Ziel der Entwicklung

Ein grundlegendes Problem membranbasierter Filtrationsprozesse der Trennstufen Mikro- und Ultrafiltration ist das Fouling der zum Einsatz kommenden Porenmembranen. Zusammenfassend sind darunter die Prozesse Biofilm- und Deckschichtbildung sowie Porenadsorption und -verblockung zu verstehen, die eine dauerhafte Verringerung der Filtrationsleistung zur Folge haben. Die Zielstellung des vorliegenden F&E-Projekts bestand in der Entwicklung und Evaluierung eines Verfahrens zur Beeinflussung der laminaren Grenzschicht bei der Filtration von Abwässern der Brau-, Malz- und Spirituosenindustrie in trocken aufgestellten Kapillarmodulen der Trennstufen Mikro- und Ultrafiltration, um das Membranfouling zu minimieren. Dies soll im Wesentlichen auf Basis der Beeinflussung der laminaren Grenzschicht mittels gegenphasiger, pulsartiger Anregung von Feed und Permeat zur Resonanzschwingung während des Filtrationsereignisses im Niederdruck- (TMP < 1 bar) und Niederströmungsbereich (≤ 0,5 m/s) erfolgen (s. Abbildung 1).

Vorteile und Lösungen

Die Zuschaltung der Pulsation mit einer Frequenz von 2,0 Hz bei gleichzeitiger Phasenverschiebung von 1,0 Hz zwischen der Feed-/Konzentratseite und der Permeatseite ermöglichte bei der Ultrafiltration biologisch vorbehandelter Industrieabwässer der Brau-, Malz- und Spirituosenindustrie bei Betriebseinstellungen von v < 0,5 m/s und TMP = 0,2 bis 0,36 bar eine Verbesserung der Membranpermeabilität. Die pulsationsbedingte hydraulische Beanspruchung der Deckschicht und damit einhergehende Veränderungen in Bezug auf Schichtdicke und Kompaktheit führte lediglich zu geringfügigen Verschlechterungen der Permeatqualität. Die angestrebte Erhöhung der Permeatausbeute um den Faktor > 2 wurde nicht erreicht. Als eine Ursache ist in diesem Zusammenhang aufzuführen, dass mit der phasenversetzen Pulsation, unabhängig von den gewählten Einstellungen für Frequenz und Phasenverschiebung, keine von der Permeatseite des Moduls ausgehende temporäre Rückspülung der Membran verfahrenstechnisch umsetzbar war. Des Weiteren sind Kapillar- und Hohlfasermodule als Anwendungsbereiche der Pulsation kritisch zu bewerten. Im Vergleich zu Rohrmodulen verfügen die verbauten Kapillaren und Hohlfasern mit Durchmessern von ≤ 6 mm über deutlich kleinere freie Querschnittsflächen, die im gewählten Überströmungsbereich in Abhängigkeit der Feedzusammensetzung das Risiko der Verblockung von Hohlfasern und Kapillaren signifikant erhöhen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Als Zielmärkte sind primär die nationale Brau-, Getränke- und Malzindustrie sowie assoziiert Zulieferer für Membrantrennverfahren anzusehen. Weiterführend kommen potenziell sämtliche Industrien in Betracht, die bezogen auf ihre Produktion Wasser als Roh- beziehungsweise Hilfsstoff einsetzen und dem zur Folge wässerig formulierte Abfallströme generieren, die im Hinblick auf ihre Schmutzfracht zur Gewährleistung spezifischer Einleitbedingungen oder aber basierend auf Bestrebungen zu deren innerbetrieblichem Wiedereinsatz aufzubereiten sind.