VL 5: Membranverfahren

Eine Membran ist eine dünnwandige Struktur, die einzelne Komponenten einer Flüssigkeitsmischung (Lösung oder Suspension) selektiv passieren lässt

• Membranmaterialine und Strukturen:

  • Organische Materialien: Cellulose, Polyamid, Poypropylen, Polytetrafluorethylen, PVDF, Polycarbonate etc.

  • Anorganische Materialein: Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid etc.

• Porosität hängt vom Material und Hertsellungsverfahren ab

• VF = Feedvolumenstrom -> der Membran zugeführter Volumenstrom

• VR = Retentatvolumenstrom -> von Membran zurückgehaltener Volumenstrom

• VP = Permeatvolumenstrom -> die Membran permeierender Volumenstrom

• cFi, cFj = Feedkonzentrationen der Komponenten i und j

• cPi, cPj = Permeatkonzentrationen der Komponenten i und j

• Jp = Membranfluss (Flux) -> auf die Membranfläche AM bezogener Volumenstrom

Transmembraner Fluss TMF = Volumenstrom pro Fläche pro Zeit (L/m^2*h)

• P = Permeabilität (TMF bezogen auf 1 bar transmembrane Druckdifferenzez (TMP))

wie gut oder wie schlecht können Stoffe die Membran durchqueren

• S = Selektivität -> Verhältnis der Konzentartionen in Permeat und Feed

• R = Rückhalt -> Trennschärfe einer Membran bezüglich einer Komponente i -> wie gut wird das was wir haben wollen zurückgehalten

• Trenngrenze -> Cut-off: Molekulargewicht, bei dem 90% eines Stoffes zurückgehalten wird

= pauschaler Zusammenhang: Fluss = ∑ treibende Kräfte/ ∑ Widerstände

• Mögliche treibende Kräfte: Gradienten des Drucks, der Konzentration und des elektrischen Potentzials

• Summe aller treibenden Kräfte ist das chemische Potenzial

Membrantrennverfahren unterscheiden sich durch:

• die treibende Kraft -> Druckdifferenz, Partialdruckdifferenz, Konzentrationsdifferenz, Differenz des elektrischen Potentials

• Das Trennprinzip -> Poren, Lösungsdiffusion, gekoppelter Transport, Ionenfluss

1. Mikrofiltration

2. Ultrafiltration

3. Nanofiltration

4. Umkehrosmose

5. Gastrennung

6. Perforation

7. Dialyse

8. Diafiltration

• Mikrofiltration (MF)

• Ultrafiltration (UF)

• Nanofiltration (NF)

• Umkehrosmose

• Gastrennung und Pervoration

• Dialyse

• Diafiltration

• relativ kleine Druckdifferenz, ziemlich große Porendifferenz-> kann nur große Stoffe abtrennen

• genauer als Mikrofiltration, denn Druckdifferenz größer und Porendifferenz kleiner

• noch genauer als Mikro- und Ultrafiltration, da noch kleinere Porendifferenz und höhere Druckdifferenz

• macht sich das Prinzip der Osmose zunutze, indem man die Osmose umkehrt

• Es wird aus außen Druck auf Rohwasserseite ausgeübt -> Druckausgleich über Membran auf Reinwasserseite findet statt -> nur reines Wasser gelangt durch semipermeable Membran auf Reinwasserseite, bis sich Gleichgewicht einstellt

• hier anders als bei Filtration porenfreie Membran

• Dialyse bei Nireninsuffizienz

• Entferne von Ionen aus Proteinlösungen

• Pufferaustausch und/oder Proteinkonzentrierung über tangentiale Flussfiltration

Kontinuierlicher Betrieb (a):

• die Rohlösung durchströmt das Membranmodul nur einmal

• Notwendige Anstömungsgeschwindigkeit ist wegen Konzentrationspolarisation und Membranfouling nur begrenzt einstellbar

Batch-Betrieb (b):

• Das das Modul verpassende Retentat wird so lange in den Vorratsbehälter zurückgeführt, bis die gewünschte Konzentration erreicht ist

• restvolumen wird aus Anlage entfernt

kontinuierliche Betrieb mit Rückführung (c):

• wegen zusätzlicher Umwälzpumpe größte Felxibilität

• Konzentrierung bzw. Ausbeute und Überströmgeschwindigkeit lassen sich unabhängig voneinander einstellen

A) Reihenschaltung (Feed passiert alle Module)

B) Parallelschaltung (Feed wird aufgeteilt)

C) Tannenbaumschaltung, Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung

-> Welche am besten passt, komme auf Konzentrationspolarisation und zulässige Drücke an

• Erfolgt Stofftransport bei der Filtration zu schnell, können die zurückgehaltenen Komponenten nicht schnell genug zurückdiffundieren

• Konzentrationsüberhöhung der zurückgehaltenen Komponenten= Konzentrationspolarisation

• der Membranbelag wächst bis in die Pose hinein

• Gleichzeitig verändert sich das Rückhaltevermögen der Membran hin zu kleineren Teilchen bzw. Molekülen

• Komponenten, die Ursprünglich die Membran passierten, werden nun ebenfalls zurückgehalten

• Löslichkeitsgrenzen einzelner Komponenten werden überschritten

• Auf der Membran bildet sich eine gelschischt = Fouling

Folge: verstärkt Absorption

Lösungen:

• Trangentialer Flow

• Wechelnder Rückfluss (Rückspülung)

• langsamerer Fluss

• Möglichst inerte Membranen

Phaseninversion, Phasengrenzflächenpolymerisation, Tauchverfahren und Radikalische polymerisierung

• Asymmetrische Membranen

  • hohe Permeatflüsse durch möglichst dünne, selektive Schicht, da der Fluss einer Komponente umgekehrt proportional zur Membrandicke ist

• Integral-asymmetrische Membranen

  • durch Phaseninversion bzw. Fällung des Polymers aus Lösung

  • aktive Schicht und Unterstruktur bestehen aus dem selben Material, unterscheiden sich aber in Porengröße

  • Übergang zwischen Schichten ist kontinuierlich

• zusammengesetzt-asmmetrische Membranen:

  • homogene, dünne polymerschicht auf mikroporöse Struktur

  • diese Kompositmembranen gestatten eine getrennte Optimierung von selektiver Schicht und poröser Stützschicht

  • Ziel ist die Steigerung der Selektivität und des Flusses

• Herstellung einer homogenen Polymerlösung geegneter Viskosität

• Ausziehen der polymeren Gießlösung zu einem Film

• Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels

• Ausfällung des Polymers durch Eintauchen in Fällungsbad

• Lösungsmittel wird durch Fällungsmittel verdrängt

• Tempervorgang (schließen von Fehlstellen durch Inkubation mit Weichmachern)

• Bei diesem Verfahren entstehen Schichten auf asymmetrischen Hohlfaser- oder Flachmembranen von einer Dicke bis 1 µm

• Mit dünner Gelschutzschicht maskierte zu beschichtende Membran wird in niedrig konzentrierte Polymer- bzw. Monomerlösung getaucht

• Maskierung der Oberfläche der porösen Stützmatrix verhindert das Eindrignen von Monomerlösung in die Poren

• Dicke der entstehenden Schicht hängt von Konzentration in ofen gebacken, wo das Lösungsmittel verdampft und eine Quervernetzung der Unterstruktur stattfindet

• Polymerisationsreaktion zwischen zwei reaktionsfreudigen Monomere, die, da sich die Monomere in zwei nicht mischbaren Lösungen befinden, nur an der Phasengrenze der Lösungen stattfinden kann und sehr schnell abläuft

• Poröse Stützstruktur = Ultra- oder Mikrofiltrationsmembran aus Polysulfon

• Membran wird nach Gelmaskierung zuerst in wässriger Lösung des hydrophoben Monomers getaucht und kurz erhitzt

• da hydrophiles PEI in HExan und hydrophobes TDI in Wasser unlöslich sind, erfolgt nur an der Phasengrenze zwischen beiden Flüssigkeiten die Polymerisation