mittels eines 3D-Druckverfahrens auf die Membran gedruckt.

Lineare Elemente des Lichtauskopplingselementes sind vorzugsweise untereinander oder mit sich selbst mit Hilfe von thermischen Verfahren (z.B. Thermofixieren, Kalandrieren) und/oder mittels Adhäsiven (z. B. Epoixdharze, Polyurethan Stoffsysteme) und/oder durch Klebegarne oder Schmelzklebegarne und/oder mittels Ultraschallschweißen an überkreu- zenden Stellen fixiert, um somit eine erhöhte Maschenfestigkeit des Gewebes oder Geleges zu erreichen.

Die UV-Licht abstrahlende Wirkung eines linearen Lichtauskopplungselementes kann z.B. durch teilweise Entfernen des Mantels oder Entfernen von Kunststoff-Schutzschichten des Mantels einer Lichtleitfaser (z.B. durch Ätzvorgänge oder durch mechanische Behandlung durch z.B. Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel, laserinduzierte Schädigungen oder ge- zielte Schnitte) erzielt werden. Dies kann über einen bestimmten Bereich oder auch punktuell an einer oder mehreren Stellen des linearen Lichtauskopplungselementes erfolgen. Alterna- tiv können dem Mantelmaterial bei der Herstellung der Lichtleitfaser Streupartikel (z.B. Alu- minium- oder Polymerpartikel) hinzugefügt werden, welche als Streuzentren dienen und so das Licht aus dem Kern der Lichtleitfasern auskoppeln.

Besonders bevorzugt ist eine einzelne Lichtleiterfaser mit einer einzelnen UV-Licht abstrah- lende Lichtleitfaser verbunden. Dies kann durch Verbinden der beiden Fasern durch z.B. Spleißen erfolgen. Lichtleitfaser und UV-Licht abstrahlende Lichtleitfaser können jedoch auch aus ursprünglich einer durchgängigen Faser hergestellt werden. Spleißen ist in diesem Beispiel nicht notwendig und Lichtleit- und Lichtauskopplungselement miteinander zu verbin- den. Der lineare lichtauskoppelnde Bereich kann alternativ mit einer, vorzugsweise UV-Licht durchlässigen, Kunststoffschicht umhüllt sein, um so einen Schutz der linearen Elemente der Netzspacers zu gewährleisten.

Die Bestrahlung der Membran über das Bestrahlungselement kann kontinuierlich bei gleich- bleibender oder variierender Bestrahlungsstärke, pulsartig bei gleicher oder variierender Be- strahlungsstärke und Puls- sowie Pausedauern aufeinanderfolgender Lichtpulse oder inter- mettierend mit gleicher oder variierenderender Bestrahlungsdauer, Bestrahlungspause und Bestrahlungsstärke zwischen zwei Bestrahlungsintervallen erfolgen. Durch die inaktivierende Wirkung der UV-Strahlung, welche durch das als Bestrahlungsele- ment ausgeführte Feedspacerelement abgegeben werden kann, werden erstmals jene Mik- roorganismen gezielt inaktiviert, welche direkt auf der Membran anhaften, welche auf dem als Bestrahlungselement ausgebildeten Feedspacerelement anhaften und welche den Zu- lauf-Retentat-Kanal im konvektiven Stoffstrom passieren.

In einer alternativen möglichen Ausführungsform der Erfindung wird der Feedstrom einer Flachmembran zugeführt, wobei zur Flüssigkeitsaufbereitung eine sogenannte Dead-End- Filtration durchgeführt wird, bei der der Zulaufstrom mit geringem Druck (circa 0,2 - 1 bar) gegen eine Flächenmembran gepumpt wird. Durch den Einsatz einer UV-Lichtbestrahlung kann der durch den permanenten Abfluss des Permeats stattfindende Aufbau einesFilterku- chens (Deckschicht oder Fouling) erheblich reduziert werden.

Die vorstehend beschriebenen und andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun- gen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnun- gen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen an- hand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausfüh- rungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschrän- ken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Membranmoduls mit sei- nen Stoffströmen gemäß dem Stand der Technik.

Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spiralwickelmoduls gemäß dem

Stand der Technik.

Figur 3 zeigt Feedspacer in Diamant- und Viereckform gemäß dem Stand der

Technik.

Figur 4 zeigt die Anordnung eines Spiralwickelmoduls in einem Druckrohr.

Figur 5 zeigt ein Membranmodul gemäß Figur 1 mit einem entsprechenden

Biofilm behaftet. Figur 6 zeigt ein Bestrahlungselement gemäß einer ersten beispielhaften

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in schematischen Darstellungen.

Figur 7 zeigt ein Membranmodul gemäß einer ersten beispielhaften Ausfüh- rungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung.

Figur 8 zeigt ein Membranmodul gemäß dem Stand der Technik mit Flach- membran, wobei zur Flüssigkeitsaufbereitung eine Dead-End- Filtration durchgeführt wird, in Prinzipdarstellung.

Figur 9 zeigt ein Membranmodul gemäß einer beispielhaften Ausführungs- formen der vorliegenden Erfindung in Prinzipdarstellung einer einzel- nen Lichtleitfasern in Rohr- o. Kapillarmembran.

Figur 10 zeigt ein Membranmodul gemäß einer beispielhaften Ausführungs- formen der vorliegenden Erfindung in Prinzipdarstellung einer Kapil- larmembran in Kapillarmodul.

Figur 11 zeigt einen Schnitt durch ein Lichtauskopplungselement gemäß einer beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Gewebe und Gelege in schematischen Darstellungen.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver- sehen.

Die Figuren 1 bis 5 wurden bereits oben beschrieben.

In Figur 6 (a-j) ist ein Bestrahlungselement 26 in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Netzgewebe schematisch dargestellt. Das Bestrahlungselement 26 besteht aus UV-Lichtquelle 26d, Lichteinkopplungselement 26c, Lichtleitungselement 26b und Licht auskopplungselement 26a. In der Anwendung der Erfindung in Membranmodulen 1 wird das Lichtleitungselement 26b über eine Durchführung 27 in das Innere des Membranmoduls 1 geführt. Die Figuren 6a-6j zeigen verschiedene Ausführungsformen des Bestrahlungelemen- tes 26. Ein Bestrahlungselement 26 kann entsprechend einer Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung realisiert werden. Denkbar ist auch eine Realisation des Bestrahlungsele- mentes 26 gemäß einer Kombination der hier gezeigten Ausführungsformen.

Figur 6(a) zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a besteht aus nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen (z.B. Polypropylenfasern) 26e, welche wei- testgehend parallel zur Fließrichtung im Feed-Konzentrat-Kanal (x) verlaufen, und UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f (z.B. multi- oder monomodale Glasfasern), welche in einem Winkel (hier 90°) zu dieser Fließrichtung verlaufen. Jedes lineare Element 26f ist an ein lineares Lichtleitungselement 26b gekoppelt, welches wiederum in an das Lichteinkopp- lungselement 26c führt.

In einer alternativen Ausführung (Figur 6(g)) sind die UV-Licht abstrahlenden linearen Ele- mente 26f an ein einziges lineares Lichtleitungselement 26b angeschlossen. Dieses wird ebenfalls durch eine Durchführung 27 in das Innere des Membranmoduls 1 geführt.

In einer weiteren alternativen Ausführung (Figur 6(i)) ist die Durchführung 27 direkt an das Lichteinkopplungselement 26c integriert, so kein Lichtleitelement 26b zwischen Durchfüh- rung 27 und Lichteinkopplungselement 26c verwendet wird.

In einer weiteren alternativen Ausführung (Figur 6(j)) sind UV-Licht abstrahlenden linearen Elemente 26f derart ausgeführt, dass beide Enden des Elementes entweder an das selbe oder an unterschiedliche (wie gezeigt) Lichtleitelemente 26b angeschlossen sind.

Figur 6b zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a besteht aus UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f, welche weitestgehend parallel zur Fließrich- tung im Feed-Konzentrat-Kanal (x) verlaufen, und nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26e, welche in einem Winkel (hier 90°) zu dieser Fließrichtung verlaufen.

Figur 6c zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a besteht aus nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26e, welche weitestgehend parallel zur Fließrichtung im Feed-Konzentrat-Kanal (x) verlaufen, und einer beliebigen Abfolge von UV- Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f und nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Ele- menten 26e, welche in einem Winkel (hier 90°) zu dieser Fließrichtung verlaufen.

Figur 6d zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement besteht aus einer Kombination nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26e und UV-Licht abstrahlen- den linearen Elementen 26f. Beispielhaft ist hier eine Anordnung nicht UV-Licht abstrahlen- der linearer Elemente 26e und UV-Licht abstrahlender linearer Elemente 26f analog zu der Ausführungsform in Figur 6a gewählt. Alternativ zu den Ausführungsformen aus Figur 6a - 6c kann ein Bestrahlungselement eine oder mehrere Lichtquellen besitzen, welche eine ge- meinsame oder mehrere, Lichtquellen 26d, getrennte Lichteinkopplungselemente 26c, Licht leitelemente und Durchführungen 27 in das Innere des Membranmoduls aufweisen.

Figur 6e zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a ist weitestge- hend analog zur Ausführungsform in Figur 6(c) ausgeführt. Im Unterschied zur Ausführungs- form in Figur 6c sind einzelne UV-Licht abstrahlende Bereiche 26f jedoch nicht über die ge- samte Länge des Bestrahlungelementes 26 ausgeführt, sondern nur partiell über eine be- grenzte Länge des Bestrahlungselementes 26.

Figur 6f zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a ist mit unre- gelmäßig verlaufenden linearen UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f ausgebildet, welche in einem Gitter, Netz, Gelege und/oder Gewebe aus nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementenen 26e eingebracht sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform (Figur 6(m)), sind die nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elemente 26e untereinander an überkreuzenden Stellen 26g überwiegend fixiert (z.B. durch thermische Verfahren wie Thermofixieren oder Kalandrieren und/oder mittels Adhäsiven (beispielsweise Epoixdharze, Polyurethan Stoffsysteme)), um somit eine erhöhte Maschenfestigkeit des Gitters, Netzes, Geleges oder Gewebes zu erreichen. UV-Licht ab- strahlende lineare Elemente 26f sind nur an vereinzelten Stellen 26h, zumeist im äußeren Bereich des Lichtauskopplungelementes 26a entweder an nicht UV-Licht abstrahlenden line- aren Elementen 26e oder UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f fixiert (z.B. durch thermische Verfahren wie Thermofixieren oder Kalandrieren und/oder mittels Adhäsiven (beispielsweise Epoixdharze, Polyurethan Stoffsysteme)).

Figur 6(h) zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a ist maßgeb- lich aus nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26e, welche eine oder mehrere punktuelle Lichtauskopplungsstellen 26a besitzen, ausgeführt.

Figur 6(k) zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a ist aus linea- ren Elementen 26e und 26f ausgeführt, welche in einem Winkel (hier circa +45° und - 45°) im Verhältnis zur Fließrichtung des Zulaufes (x) angeordnet. Die linearen Elemente sind der- art angeordnet, dass sie sich kreuzen und eine Diamantform bilden. Figur 6(l) zeigt ein Bestrahlungselement 26. Das Lichtauskopplungelement 26a ist aus linea- ren Elementen ausgeführt. Die UV-Licht abstrahlenden linearen Elemente 26e

In Figur 7 ist beispielhaft der grundsätzliche Aufbau des Bestrahlungselements 26 in einem, analog zu dem in Figur 3 beschriebenen, Aufbau eines Spiralwickelmodules 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt. Im Unterschied zum Stand der Technik ist anstelle eines herkömmlichen Feedspacers 4 in Form einer ge- wöhnlichen aus einzelnen Polymehrsträngen gebildeten Gewebematte ein als Bestrahlungs- element 26 ausgebildeter Feedspacer 4 im Aufbau des Spiralwickelmoduls 1 eingesetzt.

Auch der als Bestrahlungselement 26 ausgebildete Feedspacer 4 ist mit Vorteil als Gewe- be(matte) mit entsprechenden Abstandshalteelementen ausgebildet, die in diesem Fall aus nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26e und UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f ausgeführt sind.

Das Spiralwickelmodul 1 ist gebildet bzw. aufgebaut durch mehrere Membrantaschen 5, wel- che durch Bestrahlungselemente 26 getrennt um ein Permeatsammelrohr 12 gewickelt und von einem äußeren Hüllelement 20 umschlossen sind.

Die Durchführung 27a der Lichtleitelemente 26b erfolgt je nach Ausführungsform des Be- strahlungselementes (siehe Figur 6 (a-j)) auf unterschiedliche Weisen.

In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Durchführung durch das Hüllelement 20 und das Druckrohr 21 (wie in Figur 7 dargestellt).

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Durchführung durch das Hüllelement 20 und die Frontplatte 25 bzw. die Heckplatte (nicht in Figur 7 gezeigt) eines Druckrohres. Diese Ausführungsform findet bevorzugt dann Anwendung, wenn die Lichtleit- und Lichtauskopp- lungselemente des Bestrahlungselementes in einem Winkel (hier 90°) zur Fließrichtung x verlaufen (siehe z.B. Figur 6(a)).

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Durchführung 27a ausschließlich entweder durch das Druckrohr 21 oder die Frontplatte 25 bzw. die Heckplatte (nicht gezeigt) eines Druckrohres. Diese dritte Ausführungsform findet bevorzugt dann Anwendung, wenn die Lichtleit- und Lichtauskopplungselemente des Bestrahlungselementes in Fließrichtung x ver- laufen (siehe z.B. Figur 6(b)).

Auch eine Kombination dieser beiden Ausführungsformen ist möglich. Hierbei werden Teile der Lichtleitelemente 26b entsprechend der einer der Ausführungsformen außerhalb des Druckrohres geführt. Figur 8 zeigt ein Membranmodul 1 gemäß dem Stand der Technik mit Flachmembran 3, wobei zur Flüssigkeitsaufbereitung eine Dead-End-Filtration durch geführt wird.

Figur 9 zeigt ein Membranmodul gemäß einer beispielhaften Ausführungsforme der vorlie- genden Erfindung in schematischer Darstellung. Vorgeschlagen wird eine Trennmembran 3, die auf ihrer Zulaufseite mit einem Bestrahlungselement L, bevorzugt ebenfalls in Form einer Gewebematte 5 aus Lichtleitfasern 4 oder daraus hergestellten Bündeln, versehen ist - bzw. eine derartige Gewebematte 5 auf dieser Seite der Trennmembran 10 angeordnet ist. Die Versorgung mit UV-Licht erfolgt wie in der Ausführung zum Spiralwickelmodul 1 bereits be- schrieben über einzelne Lichtleitfasern 4, die über ein Koppelmodul 6 an eine entsprechende UV-Lichtquelle 7 angebunden sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Lichtlei ter-Gewebematte 5 zulaufseitig auf der Trennmembran 3 wird der Aufbau eines entspre- chenden Filterkuchens K stark reduziert bzw. zeitlich erheblich verzögert, so Reinigungs- und Wartungsarbeiten oder der Austausch der Membran zeitlich erst erheblich später erfol- gen müssen.

Figur 10 zeigt ein Membranmodul gemäß einer beispielhaften Ausführungsforme der vorlie- genden Erfindung in Prinzipdarstellung mit einer Kapillarmembran in Kapillarmodul 29. Die Lichtquelle 26d ist über das Lichteinkopplungselement 26c mit dem Lichtleitungselement 26 verbunden, so dass UV-Licht von der Lichtquelle 26d in das Lichtleitungselement 26b einge- koppelt werden kann. Das Lichtleitungselement 26b leitet das UV-Licht durch die Durchfüh- rung 27 in das Kapillarmodul 29 bzw. über Lichtauskopplungselemente 26a in die Kapillar membran 28.

In Figur 11 (a-d) ist ein schematischer Schnitt durch ein Lichtauskopplungselement in bei- spielhaften Ausführungsformen als Gelege (Figur 1 1 (a,b)) und Gewebe (Figur 11 (c-e)) dar- gestellt.

Figur 1 1a zeigt einen schematischen Schnitt durch ein, als Gelege ausgeführtes Lichtaus- kopplungselement. Auf ein nicht UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26e liegt ein UV- Licht abstrahlendes lineares Element 26f auf.

Figur 1 1 b zeigt einen schematischen Schnitt durch ein, als Gelege ausgeführtes Lichtaus- kopplungselement. Auf ein UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26a liegt ein UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26a auf. Figur 1 1c zeigt einen schematischen Schnitt durch ein, als Gewebe ausgeführtes Lichtaus- kopplungselement. Ein UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26f wird über oder unter ein nicht UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26e gelegt. Figur 1 1 d zeigt einen schematischen Schnitt durch ein, als Gewebe ausgeführtes Lichtaus- kopplungselement. Ein nicht UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26e wird über oder unter ein UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26f gelegt.

Figur 1 1e zeigt einen schematischen Schnitt durch ein, als Gewebe ausgeführtes Lichtaus- kopplungselement. Ein UV-Licht abstrahlendes lineares Element 26a über oder unter ein UV- Licht abstrahlendes lineares Element 26f gelegt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Membranmodul (Spiralwickelmodul)

2 Stirnseite des Membranmoduls

3 Ablaufseite des Membranmoduls

4 Feedspacer

4a, 4b, 4c, 4d, 4e Lineare Elemente des Feedspacers

5 Membran (Membrantasche)

6 Stirnseite der Membrantasche

7 Obere Seite der Membrantasche

8 Ablaufseite der Membrantasche

9 Untere Membranlage der Membrantasche

10 Permeatspacer

1 1 Obere Membranlage der Membrantasche

12 Permeatsammelrohr

13 Konzentratablauf

14 Permeatablauf

15 Anti-Spacing-Device

17 Zulauf

18 Permeat

19 Konzentrat

20 Hüllelement

21 Druckrohr

22 Permeat-Port-Adapter

23 Interconnector

24 Anschluss des Druckrohres für den Feedstrom

25 Frontplatte des Druckrohrs

26 Bestrahlungselement

26a Lichtauskopplungselement

26b Lichtleitungselement

26c Lichteinkopplungselement

26d UV-Lichtquelle

26e nicht UV-Licht abstrahlende lineare Elemente

26f UV-Licht abstrahlende lineare Elemente

26g Fixierung der nicht UV-Licht abstrahlenden linearen Elemente 26e untereinander 26h Fixierung der UV-Licht abstrahlenden linearen Elemente 26f an nicht UV-Licht ab- strahlenden linearen Elementen 26e oder UV-Licht abstrahlenden linearen Elementen 26f

27 Durchführung der Lichtleitelemente in ein Membranmodul

27a Durchführung der Lichtleitelemente durch das Druckrohr eines Spiralwickelmoduls

27b Durchführung der Lichtleitelemente durch das Druckrohr eines Kapillarmoduls

28 Kapillarmembran

29 Kapillamodul (inside-out betrieben) K Filterkuchen (Dead-End-Filtration)