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Membranfiltration: druckbetriebene Membranverfahren

 

1. Einleitung

 

Membranfilter sind mikroporöse Membranen, die als Filter eingesetzt werden. Sie werden anhand des Porendurchmessers in verschiedene Gruppen unterteilt.

In Abb.1 sind einige Filtrationsverfahren mit den entsprechenden Porendurchmessern der dabei verwendeten Membranen dargestellt. Der Filter mit einem bestimmten Porendurchmesser läßt also kleinere Teilchen noch durch, während größere zurückgehalten werden. Der mittlere Porendurchmesser wird deshalb auch Trenngrenze genannt.

 

 

Mit einer Mikrofiltrationsmembran z.B. läßt sich eine Lösung sterilisieren, weil Keime nicht durch die Membran dringen können.

Wesentlich kleinere Poren hat eine Umkehrosmosemembran, sie hält sogar Ionen zurück, ist somit z.B. zur Meerwasserentsalzung geeignet.

 

2. Struktur von Filtrationsmembranen

von Andreas Konrad und Patrick Altmeier

 

Im wesentlichen wird Transport in Membranen (Permeation) durch zwei unterschiedliche Mechanismen verursacht: Ein Transport durch Poren - im einfachsten Fall also ein rein konvektiver Transport - oder ein Transport aufgrund von Diffusion einer gelösten Kompenente. Membranen können daher als dichte (Lösungs-Diffusionsmembran) oder poröse Schicht (reine Porenmembran) konzipiert sein, wobei bei den Porenmembranen je nach Porengröße unterschiedliche Mechanismen vorherrschen können (konvektiver Fluß, Knudsen-Fluß sowie Adorption an der inneren Porenoberfläche). In realen Membranen können durchaus beide Transportmechanismen nebeneinander vorkommen.

Bei den nicht porösen Membranen kann man wiederum homogene und asymetrische Membranen unterscheiden. Da bei Membranen eine möglichst hohe Permeabilität pro Fläche erwünscht ist, müssen homogene Membranen möglichst dünn sein. Dies widerspricht jedoch der Forderung nach mechanischer Stabilität. Daher werden Membranen in der Regel als asymetrische Membranen ausgeführt, bei denen eine sehr dünne, dichte Trennschicht sich auf einer porösen Unterstruktur hoher Permeabilität befindet. Besteht diese Trennschicht aus dem gleichem Polymer wie die poröse Stützschicht, spricht man von integral-asymetrischen Membranen. Handelt es sich bei der Trennschicht um ein anderes Material spricht man von Komposit-Membranen.

In Abb. 5 ist der prinzipielle Aufbau einer Komposit-Membran gezeigt:

Abbildung 5: Querschnitt durch eine Komposit-Membran

Auf ein textiles Stützvlies wird eine mikroporöse Schicht aufgebracht, die die eigentliche Trennschicht unterstützt. Um eine möglichst hohe Stabilität der Struktur zu erreichen, sollten die Poren der Stützschicht zur Trennschicht hin immer kleiner werden und fingerartig ausgebildet sein.

Bei einer Umkehrosmosemembran ist z.B. ein relativ großer Energiebetrag aufzuwenden, damit salzhaltiges Wasser deionisiert wird. Meerwasserentsalzung

Auf einer Seite der Membran befindet sich fast reines Wasser, auf der anderen Seite eine konzentrierte Salzlösung. Da die Membran nur durchlässig für Wasser ist, besteht zwischen den beiden Seiten ein Konzentrationsunterschied für das Lösungsmittel Wasser, d.h., Wasser würde zur Soleseite wandern, bis die Konzentration ausgeglichen ist. Solange jedoch kein Gleichgewicht vorliegt, herrscht eine osmotische Druckdifferenz. Das bedeutet für die Umkehrosmose, daß zur Überwindung dieses Druckes ein entsprechender Gegendruck (50 bis 100 bar) aufgewendet werden muß.

 

3. Porengröße

von Andreas Konrad und Patrick Altmeier

 

Auf die durchschnittliche Porengröße einer Membran kann experimentell durch die Bestimmung des sog. Bubble Points (Abb.2) geschlossen werden. Er wird bestimmt, indem man an einer mit einer Testlösung befeuchteten Membran den Druck mißt, der notwendig ist, mit Luft die Testlösung aus den Poren der Membran zu verdrängen.

Je kleiner die Poren einer Membran sind, desto größer wird die innere Oberfläche und somit auch die Arbeit, um diese Oberfläche durch Herausdrücken der Testflüssigkeit wieder freizulegen. Der Bubble Point liegt somit bei einem höheren Druck.

 

 

Ist die Membran jedoch nicht mit Wasser benetzbar, muß Energie aufgewendet werden um Wasser in die Poren der Membran zu drücken. Der aufzuwendende Druck steht ebenfalls in Beziehung zur Porengröße.

Derartige Membranen werden bei wetterfester Kleidung als atmungsaktives Material eingesetzt, z.B. GORE-TEXÒ .

Luft und darin vorhandener Wasserdampf kann ungehindert durch die Membran diffundieren, während Nässe (flüssige Phase) abgehalten wird.


 

4. Membranmodule

von Andreas Konrad und Patrick Altmeier

 

Allen Membrananlagen typisch ist ihr modularer Aufbau. Er resultiert aus dem Einsatz der Membranen in Membranmodulen. Diese gewährleisten die getrennte Führung von Feed- und Permeatstrom .

Flachmembranen können in Platten-,Taschenmodule oder Wickelmodule eingebaut werden.

Ähnlich einer Filterpresse ist ein Plattenmodul (vgl. Abb. 6) konstruiert 1:

Abbildung 6: Plattenmodul

Je ein Paar Membranen wird, durch einen Abstandhalter (Feedspacer) getrennt, mit der Trennschicht zueinander gestapelt. Zwischen jedem Paar wird als Abstandhalter ein Permeatspacer eingelegt. Die Spacer sind in Rahmen eingebettet, die gleichzeitig die Modulabdichtung und die Stoffführung durch alternierend angeordnete Kanäle und Bohrungen ermöglichen.

In Abb. 7 ist der Aufbau eines Wickelmoduls 2 gezeigt:

 

Abbildung 7: Wickelmodul

Eine Anordnungsmöglichkeit beim Wickelmodul ist, daß zwei Membranen mit der Stützschicht gegeneinander, getrennt durch den Permeatspacer, auf ein mit Bohrungen versehenes Rohr gewickelt werden. Die Membranrückseiten und der Permeatspacer werden dabei miteinander am Rand verklebt.Die gesamte Anordnung wird dann in ein Druckrohr eingebracht.

Eine weitere Modulform für Flachmembranen ist ein Membrantaschenmodul 3, bei dem verschweißte Membrantaschen um ein mit Bohrungen versehenes Rohr zu einem Wickel angeordnet sind.

In Abbildung 8 ist ein Hohlfasermodul gezeigt. Hohlmembranen werden dazu bündelweise am den Enden in ein Kunstharz eingebettet. Permeatseitig sind die Hohlsern offen, bei der hier abgebildeten Modulvariante sind die andreren Enden der Hohlfasern verschlossen.

 

Abbildung 8: Hohlfasermodul

Die vorgestellten Modulformen unterscheiden sich im wesentlichen durch die erreichbare Packungsdichte (Membranfläche pro Modulvolumen) und den Herstellungspreis (vgl. Tab. 3).

 

Modultyp

Fläche pro Volumen

m2 m-3

Preis

Platte

400-600

hoch

Spiral

800-1000

niedrig

Hohlfaser

2000-5000

sehr niedrig-niedrig

 

Tabelle 3: Vergleich von Membranmodulen 4

 

5. Literatur

 

[1] E. Piskin: Synthetic polymeric membranes: separation via membranes, NATO ASI Ser., Ser. E 1986, 106(Polym. Biomater.), 110-35

[2] H.K. Lonsdale: The growth of membrane technology, Journal of Membrane Science, 10 (1982) S. 107

[3] D. Paul: Polymermembranen für die Stofftrennung, Chemie in unserer Zeit/32. Jahrg. 1998/Nr. 4, S. 197-205

[4] G. v. Sengbusch: Future of membranes, Technological and economical aspects, Vortrag: Synthetic membranes in science and industry, Tübingen Sept. 1994


 

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