Membrantrennung

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich tief im Dschungel, weit entfernt von jeglicher Zivilisation, und sind sehr durstig. Plötzlich stossen Sie auf einen Teich mit trübem Wasser. Zum Glück haben Sie ein kleines Membranfiltergerät in Ihrem Rucksack, mit dem Sie Bakterien und Verunreinigungen aus dem Wasser filtern können, um gefahrlos die benötigte Flüssigkeit zu sich zu nehmen. In einer solchen Situation gibt es vermutlich keine andere zuverlässige, lebensrettende Technologie, die so einfach und effektiv einsetzbar ist, wie die Membrantechnik.

Semipermeable Membranen

Die Membrantechnik ist eine Technik zur Trennung von flüssigen oder gasförmigen Stoffen mittels einer semipermeablen Membran. Sie nutzt unterschiedliche Durchlässigkeiten von synthetisch hergestellten Membranen für verschiedene Moleküle oder Ionen.

Membranen besitzen bestimmte Eigenschaften, die ausgenützt werden, um gezielt bestimmte Moleküle oder Partikel durchzulassen, während andere zurückgehalten werden.

Semipermeable Membranen werden für die Konzentration und Reinigung von Lebensmitteln, Getränken, Chemikalien und Arzneimitteln eingesetzt. Darüber hinaus ermöglichen Membranen die Herstellung künstlicher Organe, die gezielte Verabreichung von Medikamenten und die Entwicklung von Energieumwandlungssystemen.

Es gibt verschiedene Membrantechniken, wie Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), Umkehrosmose (RO) oder → Pervaporation (PV).

Die Mikrofiltration (MF) entfernt Bakterien und Kolloide, während die Umkehrosmose (RO) gelöste Na⁺ und Cl^- Ionen zurückhält.

Die in verschiedenen Anwendungen eingesetzten Membranen unterscheiden sich erheblich in ihrer Struktur, Funktion und den Betriebsweisen.

Im weitesten Sinne ist eine Membran eine Barriere, die zwei Bereiche voneinander trennt und den Stoffaustausch zwischen ihnen reguliert. Gleichzeitig ist die Membran selbst jedoch auch ein eigener Bereich, da sie eine innere Struktur besitzt – eine Matrix mit einer enorm grossen inneren Oberfläche.

Eine Membran kann homogen oder heterogen, isotrop oder anisotrop sein.

Technische Membranen verfügen lediglich über passive Transporteigenschaften und sind daher weniger selektiv als biologische Membranen. Dafür zeichnen sie sich durch eine hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität aus.

Die Selektivität synthetischer Membranen wird durch ihre poröse Struktur bestimmt, welche sowohl die Löslichkeit als auch die Diffusionsfähigkeit der gelösten Stoffe beeinflusst.

Die Vielfalt an Membranstrukturen und Antriebskräften hat zur Entwicklung einer breiten Palette unterschiedlicher Membranverfahren geführt. Diese reichen von druckgetriebenen Prozessen wie der Umkehrosmose, Mikro-, Ultra- und Nanofiltration bis hin zu elektrodialytischen Verfahren wie der Dialyse, Elektrodialyse und Donnan-Dialyse.

Weitere Verfahren wie die Pervaporation und Gastrennung nutzen spezielle Membraneigenschaften, um flüchtige oder gasförmige Stoffe zu trennen.

Darüber hinaus haben sich Anwendungen wie Membrankontaktoren, Membrandestillation, lösungsmittelbasierte Membranextraktionen und Membranreaktoren etabliert.

Jedes dieser Verfahren zeichnet sich durch spezifische Einsatzgebiete und Funktionsweisen aus, was zeigt, wie flexibel Membrantechnologien auf unterschiedliche industrielle Anforderungen reagieren können. Dabei ist die Wahl der Membranstruktur und Antriebskraft entscheidend, da sie massgeblich die Selektivität des jeweiligen Prozesses bestimmen.

Die Bandbreite an Anwendungen unterstreicht die Vielseitigkeit und Innovationskraft der Membrantechnologie, die in immer mehr Bereichen Einzug hält, von der Wasseraufbereitung bis hin zur chemischen und pharmazeutischen Industrie.

Membranprozesse - Modelle - Denken in Systemen

Ein Membranprozess muss als System verstanden werden, weil unzählige Faktoren in unterschiedlichen Dimensionen in Wechselwirkung stehen.

In der Membrantechnologie sind Modelle und Visionen unerlässlich.

Barry Richmond, einem führenden Vertreter des Systemdenkens und der Systemdynamik, ist es zu verdanken, dass der Begriff „Systemdenken“ geprägt wurde. Er schreibt (1991): Mit zunehmender Interdependenz müssen wir lernen, auf neue Weise zu lernen. Es reicht nicht aus, einfach immer schlauer zu werden, was unser spezielles „Stück vom Kuchen“ angeht. Wir brauchen eine gemeinsame Sprache und einen gemeinsamen Rahmen, um unser Spezialwissen, unsere Fachkenntnisse und Erfahrungen mit „lokalen Experten“ aus anderen Teilen des Netzes zu teilen. Wir brauchen ein System-Esperanto. Nur dann werden wir in der Lage sein, verantwortungsvoll zu handeln. Kurz gesagt: Interdependenz erfordert Systemdenken, Membrantechnik erfordert Systemdenken.

Allein die enormen Dimensionsunterschiede der Membrantechnologie verdeutlichen ihre Komplexität. Wir haben es sowohl mit unsichtbaren Phänomenen im Nanobereich als auch mit sichtbaren Herausforderungen wie beispielsweise einer Pumpe zu tun. Ein scheinbar kleiner Faktor, wie die Veränderung des pH-Wertes um nur 0,2 Einheiten, kann dazu führen, dass ein industrielles Membransystem nicht mehr richtig trennt. In der Folge muss eine Anlage abgeschaltet und aufwändig gereinigt werden. Dies führt zu enormen Unsicherheiten, da scheinbar unvorhersehbare Details in der Zusammensetzung des zu verarbeitenden Rohstoffs das Verhalten grosser Anlagen "kontrolliert".

Damit soll deutlich gemacht werden: Bereits geringfügige Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung oder in einer physikalischen Eigenschaft können massive Auswirkungen auf die Effizienz und Rentabilität eines Unternehmens haben. Hinter jedem System und jedem Prozess steckt eine tiefgreifende Komplexität, die oft erst dann sichtbar wird, wenn unerwartete Probleme auftreten und neue Herausforderungen gemeistert werden müssen.

Poren, Porengrösseverteilung, Porendichte

Der Begriff „Pore“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Öffnung“ oder „Loch“. Im Zusammenhang mit Membranen bezieht sich eine Pore auf eine Öffnung im Feststoff der Membran, die die Durchlässigkeit für Flüssigkeiten oder Gase ermöglicht.

Die Porengrösse, Porengrössenverteilung sowie die Porendichte, sind entscheidend für die Filtrationseigenschaften. Sie beeinflussen massgeblich die Geschwindigkeit, mit der gelöste Stoffe und Lösungsmittel durch eine Membran transportiert werden.

Verschiedene Polymere bieten unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften, wie Flexibilität, chemische Beständigkeit oder thermische Stabilität, die sich direkt auf die Struktur der Poren und damit auf die Leistungsfähigkeit der Membran auswirken.

Bei bestimmten Spezialmembranen, wie den spurgeätzten (Nukleoporen-) Filtern, lässt sich eine Pore relativ leicht definieren und mit einem einzigen Grössenparameter beschreiben. Diese Membranen folgen dem Modell zylindrischer Poren, bei dem man davon ausgeht, dass die Poren als parallele, nicht miteinander verbundene, zylindrische Kapillaren aufgebaut sind. Dieses Modell eignet sich jedoch nur für sehr spezifische Membranen und ist für die meisten Anwendungsfälle von begrenztem Nutzen.

Die meisten Ultrafiltrations- (UF) und Mikrofiltrationsmembranen (MF) weisen eine weitaus komplexere Porenstruktur auf, die sich nicht durch einfache zylindrische Kanäle beschreiben lässt. Stattdessen variieren die Porengrössen über einen bestimmten Bereich und sind niemals einheitlich. Die Membranstruktur unter der Oberfläche besteht aus einem dreidimensionalen, miteinander verbundenen Labyrinth, das aus zufällig verteilten Poren besteht. Dieses Netzwerk hat eigene Unregelmässigkeiten, wie „Käfige“ oder Sackgassen, die den Transport von Molekülen und Flüssigkeiten beeinflussen. In echten Membranen handelt es sich daher nicht um idealisierte zylindrische Poren, sondern um komplexe 3D-Porenmorphologien, die für den Transportprozess entscheidend sind.

Solche zufälligen Strukturen beeinflussen nicht nur die Durchlässigkeit und Selektivität der Membran, sondern auch die Neigung zur Fouling-Bildung. Diese komplexen Porennetzwerke tragen massgeblich dazu bei, wie eine Membran Stoffe trennen kann und wie robust sie in verschiedenen industriellen Anwendungen ist. Daher ist das Verständnis dieser unregelmässigen, dreidimensionalen Porenstruktur entscheidend für die Weiterentwicklung und Optimierung von Membranprozessen in der Praxis.

Kleine Poren verlangsamen den Transport, da grössere Moleküle schwieriger hindurchtreten können, während grössere Poren einen schnelleren Durchfluss ermöglichen, jedoch mit geringerer Selektivität. Die Porengrössenverteilung ist ein Schlüsselfaktor für die Trennleistung einer Membran. In vielen Anwendungen bestimmt die grösste Pore die Rückhaltefähigkeit, da grössere Moleküle durch diese Poren passieren können, während kleinere Poren eine feinere Filtration ermöglichen. Eine ungleichmässige Porengrössenverteilung kann zu einer geringeren Selektivität führen, da die grössten Poren den effektivsten Trennungsprozess bestimmen.

Die Oberflächenladung der Membran spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle, da sie Wechselwirkungen mit geladenen Teilchen in der Lösung beeinflusst, was zur Abstossung oder Anziehung von Ionen führen kann.

Darüber hinaus kann die Verteilung der Porengrössen – ob homogen oder inhomogen – dazu führen, dass bestimmte Moleküle selektiv zurückgehalten oder durchgelassen werden, was für die Trennung entscheidend ist. Während eine gleichmässige Porenstruktur zu einer kontrollierten und effizienten Filtration führt, kann eine ungleichmässige Verteilung zu unerwünschtem Durchlass von Molekülen führen.

Membranen, die in druckgetriebenen Trennverfahren eingesetzt werden, lassen sich grob nach ihrem Porendurchmesser unterscheiden: Umkehrosmose (RO, < 1 nm), Ultrafiltration (UF, 2-100 nm) und Mikrofiltration (MF, 100 nm bis 2 μm). Nanofiltrationsmembranen (NF), schliessen die Lücke zwischen RO- und UF-Membranen und finden in vielen Bereichen, wie der Wasseraufbereitung und der Lebensmittelindustrie, Anwendung. Die Porengrösse von NF-Membranen liegt typischerweise zwischen 1 und 2 nm.

Treibende Kraft, Druck

Damit etwas durch die Membran fliesst, braucht es eine treibende Kraft. Bei der druckbetriebenen Membrantechnik (MF, UF, NF, RO) ist dies die Druckdifferenz über die Membran.

Der Druckunterschied zwingt die Flüssigkeit durch die Membran, wobei die in der Flüssigkeit gelösten kleineren Moleküle sowie die Flüssigkeit selber durch die Poren hindurch passieren, während grössere Moleküle von der Membran zurückgehalten werden.

In das Membranmodul fliesst der Zulaufstrom. Dieser wird durch die Membran in die beiden Ströme Permeat und Retentat geteilt. Das Permeat entspricht dem Filtrat, das Retentat entspricht dem Konzentrat.

Fliessbild

T = Tank
P = Pumpe
MM = Membranmodul
Q_C1 = Zulauf Membranmodul [m³/h]
Q_C2 = Strom nach Membranmodul [m³/h]
Q_C3 = Rücklauf Tank [m³/h]
Q_P = Permeat [m³/h]
Q_R = Retentat [m³/h]

Gechichtliches

Es wird oft behauptet, dass sich die Membrantechnologie in einer Phase rasanter Innovation und Wachstum befindet. Das stimmt nicht. Die Konzepte, sind mindestens 60 Jahre alt und wurden seither nicht durch revolutionäre Innovationen oder grundlegend neue Erkenntnisse ersetzt. In den vergangenen Jahren wurden zwar viele neue Verfahren entwickelt, und auch heute wird kontinuierlich an ihrer Weiterentwicklung gearbeitet. Allerdings basieren all diese Prozesse auf bewährten Erkenntnissen und dem Wissen, das von früheren Generationen erarbeitet wurde.

Zu Beginn war die Membrantechnologie vor allem von wissenschaftlichem Interesse, mit nur wenigen praktischen Anwendungen. Doch ab den 1950er Jahren änderte sich dies grundlegend: Der Fokus verlagerte sich auf den praktischen Einsatz von Membranen in technisch relevanten Bereichen, und eine schnell wachsende, bedeutende Industrie rund um Membrantechnologie entstand.

Fortschritte in der Polymerchemie spielten dabei eine zentrale Rolle, da sie die Entwicklung zahlreicher synthetischer Polymere ermöglichten. Diese Polymere wurden für die Herstellung neuer Membranen genutzt, die nicht nur spezifische Transporteigenschaften aufwiesen, sondern auch eine ausgezeichnete mechanische und thermische Stabilität.

Die Transporteigenschaften von Membranen wurden durch eine umfassende Theorie beschrieben, die auf den Prinzipien der Thermodynamik irreversibler Prozesse basierte. Ein weiterer Ansatz zur Erklärung von Membranprozessen wurde durch spezifische Transportmodelle entwickelt, wie beispielsweise das Modell der Lösungs-Diffusions-Membran. Diese beiden theoretischen Ansätze legten den Grundstein für das Verständnis und die Optimierung moderner Membranverfahren.

Ein Meilenstein in der Membranwissenschaft und -technologie war die Entwicklung einer Umkehrosmosemembran auf der Basis von Celluloseacetat, die eine hohe Salzrückhaltung und einen hohen Durchfluss bei moderatem hydrostatischem Druck ermöglicht. Dies war ein grosser Fortschritt auf dem Weg zur Anwendung von Umkehrosmose-Membranen als wirksames Instrument für die Gewinnung von Trinkwasser aus dem Meer.

Eine der bedeutendsten Errungenschaften auf diesem Gebiet war die von Sidney Loeb und Srinivasa Sourirajan entwickelte "gehäutete" Zelluloseacetatmembran. Diese Membran, die heute in Anwendungen wie der Umkehrosmose, Ultrafiltration und Gastrennung verwendet wird, war wegweisend für die Membrantechnologie.

Die besondere Innovation dieser Membran lag in ihrer asymmetrischen Struktur: Eine dünne, dichte Hautschicht an der Oberfläche war für die Selektivität und den Durchfluss verantwortlich, während eine hochporöse Unterstruktur für die mechanische Stabilität sorgte. Diese Kombination ermöglichte es, hohe Flussraten mit präziser Trennleistung zu verbinden, was die Basis für viele moderne Membranprozesse bildete.

Ergänzend lässt sich sagen, dass diese Entwicklung nicht nur den Durchbruch in der Umkehrosmose-Technologie ermöglichte, sondern auch den Weg für die kommerzielle Nutzung der Membrantechnologie in zahlreichen Industrien ebnete. Die Fähigkeit, Membranen mit hoher Selektivität und gleichzeitig hoher Durchflussrate zu erzeugen, war ein entscheidender Faktor für die Skalierbarkeit und Effizienz heutiger Membranverfahren. Loebs und Sourirajans Membranstruktur ist bis heute das Modell für viele nachfolgende Entwicklungen in der Membrantechnologie.

Die Herstellung asymmetrischer Celluloseacetatmembranen basiert auf einem Phaseninversionsprozess, bei dem eine homogene Polymerlösung in ein Zweiphasensystem umgewandelt wird. In diesem Prozess entsteht eine feste, polymerreiche Phase, die das Gerüst der Membran bildet, sowie eine polymerarme Phase, die die flüssigkeitsgefüllten Poren der Membran formt. Diese Technik ermöglichte die Entwicklung der ersten funktionalen Membranen, die in der Umkehrosmose und anderen Trennverfahren Anwendung fanden.

Mit den Fortschritten in der Polymerchemie wurden bald auch andere synthetische Polymere wie Polyamide, Polyacrylnitril, Polysulfon und Polyethylen zur Membranherstellung eingesetzt. Diese Materialien boten im Vergleich zu Celluloseestern oft eine bessere mechanische Festigkeit, sowie eine höhere chemische und thermische Stabilität, was sie besonders für anspruchsvolle industrielle Anwendungen geeignet machte. Trotz dieser Verbesserungen blieb Celluloseacetat bis zur Einführung der grenzflächenpolymerisierten Kompositmembranen das dominante Material für Umkehrosmosemembranen.

Die Entwicklung von Kompositmembranen, die durch die Grenzflächenpolymerisation hergestellt werden, markierte einen bedeutenden Fortschritt. Diese Membranen wiesen einen wesentlich höheren Durchfluss, eine bessere Rückhaltung von gelösten Stoffen sowie eine verbesserte chemische und mechanische Stabilität im Vergleich zu den frühen Celluloseacetatmembranen auf. Sie setzten sich rasch als Standard in der Umkehrosmose-Entsalzung durch.

Die ersten Membranen, die für Anwendungen wie die Umkehrosmose-Entsalzung entwickelt wurden, wurden in Form flacher Platten hergestellt und in sogenannten Spiralwickelmodulen verbaut. Mit der Weiterentwicklung effizienter Membranen rückte auch die Entwicklung geeigneter Membrangehäuse, der sogenannten Module, in den Fokus. Wichtige Kriterien bei der Modulentwicklung waren eine hohe Packungsdichte der Membranen, Zuverlässigkeit, einfacher Austausch der Membranen, die Kontrolle der Konzentrationspolarisation und die Reduzierung der Betriebskosten.

Es entstanden vier Hauptkonfigurationen von Membranen: (a) Sprialwickelmodule, (b) Plattenmodule, (c) Hohlfasermodule und (d) Rohrmodule.

Weltweit dominant sind spiralgewickelte Module in Ultrafiltrations-, Nanofiltrations- und Umkehrosmoseanlagen, da sie eine kompakte Bauweise bieten und preislich attraktiv sind.

Hohlfasermembranmodule finden vor allem in der Biotechnologie, Gastrennung und der Pervaporation Anwendung.

Rohrmembranen werden vor allem in der Mikro- und Ultrafiltration eingesetzt, da sie aufgrund ihrer robusten Bauweise ideal für industrielle Anwendungen mit hoher Partikelbelastungen sind.

Die Evolution der Membrantechnologie, angetrieben durch Fortschritte in der Materialwissenschaft, hat die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit dieser Trennverfahren erheblich gesteigert. Heute sind Membranen ein unverzichtbarer Bestandteil zahlreicher industrieller Prozesse, von der Wasseraufbereitung bis hin zur chemischen Produktion.