Membranverfahren
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)
Die Nanofiltration liegt in ihrem Trennverhalten zwischen Ultrafiltration und Umkehrosmose. Das Verfahren ist in der Lage, sowohl Partikel aus dem Wasser abzutrennen als es auch teilweise zu entsalzen. Vom strukturellen Aufbau her werden bei der Nanofiltration Compositmembranen eingesetzt, deren Stützschicht eine UF-Membran bildet (siehe Schneider, 1994). Diese ist in der Lage, je nach Molekülgröße zwei- und dreiwertige Ionen zurückzuhalten, während die meisten einwertigen Ionen die Membran passieren. Diese spezielle Eigenschaft nutzt man z.B. bei der Enthärtung von Trinkwasser aus.
Umkehrosmose (RO)
Mit der Umkehrosmose (Englisch reverse osmosis, RO) werden gelöste Salze und organische Komponenten aus dem Wasser zurückgehalten. Triebkraft des Verfahrens ist ein Druck, der höher als der osmotische Druck des Rohwassers sein muss. Die Trennwirkung der Umkehrosmosemembran als Löslichkeitsmembran beruht im Wesentlichen auf dem unterschiedlichen Sorptions- und Diffusionsverhalten der einzelnen Komponenten des Rohwassers in der Membranmatrix.
Bei Umkehrosmoseanlagen zur Wasseraufbereitung werden vor allem Wickelmodule oder Hohlfasermodule aufgrund ihrer hohen Packungsdichte eingesetzt. Bei höher belastetem Rohwasser (Deponiesickerwasser, industrielle Abwässer, Rohwasser mit hohem Kolloid-Index) haben sich Platten- oder Kissenmodule bewährt.
Die Trennleistung der Membran kann durch Ablagerungen von schwerlöslichen Bestandteilen wie Mikroorganismen, Kolloiden und anderen Partikeln (Fouling) und/oder durch Konzentrationspolarisation veranlasste Ausfällung von gelösten Komponenten an der Membranoberfläche (Scaling) beeinträchtigt werden. Daher sollte das Rohwasser vor Eintritt in die RO so aufbereitet werden, dass es einen Kolloid-Index KI < 3 nicht erreicht.
Zur Reduzierung des Foulingrisikos wird der RO eine geeignete Vorreinigungsstufe wie z.B. Sedimentation, Mehrschichtfiltration oder Mikro-/Ultrafiltration vorgeschaltet. Um Ausfällungen von Härtebildnern wie Calcium oder Magnesium zu vermindern, kann in Abhängigkeit von der Qualität des Rohwassers entweder der pH-Wert durch die Dosierung von Salz- oder Schwefelsäure unter den Fällungs-pH-Wert abgesenkt werden. Oder es wird ein sogenanntes Antiscalant zudosiert und damit das Lösungsvermögen des Rohwassers positiv beeinflusst. Die beste Lösung ist meist, mit einem Ionenaustauscher (Enthärtung oder Entkarbonisierung) die Härtebildner zu entfernen, bevor das Rohwasser zur Membrananlage gelangt.
Um die Fließgeschwindigkeit in einem RO-Block mit mehreren hintereinandergeschalteten Modulstufen konstant zu halten und die Konzentrationspolarisation zu minimieren, schaltet man die einzelnen Stufen mit in Durchflussrichtung abnehmender Membranfläche in Reihe (sogenannte „Tannenbaum-Anordnung“).
Die Betriebskosten der Umkehrosmose werden im Wesentlichen von den Abwasserkosten für das Konzentrat, den Energiekosten für die Hochdruckpumpen und den Kosten für den Membranersatz bestimmt. Für eine wirtschaftliche Betriebsführung wird im Allgemeinen eine Lebensdauer der Umkehrosmosemembranen von mindestens drei Jahren als notwendig erachtet.
Elektrodialyse (ED)
Bei der Elektrodialyse werden Ionen durch ionenselektive Membranen aufgrund eines angelegten elektrischen Felds transportiert. Eine Elektrodialyseeinheit besteht aus einer Reihe von Zellen, die abwechselnd von Kationen- und Anionenaustauschermembranen begrenzt und zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet sind. Beim Anlegen des elektrischen Felds passieren Anionen die Anionenaustauschermembran und Kationen die Kationenaustauschermembran, sodass abwechselnd eine Kammer mit verdünnter Lösung (Diluat) und eine Kammer mit Retentat gefüllt ist.
Eine grundlegende Verbesserung des klassischen Elektrodialyseverfahrens ist die Elektrodialyse mit Umpolung (EDR). Dabei wird mehrere Male pro Stunde die Stromrichtung gewechselt. Der Vorteil ist, dass die sich auf der Membranoberfläche absetzenden Scalingprodukte aufgelöst und durch den gleichzeitigen Wechsel des Retentat- und Diluatkanals weggeschwemmt werden.
Da die Elektrodialyse nur geladene Teilchen abscheiden kann, wird sie in der Wasseraufbereitung zur Teilentsalzung von wässrigen Lösungen (z.B. Brackwasser) sowie im Entsorgungsbereich bei der industriellen Abwasserbehandlung eingesetzt.
Eine moderne Weiterentwicklung der Elektrodialyse ist die Elektrodeionisation (EDI). Dabei werden zur Beschleunigung des Stofftransports die Diluatkammern mit Ionenaustauscher-Mischbettharz gefüllt. Diese Technik wird zunehmend vor allem in der Pharmazie und der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Reinstwasser aus RO-Permeat als Ersatz für die Mischbetttechnik eingesetzt. Dabei nutzt man den Vorteil der EDI, schwach ionisierte Bestandteile wie Bor, Kohlensäure und Kieselsäure mit hohen Wirkungsgraden abscheiden zu können.
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