HEIMEM – Entwicklung von neuartigen Hochleistungsmembranen für die Filtration

Die Abwasserbehandlung ist ein sehr aktueller Gegenstand der Entwicklungen im Bereich der Wasserreinigungstechnologie. In konventionellen kommunalen Kläranlagen werden üblicherweise die Prozesse der Sammlung, der Behandlung und der Entsorgung durchlaufen und diese sind mit einem hohen Energieverbrauch und hohen Investitionskosten verbunden. In niedrig besiedelten Gebieten kann die dezentrale Abwasserbehandlung von Vorteil sein. Allerdings ist die Nutzung des Fäkalschlamms, der nach der ersten mechanischen Vorbehandlung anfällt, in der Landwirtschaft verboten. Die kostenintensive Entsorgung, der Transport des Schlammes und die Nachbehandlung in einer konventionellen Kläranlage können in einer Abwasseranlage mit integriertem Membranbioreaktor durch die Integration eines Membranprozesses vermieden werden (Bild 1). In einem solchen System wird aerob stabilisierter Schlamm erzeugt, der getrocknet, Vorort hygienisiert und dann landwirtschaftlich genutzt werden kann. Die Hauptvorteile eines solchen Membranbioreaktorsystems sind die niedrigen Kosten, die einfache Bedienbarkeit, Nachhaltigkeit und der geringe Wartungsaufwand.

Die größte Herausforderung für die erfolgreiche Implementierung solcher Systeme ist die Leistung der Membranen. Bisher eingesetzte kommerzielle Membranen zeigen keine ausreichende Trennleistung und der Erhalt dieser Trennleistung über längere Zeit erfordert einen hohen apparativen Aufwand. Ungenügende Kontrolle der Porengröße, der Porengrößenverteilung und der Grenzflächeneffekte bewirkt eine durch Membranfouling induzierte Verringerung des Permeatflusses. Zwei Ansätze werden verfolgt, um die Membranleistung zu verbessern und das Membranfouling zu verringern.

• Mixed-matrix Systeme, bestehend aus Nanopartikeln, die in eine Polymermatrix eingebettet werden.
• Beschichtungen mittels Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), wodurch sich ultradünne funktionelle Schichten abscheiden lassen.

Mixed-Matrix-Mikrofiltrationsmembranen, bestehend aus Poly(ethersulfon) (PES) und Titania-Nanopartikeln, werden über einen Phaseninversionsprozess hergestellt. Neben Titania wurden auch andere Nanopartikel wie Silica oder auch Kohlenstoffnanoröhren (CNT) in die polymere Matrix eingearbeitet. Der Wasserpermeabilitätswert als Funktion des Gehaltes an Nanopartikeln ist in Bild 2 dargestellt. Wurden die Membranen vor dem Fällbad in einem Klimaschrank mit definierter Feuchte  behandelt, zeigen diese signifikant höhere Flüsse. Diese besitzen größere Poren, wie die Porometermessungen zeigen (Bild 3). Typische Morphologien der über einen Phaseninversionsprozess hergestellten Membranen sind in Bild 4 gezeigt.

PECVD-Beschichtungen dieser Membranen wurden in einem Parallelplattenreaktor bei Raumtemperatur im Niedrigdruckplasma durchgeführt. Dabei wurden hauptsächlich unterschiedlich Precursoren eingesetzt und die Beschichtungszeit variiert. So wurden einerseits hydrophile Oberflächen auf der Basis von SiO_x und Acrylsäure und andererseits hydrophobe Oberflächen auf der Basis von Hexamethyldisiloxan und Trifluormethan erzeugt. Oberflächenmodifizierte Membranen wurden mittels Kontaktwinkelmessungen (statisch und dynamisch), Rasterelektronenmikroskopie, XPS, Porometrie, Wasserflussmessungen, MWCO und Foulingtests charakterisiert.

Der Einfluss der Partikelauswahl (Größe, Art), der Membranherstellungsparameter, der Membranzusammensetzung und der Effekt verschiedener Plasmabeschichtungen auf das Foulingverhalten der Membranen wird untersucht. Dazu wurden verschiedene Methoden wie die Adsorption von BSA, die Filtration von naturtrübem Apfelsaft und von Belebtschlamm etabliert. Die geeignetsten Membranen werden in einer Membranbioreaktor-Pilotanlage getestet werden.