Die Filtration ist ein häufig eingesetztes Abscheideverfahren für Partikeln aus gasförmigen oder flüssigen Medien. Man unterscheidet nach der Art der Abscheidung der Partikeln zwischen der Tiefenfiltration, bei welcher die Partikeln in einem Filtermittel abgeschieden werden und der Oberflächenfiltration, bei welcher die Abscheidung der Partikeln an der Oberfläche eines Filtermittels erfolgt und sich eine Deckschicht, der Filterkuchen, bildet. Bei der Oberflächenfiltration nimmt der Filtratvolumenstrom, meist das Produkt dieses verfahrenstechnischen Prozesses, im zeitlichen Verlauf der Filtration ab, bedingt durch Bildung und Wachstum des Filterkuchens. Um die Wirtschaftlichkeit dieses Abscheideverfahrens zu erhöhen ist ein Ziel, die Filterkuchenbildung zu vermeiden oder zu reduzieren. Eine Möglichkeit der Kuchenbildung bei der Oberflächenfiltration entgegen zu wirken, ist Filtermittel nicht in Richtung sondern quer zum Filtratstrom anzuströmen. Dieses Verfahren wird als Querstromfiltration bezeichnet. Durch die Überströmung quer zum Filtermittel wird, insbesondere auch bei sehr kleinen Partikeln, die Wirtschaftlichkeit der Filtration erhöht. Trotzdem kann weiterhin eine Kuchenbildung auftreten. Werden Partikeln in einer wässrigen, kontinuierlichen Phase suspendiert, dann sind sie fast immer negativ geladen. Deshalb kann durch ein die Querstromfiltration überlagerndes elektrisches Feld eine weitere von der Membran weg gerichtete Kraftwirkung auf die Partikeln erzeugt werden, um somit eine Deckschichtbildung zu vermeiden. Ziel dieser Studie ist es, zunächst die theoretischen Grundlagen des elektrischen Feldes zusammenzustellen. Danach erfolgt die Dimensionierung eines Moduls oder mehrerer Varianten zur Untersuchung der Querstromfiltration mit überlagertem elektrischen Feld im Labormaßstab.

Textprobe: Kapitel 10.1.1, Der Grundkörper: Dieses Bauteil ist das als erstes entworfene und gleichzeitig das wichtigste aller Modulvarianten. An ihm findet der Filtrationsvorgang statt, es trägt auf seiner Oberfläche die Filtrationsmembran. Es liegt zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten. Material des Grundkörpers ist Plexiglas. Über die Oberseite des Grundkörpers wird die Suspension geführt. In der Ansicht des Grundkörpers von oben ist die zentrale, rechteckige Vertiefung zur Aufnahme der Stützstruktur aus Polyethylen, welche nicht dargestellt wird, zu erkennen. Diese Stutzstruktur wird von unten durch die sichtbare Balkenstruktur im Grund der Vertiefung getragen. Von oben liegt auf die Stützstruktur aus Polyethylen die Filtrationsmembran, ebenfalls nicht dargestellt, auf. Die Filtrationsmembran wird bis in die um die Vertiefung für die Stützstruktur umlaufende, rechteckige Vertiefung geführt und dort durch einen in Abbildung 20 nicht dargestellten Rahmen geklemmt. Diese Vertiefung für den Rahmen weißt an ihren kurzen Seiten insgesamt vier Eingriffshilfen zum Herausheben des Rahmens nach der Filtration auf. Außen umschlossen wird der Filtrationsbereich durch eine spitz zulaufende Dichtringnut, die wiederum von den Bohrungen zur Durchführung der Schrauben zum Montieren des Moduls eingeschlossen wird. Der Grundkörper ist 798 mm lang und 180 mm breit (siehe Abbildung 20: Ansicht Grundkörper von oben). In der Darstellung des Grundkörpers von unten ist abermals die zentrale Balkenstruktur zu erkennen. Die Balken weißen in ihrer Mitte alle eine Erhöhung auf, welche auf einer Linie liegen. Durch die Lücken zwischen den Balken tritt das Filtrat. Die in Abbildung 21 deutlich zu erkennende, an der Unterseite der Balken vorbei geführte längliche Vertiefung ist der Kanal zum Abführen des Filtrats. Dieser wurde so gestaltet, dass neben dem Abführen auch ein Umpumpen bzw. die Kreisführung des Filtrats möglich ist. Suspensionskanal und Filtratkanal liegen deckungsgleich übereinander. Der Filtratkanal wird wiederum durch eine umlaufende, spitz zulaufende Dichtringnut begrenzt, welche abermals von den Bohrungen für die Schrauben eingeschlossen wird. Die Dichtringnut auf der Oberseite und der Unterseite des Grundkörpers liegen deckungsgleich übereinander. In den äußeren Ecken des Grundkörpers von unten sind Bohrungen zur Aufnahme von Zentrierstiften zu erkennen (siehe Abbildung 21: Ansicht Grundkörper von unten). Im Vergleich verschiedener Quellen zu früheren Untersuchungen der Querstromfiltration mit überlagertem elektrischen Feld liefert eine maximale elektrische Feldstärke von 30.000 V/m. Anhand Gleichung (23) erkennt man, dass für diese angestrebten hohen elektrischen Feldstärken am Plattenkondensator ein möglichst geringer Plattenabstand notwendig ist. Der Grundkörper war demzufolge als plattenförmiges, möglichst dünnes Bauteil zu gestalten. Zum Erreichen eines minimalen Plattenabstandes wurde die Entscheidung getroffen, das Modul auch als ganzes in Plattenbauweise (Sandwich-Bauweise) auszuführen. Dabei war auf eine vom Fertigungsaufwand her angemessene Gestaltung der Bauteile zu achten. Besonders diese Bauform bietet die Möglichkeit, die Gesamteilezahl für alle Modulvarianten so niedrig wie möglich zu halten, indem einzelne Bauteile in jeder Variante wiederverwendet werden. Die Fertigungszeit wird reduziert. Versuche an den verschiedenen Modulvarianten können leicht miteinander verglichen werden. Durch die Plattenbauweise wurde eine konsequente Umsetzung eines Hygienic Design möglich. Alle Bauteile sind gut zugänglich und können leicht gereinigt werden. Das Modul wurde in Offenkanalbauweise ausgeführt. Durch einen Spacer kann dann die Kanalhöhe für die Suspension und somit deren Strömungseigenschaften, aber auch der Plattenabstand und somit die elektrische Feldstärke variiert werden. Diese Offenkanalbauweise beeinflusst direkt die Gestaltung des Grundkörpers (siehe Abbildung 22: Offenkanalbauweise). Des weiteren wurde eine strömungstechnisch möglichst günstige Gestaltung gefordert, was die Minimierung der Verlustbeiwerte für Strömungsvorgänge bedeutet. Dafür sollte zu Beginn der Entwurfsphase der Suspensionsstrom nicht wie in Abbildung 22 senkrecht, sondern parallel zur Oberfläche des Grundkörpers und somit auch parallel zu der in diesen eingebetteten Filtrationsmembran ein- und austreten. Einen sinnvollen Entwurf hierfür zeigt die nachfolgende Abbildung.

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Tom Mühle, geb. 1982, studierte Verfahrenstechnik (M.Sc.) an der TU Kaiserslautern, Abschluss 2008.