25.11.2016

Membranverfahren

Wasserrecht

Unter dem Begriff Membranverfahren sind eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse zusammengefasst. Grundlage aller Membrantrennprozesse ist deren Eigenschaft, bestimmte Komponenten fast ungehindert passieren zu lassen und andere zurückzuhalten. Neben dem Aggregatzustand der Stoffe ist auch die Größe der Stoffteilchen (Partikel, Moleküle), die durch die Membran zurückgehalten werden, charakteristisch für die einzelnen Membranverfahren. In der Wasseraufbereitung sind im Wesentlichen Membranverfahren mit Porenmembranen (Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration) und Löslichkeitsmembranen (Umkehrosmose, Elektrodialyse) im Einsatz.

Funktionsweise

Membranstruktur

Grundsätzlich wird bezüglich der Membranstruktur zwischen sogenannten Porenmembranen, deren Struktur definierte Poren mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern aufweist, und sogenannten Löslichkeitsmembranen, die aus einer dichten, homogenen Polymerschicht bestehen, unterschieden.

Bei Porenmembranen beruht die Stofftrennung auf dem Siebeffekt, bei dem die Wasserinhaltsstoffe nach geometrischen Abmessungen sortiert werden. Es findet ein konvektiver Stofftransport mit einer Druckdifferenz zwischen den beiden durch die Membran getrennten Phasen als treibender Kraft statt.

Bei Löslichkeitsmembranen erfolgt dagegen die Trennung verschiedener Komponenten aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit in der Membranmatrix. Der Stofftransport beruht hier auf Diffusion in einer homogenen Phase, wobei die treibende Kraft hier die chemische Potenzialdifferenz ist (Strathmann, 1999).

Man unterteilt die Membranen nach ihrem strukturellen Aufbau in symmetrische und asymmetrische Membranen. Symmetrische Membranen bestehen aus einer homogen über den Querschnitt verteilten porösen Schicht oder Folie, während asymmetrische Membranen eine homogene, ultradünne Trennschicht besitzen, die auf eine poröse Stützschicht aufgebracht wird und die Trenncharakteristik der Membran im Wesentlichen bestimmt. Trenn- und Stützschicht können entweder aus einem Material (z.B. Celluloseacetat) sein oder aus unterschiedlichen Werkstoffen (z.B. Polyamid/Polysulfon) bestehen. Diese Membranen werden als Compositmembranen bezeichnet.

Für die unterschiedlichen Membranverfahren wurde eine Vielzahl von Membranmaterialien entwickelt. Wichtige Werkstoffe sind z.B. Celluloseacetat, Polyamid, Polysulfon, Keramik oder Polypropylen.

 

Modulbauformen

Zur Nutzung der Membranen müssen diese in eine Vorrichtung eingebaut werden, die eine kontrollierte Zufuhr des Rohwassers und Abfuhr des Permeats ermöglicht. Eine solche Vorrichtung wird als Membranmodul bezeichnet. Zielsetzung dabei ist, eine möglichst hohe Packungsdichte (Membranfläche pro Volumen) zu erreichen. Bei den Modulbauformen wird unterschieden in:

  • Module mit Schlauchmembranen wie:
    • Hohlfasermodul
    • Kapillarrohrmodul
    • Rohrmodul
  • und Module mit Flachmembranen wie:
    • Kissenmodul
    • Plattenmodul
    • Spiralwickelmodul

Die Anwendungen von Membranverfahren bei der Wasseraufbereitung umfassen ein sehr weites Gebiet, das von der Trinkwassergewinnung aus Meer- oder Brackwasser bis hin zur Produktion von Reinstwasser für die Pharmazie oder die Elektronikindustrie reicht. Auch in der Abwasserbehandlung finden Membranverfahren ein zunehmendes Einsatzfeld. Häufig reicht ein Verfahren allein nicht aus, sodass eine Kombination mehrerer Verfahren sinnvoller ist (z.B. Reinigung von Oberflächenwasser durch Ultrafiltration, Entsalzung des gereinigten Wassers durch Umkehrosmose).

Unterschiedliche Membranverfahren

Mikrofiltration (MF)

Mit Mikrofiltrationsverfahren können Mikroorganismen wie Algen, Bakterien und Pilze sowie Kolloide, Emulsionen (z.B. Öl) oder Suspensionen aus dem Rohwasser zurückgehalten werden.

Mikrofiltrationsmembranen sind in der Regel symmetrisch aufgebaute, mikroporöse Polymermembranen, die Teilchen in der Größenordnung von 0,02 bis 10 Mikrometer abtrennen können.

Sie werden entweder als Crossflow-Filtration (Querstromfiltration) oder als Dead-End-Filtration betrieben. Bei einer Crossflow-Filtration (CMF) wird die Membran ständig von der zu filtrierenden Flüssigkeit überströmt, sodass zwei Hauptströmungen kreuzweise zueinander bestehen: der Filtratstrom durch das Filtermedium und die Überströmung durch das Retentat parallel zum Filtermedium. Dadurch wird die Bildung eines Belags auf der Membranoberfläche stark behindert.

Bei der Dead-End-Filtration durchströmt die gesamte Rohwassermenge die Membran. Die zurückgehaltenen Partikel verbleiben auf der Membranoberfläche und bilden einen Filterkuchen. Dieser muss periodisch durch Rückspülung entfernt werden. Die Rückspülung erfolgt mit Filtrat oder Druckluft. Diese Verfahrensweise ist nur bei Suspensionen mit geringerem Feststoffgehalt vorteilhaft.

Um die Betriebskosten zu verringern, kombiniert man auch bei kontinuierlich betriebenen Anlagen beide Betriebsweisen, indem man bei der CMF das Retentat nicht kontinuierlich, sondern intervallgesteuert abzieht.

 

Ultrafiltration (UF)

Mit Ultrafiltrationsmembranen können in Abhängigkeit von der Porenweite neben gröberen Teilchen wie Mikroorganismen oder Kolloiden auch Viren, Eiweiße und Makromoleküle aus dem Rohwasser zurückgehalten werden.

Membranen zur Ultrafiltration sind überwiegend asymmetrisch aufgebaut. Ihre Struktur ist auch in der Trennschicht porös, sodass ein konvektiver Stofftransport stattfindet. Ultrafiltrationsmembranen werden häufig als Rohr-, Kapillar- oder Hohlfasermodule angeordnet. Der Druckbereich, in dem eine Ultrafiltrationsanlage arbeitet, ist abhängig vom Einsatz. Er liegt in der Regel zwischen 1 bis 10 bar. Die Trenngrenze von UF-Membranen wird häufig als Molekulargewicht (MW) der kleinsten, noch abgetrennten Komponente in der Einheit Dalton [D] angegeben. Sie liegt je nach Einsatzzweck zwischen 1.000 bis 500.000 D.

Auch Ultrafiltrationsanlagen werden – wie bei der Mikrofiltration – entweder als Crossflow-Filtration oder als Dead-End-Filtration betrieben.

Nanofiltration (NF)

Autor: WEKA Redaktion

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