Wasserreinigung

Membranen für die Wasserreinigung

Mittlerweile finden Membranen bereits vielfach Anwendung bei der Reinigung von Wasser. Dabei werden insbesondere Filtrationsmembranen (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration) genutzt, um unterschiedliche Teilchen (Bakterien, Viren) und Substanzen über Größenausschluss abzutrennen. Das Fraunhofer IGB arbeitet hier u. a. an der Entwicklung neuer, grüner Herstellverfahren für Filtrationsmembranen (Green Membranes).

Bei der Filtration steigt mit abnehmender Porengröße der aufzuwendende Druck und damit der Energieaufwand erheblich. Wir entwickeln deshalb Membranadsorber, um auch kleinere Moleküle wie Mikroschadstoffe bei geringen Drücken adsorptiv zurückzuhalten (Mikroschadstoffe).

Auch bei der Entsalzung von Meerwasser spielt mittlerweile die Umkehrosmose (reverse osmosis, RO) die wichtigste Rolle. Hierfür werden über Grenzflächenpolymerisation hergestellte Thin-Film-Composite-Membranen (TFC) genutzt, die für Wasser permeabel sind, aber Salze zurückhalten. Dabei muss mit Drücken gearbeitet werden, die höher sind als der osmotische Druck der zu entsalzenden Lösung.

Membranen für die Vorwärtsosmose

Bei der Vorwärtsosmose (forward osmosis, FO) werden hingegen 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.

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

Lösungsmittelresistente FO-Membranen zur Reinigung 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.

Das Fraunhofer IGB entwickelt u. a. FO-Membranen, die für die Reinigung von sulfathaltigen Oberflächenwässern eingesetzt werden können. Zusätzlich wurden besonders stabile FO-Membranen hergestellt, 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 Vorwärtsosmose-Membranen sowohl auf Celluloseacetat-Basis (CA, siehe Abb.) als auch Thin-Film-Composite-Membranen (TFC) verfügbar. 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 Rückhalt. Bei den TFC-Membranen kann die Trennleistung über die Reaktionszeit der Grenzflächenpolymerisation gesteuert werden. Es konnte gezeigt werden, dass es mit der Vorwärtsosmose technisch möglich ist, Butanol-Lösungen soweit auf zu konzentrieren, dass eine Phasentrennung auftritt.

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

Leistungen

  • Entwicklung von Flach- und Hohlfasermembranen mit optimierten Eigenschaften für die Vorwärtsosmose
  • Anpassung von Thin-film-composite- und Celluloseacetat-Membranen an unterschiedliche Trennaufgaben
  • Machbarkeitsstudien zur Aufreinigung komplexer Gemische

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.