1. Einleitung
Membranverfahren finden heute in unterschiedlichsten Bereichen der Industrie Anwendung.
Eine Membran ist definiert als „selektive Barriere zwischen zwei Phasen“.
Membranen können nach der Art ihrer Herstellung, der Porosität und dem verwendeten
Material eingeteilt werden. Daher teilt man sie grob in biologische und synthetische
Membranen ein. Der Stofftransport durch eine Membran kann aktiv oder passiv erfolgen und
durch Druck-, Konzentrations- oder Temperaturdifferenz angetrieben werden [1].
Die Nanofiltration stellt einen Teilbereich der Membrantechnik dar. Nanofiltration wird im
einfachsten Fall als „Prozess zwischen Ultrafiltration und Umkehrosmose“ beschrieben [2].
Die IUPAC empfahl 1996 in der „Terminology for membranes and membrane processes“ für
die Nanofiltration folgende Definition: „pressure-driven membrane-based separation process
in which particles and dissolved molecules smaller than about 2 nm are rejected”. [3]
Zielsetzung dieser Arbeit ist es, einen Überblick über die gängigen Technologien und
Beispiele für Anwendungen der Nanofiltration zu geben. Außerdem sollen einige Methoden
zur Membrancharakterisierung in Theorie und Praxis erläutert werden.
Im theoretischen Teil der Arbeit wird ein Materialienüberblick über
Nanofiltrationsmembranen gegeben, gefolgt von einem Kapitel zur Membransynthese. Im
Folgenden werden praktische Anwendungen der Nanofiltration präsentiert. Ein wichtiges
Thema in der Membranforschung ist die Leistungscharakterisierung und die
Oberflächencharakterisierung von Nanofiltrationsmembranen.
Ein praktisches Problem bei allen Filtrationsprozessen ist die Leistungsabnahme der
Membran mit der Zeit, das wird als „Fouling“ bezeichnet. Optimale Fouling-Eigenschaften
werden durch spezielle Konstruktion von Membranmodulen und Auswahl geeigneter
Membranmaterialien für einen Filtrationsprozess erreicht. Nach der Membran selbst, ist das
Membranmodul in jedem Membranprozess die nächste größere Organisationseinheit. Im
praktischen Teil der Arbeit wurde ein Membranmessstand zur Prozesssimulation gebaut, zwei
Nanofiltrationsmembranen wurden mittels Kontaktwinkelmessungen charakterisiert und
Zetapotentialmessungen der Membranoberflächen durchgeführt. Weiters wurden
elektronenmikroskopische Aufnahmen des Membranmaterials gemacht.
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
TABELLENVERZEICHNIS
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
GLOSSAR
1. EINLEITUNG
2. HAUPTTEIL
2.1. Theoretischer Teil
2.1.1. Polymere für Nanofiltrationsmembranen
2.1.2. Membransynthese
2.1.3. Beispiele für Anwendungen von Nanofiltration in der Industrie
2.1.3.1. Trinkwasseraufbereitung
2.1.3.2. Lebensmittelindustrie
2.1.3.3. Chemischen Industrie
2.1.4. Fouling
2.1.4.1. Membranautopsie
2.1.4.2. Verhinderung von Fouling
2.2. Praktischer Teil
2.2.1. Einführung: Das untersuchte Membranmaterial
2.2.2. Membranmessstand zur Prozesssimulation
2.2.2.1. Experimenteller Aufbau
2.2.2.2. Messungen NF 90 und NF PES 10 Membranen
2.2.2.3. Diskussion des experimentellen Aufbaus
2.2.3. Kontaktwinkelmessungen NF 90 und NF PES 10 Membranen
2.2.4. Zetapotentialmessungen
2.2.4.1. Definition des Zetapotentials
2.2.4.2. Zetapotential-Messtechnik
2.2.4.3. Messergebnisse
2.2.5. Diskussion der Ergebnisse
3. ZUSAMMENFASSUNG
4. QUELLEN- UND LITERATURVERZEICHNIS
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Membrantypen: Herstellung und Anwendung nach
Abbildung 2: Flussdiagramm Trinkwasseraufbereitung mittels Nanofiltration
Abbildung 3: Strukturformeln der Membranpolymere
Abbildung 4: SEM-Bild von NF 90
Abbildung 5: SEM Bild von NF 90
Abbildung 6: SEM-Bild von PES 10
Abbildung 7: SEM-Bild von PES-10
Abbildung 8: Zwei Arten Filtrationen durchzuführen: Dead-End und Cross-Flow (Nach Mulder )
Abbildung 9: experimenteller Aufbau des Membranmessstandes:
Abbildung 10: Schematischer Querschnitt durch die Druckkammer des Viskosimeters
Abbildung 11: Einlegen einer zugeschnittenen Membran
Abbildung 12: kompletter Versuchsaufbau für die Vermessung einer Membran
Abbildung 13: Explosionszeichnung der verwendeten Messzelle
Abbildung 14: Kalibrierfunktion für die Leitfähigkeitsmessung mit KCl-Lösung
Abbildung 15: Brechungsindex Glucoselösung
Abbildung 16: Kalibriergerade des Brechungsindex zwischen 0 und 0,5 g/L Glucose
Abbildung 17. Reinwasserfluss durch PES 10
Abbildung 18: Reinwasserfluss durch NF 90
Abbildung 19: Messergebnisse dreier Komprimierungsversuche mit dH2O mit NF 90
Abbildung 20: Rf-Werte der PES-10 Membran für 0,01 M KCl-Lösung bei unterschiedlichen Drücken
Abbildung 21: Rf-Werte und Durchflüsse für NF 90 mit einer 1 g/L Glucose-Lösung als Feed ..
Abbildung 22: Verblockungskinetik; Flow PES 10 mit Feed 1 g/L Glucse
Abbildung 23: Verblockungskinetik; Flow und Rf NF 90 mit Feed 1 g/L Glucose
Abbildung 24: Tropfenbild eines Wassertropfens auf einer Membranoberfläche
Abbildung 25: Schema einer Sessile-Drop-Messung aus Literaturquelle26
Abbildung 26: Electrokinetic Analyzer von Anton Paar zur Bestimmung des Zetapotentials an Membranen
Abbildung 27: Messzelle des EKA von Anton Paar für Membranen
Abbildung 28: 0,001 M KCl-Zulauf-Lösung für das EKA-Gerät, die während des Experimentes titriert wurde
Abbildung 29: Zetapotentialdaten für NF 90
Abbildung 30: Zetapotentialdaten für PES-10
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Filtrationseigenschaften der NF im Bezug auf die Trinkwasseraufbereitung
Tabelle 2: Kontaktwinkeldaten von dH2O auf NF 90 und PES-10
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
GLOSSAR
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1. Einleitung
Membranverfahren finden heute in unterschiedlichsten Bereichen der Industrie Anwendung. Eine Membran ist definiert als „selektive Barriere zwischen zwei Phasen“. Membranen können nach der Art ihrer Herstellung, der Porosität und dem verwendeten Material eingeteilt werden. Daher teilt man sie grob in biologische und synthetische Membranen ein. Der Stofftransport durch eine Membran kann aktiv oder passiv erfolgen und durch Druck-, Konzentrations- oder Temperaturdifferenz angetrieben werden1. Die Nanofiltration stellt einen Teilbereich der Membrantechnik dar. Nanofiltration wird im einfachsten Fall als „Prozess zwischen Ultrafiltration und Umkehrosmose“ beschrieben2. Die IUPAC empfahl 1996 in der „Terminology for membranes and membrane processes“ für die Nanofiltration folgende Definition: „pressure-driven membrane-based separation process in which particles and dissolved molecules smaller than about 2 nm are rejected”.3 Zielsetzung dieser Arbeit ist es, einen Überblick über die gängigen Technologien und Beispiele für Anwendungen der Nanofiltration zu geben. Außerdem sollen einige Methoden zur Membrancharakterisierung in Theorie und Praxis erläutert werden.
Im theoretischen Teil der Arbeit wird ein Materialienüberblick über Nanofiltrationsmembranen gegeben, gefolgt von einem Kapitel zur Membransynthese. Im Folgenden werden praktische Anwendungen der Nanofiltration präsentiert. Ein wichtiges Thema in der Membranforschung ist die Leistungscharakterisierung und die Oberflächencharakterisierung von Nanofiltrationsmembranen.
Ein praktisches Problem bei allen Filtrationsprozessen ist die Leistungsabnahme der Membran mit der Zeit, das wird als „Fouling“ bezeichnet. Optimale Fouling-Eigenschaften werden durch spezielle Konstruktion von Membranmodulen und Auswahl geeigneter Membranmaterialien für einen Filtrationsprozess erreicht. Nach der Membran selbst, ist das Membranmodul in jedem Membranprozess die nächste größere Organisationseinheit. Im praktischen Teil der Arbeit wurde ein Membranmessstand zur Prozesssimulation gebaut, zwei Nanofiltrationsmembranen wurden mittels Kontaktwinkelmessungen charakterisiert und Zetapotentialmessungen der Membranoberflächen durchgeführt. Weiters wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen des Membranmaterials gemacht.
2. Hauptteil
2.1. Theoretischer Teil
Der theoretische Teil der Arbeit soll einen Überblick über einige Theorien zur Nanofiltration geben. Einige praktische Anwendungen der Membranen werden erläutert. Membranen können in biologische und synthetische Membranen unterteilt werden. Synthetische Membranen, um die es in dieser Arbeit geht, können aus organischen oder anorganischen Materialien gefertigt werden. Im Folgenden werden Eigenschaften von Polymeren vorgestellt, die für die Fertigung von Nanofiltrationsmembranen relevant sind.
2.1.1. Polymere für Nanofiltrationsmembranen
Die Eignung von Polymeren als Membranmaterialien hängt von verschiedenen Polymereigenschaften ab: Molmasse bzw. Molmassenverteilung, Vernetzungsgrad, Stereoisomerie, Flexibilität der Ketten, Verschlaufung, Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten und Glasübergangstemperatur.
Gleiche Porengrößenverteilungen bei unterschiedlichen Membranmateriealien ergeben ähnliche Reinwasserflüsse. Natürlich unterscheiden sich die beiden Membranen dann sowohl in chemischer und thermischer Stabilität, als auch hinsichtlich Oberflächeneffekte wie Adsorption und Benetzbarkeit.
Die Glasübergangstemperatur Tg ist die Temperatur, bei der das Polymer von einem glasartigen (spröden und energieelastischem1 ) in einen gummiartigen (weichen entropieelastischen2 ) Zustand übergeht.
Am Tg reicht die Temperatur um die Einschränkung der Rotation durch große Seitenketten bzw. Wechselwirkungen zwischen den Ketten zu überwinden. Daher sind die Kettenflexibilität bzw. die Wechselwirkung zwischen den Ketten wichtig für die Höhe der Tg. Einige physikalische Eigenschaften, wie spezifisches Volumen3, spezifische Dichte4, Brechungsindex und Permeabilität ändern sich mit der Temperatur.
Das spezifische Volumen eines Polymers steigt mit der Temperatur und weist einen Sprung am Tg auf. Das freie Volumen ist jenes Volumen, das nicht durch Polymerketten eingenommen wird. Das nicht-freie Volumen ist das Van-der Waals-Volumen der Atome und das Ausschlussvolumen. Unter Tg bleibt das freie Volumen konstant, darüber findet ein linearer Anstieg statt (siehe Gleichung 1)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
In Gleichung 1 ist vf der freie Volumenbruch, die Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten5 über und unter dem Tg. Das freie Volumen ist wichtig um Transportprozesse durch Membranen zu beschreiben. Elastomere, die einen eher niedrigen Tg aufweisen, zeigen oft eine hohe Permeabillität für Gase.
Die Tg steigt, wenn aromatische Substituenten bzw. sehr große Substituenten in der Polymerkette vorliegen. Die Tg steigt auch mit der Anzahl der Doppelbindungen im Polymer. Der Einfluss der Polarität der Seitenketten kann dadurch veranschaulicht werden, dass im Vergleich Polypropylen, Polyvinylchlorid und Polyacrylnitril gleich große Substituenten, mit in dieser Reihenfolge ansteigender Polarität haben und die Tg aufgrund der steigenden Wechselwirkungen ansteigt.
Am Tg ändern sich auch die mechanischen Eigenschaften drastisch. Als Beispiel ist der Zugmodul E zu nennen. Der Zugmodul ist definiert als angelegte Kraft an einer Fläche A, die notwendig ist um eine bestimmte Verformung zu erzielen und trägt die Einheit Pascal. Der Zugmodul ändert sich für vollkommen kristalline Polymere zwischen Tg und der Schmelztemperatur Tm fast nicht. Bei semi-kristallinen Polymeren ist die Änderung stärker bzw. bei amorphen Polymeren am größten.4
Die Bauart der Membran spielt eine wesentliche Rolle für die Anwendung. Der häufigste Typ ist der der asymmetrischen Membran. Asymmetrisch bedeutet hier, dass eine dünne Schicht einer Dicke von 0,1 - 0,5 µ m mit sehr niedriger Porengröße, auf einer dickeren Stützschicht mit höherer Porengröße, die ca. 50 - 150 µ m dick ist liegt. Dieser Membrantyp gestattet die hohe Selektivität einer sehr dichten Membran und die hohe Durchflussrate einer dünnen Membran.5
Die Dicke der Membran kann natürlich nicht ad infinitum zu Gunsten der Durchflussrate verkleinert werden, weil sie natürlich einer gewissen Druckdifferenz standhalten sollte. Welche Polymere kommen nun für die Fertigung von Nanofiltrationsmembranen in Frage?
Die ersten Membranpolymere, die um 1970 für Nanofiltrationsmembranen verwendet wurden, waren Cellulose Acetat, Cellulose Ester und verschiedene Polystyren-Derivate6. Ziel der Forschung war es, einen Membrantyp zu schaffen, der ein hohes Rückhaltevermögen für kleine organische Moleküle, wie zum Beispiel Sucrose und mehrfach geladene Ionen hatte, jedoch für einwertige Salze permeabel war. Dieser Membrantyp wurde als „offene Umkehrosmose-“ bzw. „dichte Ultrafiltrationsmembran“ bezeichnet.6 Des weiteren werden aromatische Polyamide, Polysulfone, Polyethersulfone, substitutierte Polyvinylalkohole, Polyacrylnitrile und Polyphenylenoxide verwendet, um nur eine Auswahl an Polymeren zu geben. Diese Polymere können unterschiedlichen Modifikationen unterworfen werden. Bei Drücken um 10 bar liegt die Reinwasserflussrate bei ca. 10 bis 100 l/(m2 h). Zusätzlich können Nanofiltrationsmembranen aus anorganischen Materialien wie - Aluminiumoxid, Titandioxid, Hämatit oder Mischungen aus organischen und anorganischen Materialien erstellt werden. Ein Beispiel für eine Mischung von organischen und anorganischen Materialien wäre Zirkonoxid auf Polyphosphazen.7
2.1.2. Membransynthese
Polymermembranen können grundsätzlich als Flach-, oder Hohlfadenmembranen gefertigt werden. Abbildung 1 zeigt schematisch, eine Übersicht von Geometrie, Struktur, Herstellung, Trennschichtstruktur und Anwendung einiger Membrantypen nach Literaturquelle8.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Membrantypen: Herstellung und Anwendung nach8
Kommerzielle Polymermembranen wurden bereits ab 1920 in Deutschland von Sartorius hergestellt und vertrieben. Erst die Entwicklung der asymmetrischen Membranen machte einen hohen Fluss möglich. Eine gängige Methode zur Herstellung von asymmetrischen Membranen ist der „Phaseninversions-Prozess“8.
Der Phaseninversionsprozess ist das Einleiten der Entmischung einer zuvor homogenen Polymerlösung. Diese Entmischung kann durch Temperaturänderung, Eintauchen der Lösung in ein Bad eines nicht-Lösungsmittels (nasser Prozess) oder durch Aussetzen der Lösung einer nicht-Lösungsmittelatmosphäre (trockener Prozess) erfolgen.
Beim thermischen Prozess dient meist ein Monomer bei hoher Temperatur als Lösungsmittel und als nicht-Lösungsmittel bei niedriger Temperatur. Durch Ausbilden der symmetrischen porösen Struktur, wird das Monomer aus dem Gemisch entfernt.
Der isothermale Prozess ist von größerer wirtschaftlicher Bedeutung und führt zu asymmetrischen Membranen. Die Polymerlösung wird dabei in ein nicht-Lösungsmittel eingebracht und das Polymer fällt an der Grenzfläche zwischen Lösungsmittel und nicht- Lösungsmittel aus. Die polymerreiche Fraktion bildet die Matrix, während die polymerarme die Poren bildet. Die Thermodynamik von Phaseninversionsprozessen führt oft zu kontroversen Diskussionen in der einschlägigen Fachliteratur. Asymmetrische Strukturen kommen zu Stande, weil der „Lösungsmittel-nicht-Lösungsmittel-Austausch“ zu unterschiedlichen Startbedingungen der Phasentrennung in unterschiedlichen Schichten führt. Es kommt zur Ausbildung einer schwammartigen Struktur. 9
2.1.3. Beispiele für Anwendungen von Nanofiltration in der Industrie
Die Stärke der Membrantrennverfahren liegt darin, dass sie, mit Ausnahme der Pervaporation ohne eine Phasenänderung funktionieren. Daher benötigen sie weniger Energie für den Trennprozess. Die Produkverarbeitung kann bei Umgebungstemperatur oder auch unter Schutzgasatmosphäre erfolgen, was für einige oxidationsempfindliche Produkte sinnvoll ist. 10
Für Anwendungen bei denen Ultrafiltrationsmembranen zu weit bzw.
Umkehrosmosemembranen zu dicht wären, um ein Trennproblem zu lösen, bietet sich die Nanofiltration als Alternative an. Umkehrosmosemembranen könnten grundsätzlich immer verwendet werden, aber es würden mit den organischen Verunreinigungen auch alle Salze abgetrennt werden. Generell wird die Nanofiltration verwendet, um höherwertige Salze und Substanzen mit einem Molekulargewicht über 300 g/mol abzutrennen. Darüber hinaus sind geringere Drücke nötig, als bei der Umkehrosmose, wodurch das Verfahren günstiger wird. Nanofiltration findet in verschiedenen Industriebereichen Anwendung: Aufreinigung von Textilabwässern oder Farbstoffen und Pigmenten, Wasserenthärtung oder Aufreinigung, Entfernung von Milchsäure aus Fermentationsbrühen oder Molke, sowie spezielle Anwendungen in der Papierindustrie.7
Die Nanofiltration löste einige traditionelle Prozesse, wie Extraktion, Evaporation und Destillation ab, das Verfahren kann auch zur Fraktionierung von kleinen Molekülen in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden. Auch zur Trinkwasseraufbereitung kann Nanofiltraion eingesetzt werden, um die Härte herabzusetzen und unerwünschte organische Moleküle zu entfernen. In der Galvanikindustrie können Schwermetalle, die als mehrwertige Ionen vorliegen, abgetrennt und wieder gewonnen werden. Die Abtrennung von Antibiotika aus Fermentationsbrühen, wäre eine weitere Anwendung.
Ein Beispiel aus der Farbstoffindustrie in Taiwan zeigt die Anwendbarkeit der Nanofiltration.
In der Farbstoffindustrie wird meist über chemische Reaktionen ein Farbstoff synthetisiert, der nach der chemischen Synthese und Präzipitation aufgereinigt wird. Bei der Aufreinigung sollen Salze abgetrennt werden, die aus der Synthese stammen und zu ca. 30 w% im Endprodukt enthalten sind. Durch Diafiltration und anschließendes Aufkonzentrieren mit Nanofiltration und abschließender Sprühtrocknung lässt sich das Trennproblem gut lösen. 11
Die folgenden Kapitel sollen einige Anwendungen der Nanofiltration näher ausführen.
2.1.3.1. Trinkwasseraufbereitung
Die Nanofiltration stellte für längere Zeit ein zu teures Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung dar. Trinkwasser ist ein relativ billiges Gut ist wofür die Anschaffung und Instandhaltung von Membrananlagen zu teuer war. Erfolge in der Forschung und Standardisierungen bei Membranmodulen, führten zur Reduktion dieser Kosten und machten die Anlagen produktiver. Für die Trinkwasseraufbereitung durch Nanofiltration spricht, dass in einem Schritt gelöste organische („Micropollutants“, Nebenprodukte aus der Desinfektion, usw.) und anorganische Stoffe abgetrennt werden können. Die Nanofiltration stellt am Trinkwasser-Sektor eine bedeutende Konkurrenz zur Umkehrosmose dar, weil diese bei höherem Rückhaltekoeffizienten und niedrigerem Durchfluss größere Drücke benötigt. Das macht die Umkehrosmose sowohl in Anschaffung, als auch in der Erhaltung der Anlagen teurer. Die folgende Tabelle soll einen Überblick über die relevanten Trenneigenschaften der Nanofiltration für die Trinkwasseraufbereitung geben:
Tabelle 1: Filtrationseigenschaften der NF im Bezug auf die Trinkwasseraufbereitung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Als „Feed“ kann jedes nicht allzu salzige Grund- oder Oberflächenwasser verwendet werden. Für Brackwasser (sehr salzhaltig) ist die Nanofiltration nicht zu empfehlen, weil Na+ und Cl- im allgemeinen am schlechtesten retardiert werden können. Das Design der Reinigungsanlage hängt von den Faktoren Feedwasser, gewünschter Permeatqualität und Vor- und Nachbehandlung ab. Um geeignete Membranen zu finden werden Versuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Das Feedwasser sollte auf möglichst viele Parameter geprüft werden. Die Ionenkonzentrationen müssen ermittelt werden, um das Scaling-Potential und das Korrosionspotential des zu behandelnden Wassers zu ermitteln. Für jahreszeitenabhängig schwankende Parameter, wie Temperatur und Pestizidkonzentrationen, müssen Grenzwerte gefunden werden. Die wichtigsten Parameter, die für das Feedwasser zu bestimmen wären: Temperatur, pH-Wert, TDS (Total Dissolved Solids), Basizität, Sulfat, Chlorid, Fluoridgehalt, Nitrat, Orthophosphat, Kalzium, Ammonium, Barium, Strontium, Eisen, Mangan, Aluminium, Kieselsäure, Sulfid, Farbe, TOC (Total Organic Carbon) und die bioabbaubare Fraktion BDOC (Biodegradeable Organic Carbon), freies Chlor, Bakterienzahl, Dichte und SDI (Silt Density Index).
Es werden vorwiegend drei Membrantypen und Modulbauarten für die Trinkwasseraufbereitung durch Nanofiltration verwendet:
- Breitbandverbund-komposit Membranen7 in Spiralwickelmodulen8
- Breitbandverbund-asymmetrische Membranen9 in Spiralwickelmodulen
- Röhrenmodule10
Die Nanofiltration wird bei der Wasseraufbereitung aber immer nur einen Teilschritt darstellen. Üblicherweise umfaßt eine vollständige Wasseraufbereitungsanlage die CIP- unit11, um die Membranfläche zu reinigen, die Nanofiltrationseinheit selbst und die Nachbehandlung. Abbildung 2 zeigt ein Flussdiagramm, für eine Trinkwasseraufbereitung mit Nanofiltration12.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Flussdiagramm Trinkwasseraufbereitung mittels Nanofiltration12
Im Bereich der Vorbehandlung soll das Fouling-Potential des Feedstroms, suspendierte Feststoffe, Kolloide und andere Komponenten, die Fouling verursachen können reduziert werden. Die Nachbehandlung umfasst Korrosionskontrolle (die Einstellung des LSI12 ) und einen Desinfektionsschritt, der zur Sicherheit angewendet wird.
Die Membranmodule für die Trinkwasseraufbereitung arbeiten bei Drücken zwischen 4,5 und 8 bar.
Die weltweit größte Nanofiltrationsanlage steht in Méry-sur-Oise in der Nähe von Paris und hat eine Kapazität von 140.000 m3 /d. Als Feed dient das Wasser aus dem Fluß Oise. Die Anlage versorgt ca. 800.000 Bewohner der nordwestlichen Vorstädte von Paris, die Anlage besteht aus 7 Aufbereitungseinheiten:
1. Actiflo® Klärbecken (Koagulation, Flockulation, lamellarer Klärkasten)
2. Ozonisierung
3. Dual-Media Filtration mit in-line Koagulans-Injektion
4. Cartridge-Filtration mit Reinigung möglich)
5. Nanofiltration
6. CO2-Stripping
7. UV-Desinfektion
6 µ m cut-off (rückwaschbare Mikrofiltration, chemische
Zwei Membranmaterialien kamen zum Einsatz. Erst wurde die NF 70 und dann die NF 200B von Dow Chemicals verwendet.12
2.1.3.2. Lebensmittelindustrie
Die Nanofiltration findet bei der gleichzeitigen Aufkonzentrierung organischer Stoffe und Entsalzung von von niederwertigen Ionen in der Lebensmittelindustrie Anwendung. Molke, ein Nebenprodukt der Käseherstellung, wird durch Abziehen des Wassers aufkonzentriert. Durch Sprühtrocknung wird daraus Molkepulver hergestellt. Die Nanofiltration ist schonender, als das Abdampfen von Wasser und führt zu geringerer Denaturierung der enthaltenen Proteine.
Einige Beispiele für die Anwendung von Nanofiltration in der Lebensmittelindustrie wären:
- Entsalzung und Aufkonzentrieren von Ultrafiltrationmolkepermeat13
- Modifikation von Magermilch
- Aufbereiten von Cleaning in Place-Lösungen (CIP)
- Abtrennen von Phosphaten aus Ionentauschersäulen
- Aufreinigen von Lösungen aus der Zuckerentfärbung
- Reinigung von Dextrose Sirup
- Entsalzung von Ultrafiltrationspermeat aus Rohrzucker- oder Rübenzuckerfiltration
- Filtration von Ab- und Kühlwässern aus der Flaschenreinigung
Bei der Herstellung von Speisezucker muss der dünne Zuckersaft durch Evaporation des Wassers aufkonzentriert werden, um dann einer Kristallisation unterworfen zu werden. Das Vorkonzentrieren des Zuckersaftes vor der Evaporation führt zu einer höheren Produktionsrate. Das Abziehen des Wassers ist in dem Fall geschwindigkeitsbestimmend. Die Prozessumstellung auf Filtration führt zu einer Einsparung von Energie bei Erhöhung der Zuckerausbeute. Die Kristallisationslösung enthält weniger Verunreinigungen durch nicht- Zucker Komponenten.
Der hohe osmotische Druck des dünnen Zuckersaftes (ca. 20 bar) und der niedrige osmotische Druck des Permeates erzwingen hohe Filtrationsdrücke von 30 - 40 bar. Um sich das wiederholte Aufheizen und Abkühlen bei der Zuckerherstellung zu ersparen und das Bakterienwachstum einzuschränken, werden durchgehend Temperaturen von ca. 95°C gehalten.
Neuere Anwendung finden Nanofiltrationsprozesse in der Herstellung von Speiseölen aus Gemüse. Diese Herstellung hat in der Regel folgende Abläufe: Vorbereiten der entsprechenden Ölsamen, Transport der Samen zur Ölextraktionsanlage, Verwendung von Hexan als Extraktionsmittel. Der Großteil des Hexans wird abgedampft. Zusätzliche Verfahren um verbliebene Hexan-Rückstände quantitativ abzutrennen, Entfernung der Phospholipide folgen. Danach folgt die pH-Einstellung mit NaOH-Lösung um freie Fettsäuren und ausgefallene Phospholipide durch Zentrifugieren abzutrennen. Bleichen und Deodorierung durch Vakuum-Dampf-Stripping sind der Abschluß des Herstellungsprozesses.
Die Nanofiltration könnte bei folgenden Schritten zu Einsparungen von Energie und Rückgang von Ölverlusten führen:
- lösunsmittelbasierte Abtrennung der Phospholipide
- direkte Entfernung der Phospholipide
- Entsäuerung
Ein weiteres Einsatzgebiet der Nanofiltration ist die kontinuierliche Herstellung von Käse.
Nanofiltration wird hier in Kombination mit Ultrafiltration eingesetzt, um die Milch auf einen Feststoffanteil von 29 % aufzukonzentrieren. Das Konzentrat verfügt dann über einen 2,5-3 mal höheren Casein-Anteil, als die ursprüngliche Milch. Der Geschmack des so hergestellten Käses ist vergleichbar mit dem diskontinuierlich hergestellten.
Die Filtration und Rezyklierung von Prozesswässern aus der Lebensmittelindustrie spielt eine immer bedeutendere Rolle. In manchen Ländern wird Trinkwasser immer teurer und schwieriger in großen Mengen zu bekommen. Hingegen steigen die Preise für die Entsorgung von Prozessabwässern. Einige Staaten schreiben vor, dass Prozesswasser, welches in direkten Kontakt mit dem Produkt kommt, Trinkwasserauflagen genügen muss. Nanofiltration kann dazu eingesetzt werden, um niedrig kontaminiertes Wasser wieder auf den entsprechenden Standard zu bringen. Prozesswässer mit hohem COD14, wie zum Beispiel NF-Permeat aus der Molkefiltration kann durch Umkehrosmose weiter aufgereinigt werden.
[...]
1 dieser Bereich ist auch als Glasbereich bekannt
2 das ist der gummielastische Bereich
3 das spezifische Volumen ist der Kehrwert der Dichte
4 die spezifische Dichte ist das Verhältnis der Dichte eines Stoffes zu seiner Dichte im Normzustand 9
5 Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist definiert als [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
6 zwei Beispiele wären Natrium-Polystyrensulfonat-Polyvinylbenzyltriethylammoniumchlorid und NatriumPolystyrensulfonat-Polyvinylbenzyltriethylammoniumchlorid
7 Engl.: flat sheet composite membranes
8 Engl.: spiral wound module
9 Engl.: flat sheet asymmetric membranes
10 Engl.: tubular membrane modules
11 CIP: clean in place
12 LSI: Langelier Saturation Index; ein umstrittener Index der die Carbonatsättigung angibt und der mit Korrosiosnfähigkeit von Wasser in Verbindung gebracht wird
13 Die Ultrafiltration wird eingesetzt um Lactose und Salze aus der Molke zu entfernen 18
14 COD: Chemical Oxygen Demand [mg/L]
- Quote paper
- Johannes Hofer (Author), 2010, Prozess der Nanofiltrationsmembrantechnologie und Charakterisierung von Nanofiltrationsmembranen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/191293
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