Wasserreinigung

Membranen für die Vorwärtsosmose

Bei der Vorwärtsosmose (forward osmosis, FO) werden zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichem osmotischem Druck über eine semipermeable Membran zusammengeführt. Dabei fließt Wasser in Richtung der Kammer mit hohem osmotischen Druck, während in der Flüssigkeit gelöste Stoffe zurückgehalten werden.

Anwendungen der Vorwärtsosmose

Die Hauptanwendungsgebiete der Vorwärtsosmose sind die Rückgewinnung von Trinkwasser aus verunreinigten Wasserquellen, die Nutzung von Salzkonzentrationsunterschieden (z. B. beim Übergang von Fluss- zu Meerwasser) zu Energieerzeugung mithilfe druckverzögerter Osmose (pressure-retarded osmosis, PRO) oder die Reduzierung des Foulings bei der Konzentrierung von Deponie-Sickerwasser.

Herausforderung bei der Membranentwicklung

Die meisten derzeit verfügbaren Membranen wurden für druckgesteuerte Prozesse entwickelt und optimiert, eignen sich aber aufgrund einer übermäßigen Konzentrationspolarisation nicht für die Vorwärtsosmose.

Vorwärtsosmose-Membranen zur schonenden Aufbereitung komplexer Gemische

Vorwärtsosmose-Versuche in einer Rührzelle
© Fraunhofer IGB
Vorwärtsosmose-Versuche in einer Rührzelle: RO-1 und -2 sind kommerzielle RO-Membranen; IGB-CA Celluloseacetat Membranen, von rechts nach links Nachbehandlungstemperatur 50°C, 70°C, 90°C; IGB-TFC thin-film composite Membranen, von rechts nach links Reaktionszeiten 30 s, 120 s, 480 s.

Lösungsmittelresistente FO-Membranen

Das Fraunhofer IGB entwickelt FO-Membranen, die gegen Lösungsmittel wie Aceton, Butanol und Ethanol resistent sind und zur Butanolanreicherung aus ABE-Fermentationsbrühen verwendet werden können. Für fermentativ hergestellte Kraftstoffe der zweiten Generation wie Butanol muss insbesondere das Downstream Processing noch deutlich verbessert werden, damit sie wettbewerbsfähig und umweltverträglich sind.

Mittlerweile sind geeignete Vorwärtsosmose-Membranen sowohl auf Celluloseacetat-Basis (CA) als auch Thin-Film-Composite-Membranen (TFC) verfügbar. Die Membranen wurden hinsichtlich ihrer Wasserpermeation sowie des Butanol- und Salz-Rückhalts untersucht. Die Feed-Lösung war dabei eine wässrige Butanollösung mit 5,7 Gewichtsprozent. Als Ziehlösung wurde eine wässrige NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 300 g/L NaCl eingesetzt.

Optimierte Celluloseacetat- und Thin-Film-Composite-Membranen für Anreicherung von Butanol

Die CA-Membran wurde in ein Gewebe gerakelt, ist 60 µm dick und hat eine ausgeprägte asymmetrische Struktur mit einer sehr dünnen Trennschicht (ca. 100 nm). Der Träger der TFC-Membran ist eine 110 µm dicke Mikrofiltrationsmembran mit einer Porengröße von 100 nm. Bei den CA-Membranen kann die Trennleistung über die Temperatur des Wärmebades kontrolliert werden. Je höher die Temperatur, desto kleiner der Wasserfluss und desto größer der Butanol-Rückhalt. Bei 90 °C zeigen die CA-Membranen den gleichen Butanol-Rückhalt wie kommerzielle Umkehrosmose-Membranen, wobei der Wasserfluss mit 1,23 L/(h m2) um 75 Prozent größer ist.

Bei den TFC-Membranen kann die Trennleistung über die Reaktionszeit der Grenzflächenpolymerisation gesteuert werden. So werden bei 480 Sekunden Einwirkzeit Membranen mit einem Wasserfluss von 4,35 L/(h m2) und einem Butanol-Rückhalt von 97 Prozent erhalten. Eine weitere Größe, die zum Vergleich der Membranen herangezogen wurde, war das Verhältnis von Wasser- zu Butanolfluss. Bei den kommerziellen Membranen lag dieses im Bereich von 20, bei den besten CA-Membranen wurde 40 und bei den besten TFC-Membranen 60 gemessen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass es mit der Vorwärtsosmose technisch möglich ist, Butanol-Lösungen soweit aufzukonzentrieren, dass eine Phasentrennung auftritt.

Anwendung zur Reinigung sulfathaltiger Oberflächenwässer

Zukünftig sollen diese Membranen auch für andere Vorwärtsosmose-Anwendungen eingesetzt werden. So sollen z. B. sulfathaltige Oberflächenwässer damit gereinigt werden.

Celluloseacetat-Membran unter dem Elektronenmikroskop
© Fraunhofer IGB
Celluloseacetat-Membran unter dem Elektronenmikroskop

Publikationen

  1. Touati, K.; Hänel, C.; Tadeo, F.; Schiestel, T. (2015) Effect of the feed and draw solution temperatures on PRO performance: Theoretical and experimental study, Desalination 365: 182-195.
  2. Touati, K., & Schiestel, T. (2013). Evaluation of the Potential of Osmotic Energy as Renewable Energy Source in Realistic Conditions. Energy Procedia, 42, 261-269. doi:https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.11.026.