Homepage of PCA Contact Details Order and Request Site Map home e-mail The Membranes Equipment Application Studies News zum Seitenanfang

 

Membranen in der Technik

Eine allgemeine Einführung in die verschiedenen Membranverfahren

 

1. Einleitung

 

Bei der Trennung fluider Systeme in der Verfahrestechnik sind Membranverfahren heute bereits ein fast selbstverständlicher Baustein des verfahrenstechnischen Repertoirs. Dies ist vor allem auf die Umkehrosmose zurückzuführen, die für die Abrennung von Wasser aus salzhaltigen Lösungen entwickelt wurde. Daneben haben sich Membranfiltrationenen (Nanofiltration, Ultrafiltration und Mikrofiltration) sowie Elektrodialyse etabliert.

Kernstück aller Membranverfahren ist selbstverständlich die Membran. Man kennt feste und flüssige Membranen. In jedem Fall muß eine Membran, um wirksam zu sein, eine selektive Wirkung haben, d. h. sie muß mindestens eine Komponente einer Mischung bevorzugt zurückhalten.

 

 

2. Membranfiltration: druckbetriebene Membranverfahren

 

Membranfilter sind mikroporöse Membranen, die als Filter eingesetzt werden. Sie werden anhand des Porendurchmessers in verschiedene Gruppen unterteilt. Man unterscheidet dabei Umkehrosmose, Nanofiltration, Ultrafiltration und Mikrofiltration

 

3. Elektrodialyse

 

Eine Ionenaustauschermembran trennt im Gegensatz zu Filtrationsmembranen Teilchen nicht aufgrund ihrer Größe, sondern nach dem Vorzeichen ihrer Ladung. Solche Membranen können also z.B. Kationen durchlassen, während sie Anionen absperren oder umgekehrt. Diese Eigenschaft verdanken die Membranen dem sog. Donnan-Effekt, auch Donnan-Auschluß genannt.

Sie werden in der Elektrodialyse, der Membranelektrolyse , der Salz-Metathese und der Diffusionsdialyse angewendet. Elektrodialyse wird seit fast 40 Jahren in der Trinkwasser- und Soleproduktion aus Meer- bzw. Brackwasser eingesetzt. Auch bei der Entsalzung von Lebensmitteln hat sich die Elektrodialyse im industriellen Einsatz bewährt: Soja-Extrakte werden mit Elektrodialyse entsalzt, so daß deren Qualität standardisiert werden kann und die industrielle Lactoseproduktion aus Molke wurde erst durch die wirtschaftliche Molke-Entsalzung mit Elektrodialyse konkurrenzfähig.

Neben solchen Anwendungen zum Transport von Salzen bieten sich weitere Anwendungsfelder, vor allem am Ende industrieller Prozeßketten an, in denen Säuren so verdünnt vorliegen (z.B. in Spülwässern), daß sie so nicht mehr verwendet werden können:

  • Die Beizrückgewinnung in der Feuerverzinkungsindustrie

  • Die Wiedergewinnung von HNO3 / HF - Mischsäure, die zum Beizen und Passivieren von Edelstählen verwendet wird

  • Elektrodialyse

  • Wasser-Spaltung

  •  

     

    5. Pervaporationsmembranen

    von Andreas Konrad und Patrick Altmeier

     

    Pervaporationsmembranen werden zum Trennen von Lösungsmittel- Wasser-Gemischen dort eingesetzt, wo herkömmliche Trennverfahren wie Destillation oder Rektifikation nicht anwendbar sind. Diese Membranen sind für eine Komponente eines Gemisches permeabel. Diese Komponente diffundiert durch die Membran und verdampft auf der anderen Seite. Die treibende Kraft dabei ist die Druckdifferenz, die künstlich aufrechterhalten wird (Abb.4).

    Mit diesem Verfahren wird z.B. Bier vom Alkohol befreit oder Lösungsmittel werden getrocknet. Im ersten Fall ist die Membran für Alkohol permeabel, im zweiten Fall für Wasser.

     

     

    Der Vorteil der Pervaporation besteht vor allem in einer schonenden Behandlung der Produkte (z.B. Bier) und in der Möglichkeit, im Idealfall azeotrope Gemische zu spalten.

     

     

    6. Flüssigmembranen

    von Andreas Konrad und Patrick Altmeier

     

    Im Gegensatz zu anderen Membranverfahren wird hier die Membran zum Extraktionsprozeß aufgebaut und zur Abtrennung der Produktfraktion wieder zerstört.

    Flüssigmembranen enthalten keinerlei feste Phasen. Sie bestehen aus in Wasser dispergierten Öltröpfchen, die wiederrum ein wäßrige Phase in ihrem Innern umschließen. Diese innere wäßrige Phase ist in Öl emulgiert

     

     

    Ein Flüssigmembransystem wird hergestellt, indem eine Wasser-in-Öl-Emulsion in eine wäßrige Lösung eingerührt wird. Das System wird durch Tenside aufgebaut, die die w/o-Emulsion gegenüber der o/w- Emulsion bevorzugt stabilisieren.

    Der Ölfilm erhält seine permselektiven Eigenschaften durch den Zusatz von öllöslichen Komplexbildnern. Diese sind in der Lage, Kationen zu komplexieren und damit öllöslich zu machen. Es wird ein künstliches Konzentrationsgefälle erzeugt, und zwar zwischen in äußerer Lösung vorhandenen Metallionen un der wäßrigen Phase im Tröpfcheninnern.

    Dort wird die Konzentration an freien Metallionen durch Zusatz von Komplexbildnern, wie z.B. EDTA, sehr niedrig gehalten. Die den Transport durch die hydrophobe Schicht übernehmenden Carrier besitzen eine kleinere Stabilitätskonstante als das EDTA im Innern.

    Flüssigmembranen kommen in gerührten Emuslsionen oder an ein Trägermaterial fixiert zum Einsatz. Bei Beendigung der Rührung sedimentiert die w/o- Emulsion und kann so leicht abgetrennt werden (z.B. im Ölabscheider). Die Emulsion und damit die Membran wird gespalten, und man erhält unter anderem eine Produktfraktion.

     

     

    7. Literatur

     

    [1] Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers. Philip A. Schweitzer et al. Mc Graw-Hill 1979. Section 1.14: Dialyse und Elektrodialyse. [Nachschlagewerk für Grundlagen (englisch).]

    [2] Londsale, H.K.: The growth of membrane technology. Journal of Membrane Science 1982, 10 (2-3), 81-181. [Ein umfassender Artikel über die historische Entwicklung der Membrantechnologie mit 429 Literaturverweisen (englisch).]

    [3] Wolfgang Pusch: Ionenaustauscher- Membranen. Chemie und Ingenieurtechnik 57 (1985), Nr. 7 S. 581-596. [Übersichtsartikel zur Membrananwendung (deutsch).]

     

    zum Seitenanfang