Ultrafiltration

Ultrafiltration für viele Zwecke

Die Ultrafiltration ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Wasser- und Abwasseraufbereitung. In den letzten Jahren hat diese Technologie eine rasante Entwicklung durchlebt, die ein breites Spektrum von Anwendungen in verschiedenen Bereichen umfasst.
Diese reichen von der Trinkwassergewinnung über die Abwasseraufbereitung bis zu der Rückgewinnung von Chemikalien. Ultrafiltrationsmembranen können als Alternative zu den bestehenden konventionellen Wasseraufbereitungstechnologien eingesetzt werden. Sie haben eine höhere Abscheideleistung bei der physikalischen Abtrennung von Partikeln und kolloidalen Stoffen aus dem Abwasser. Zudem ermöglicht sie die Klärung und Desinfektion des Abwassers in einem einzigen Schritt.

Trotz der zunehmenden Zahl von Anwendungen ist dieses Verfahren noch immer weitgehend durch das Fouling-Phänomen begrenzt. Bei langfristigem Betrieb können sich verschiedene Verschmutzungen auf der Membranenoberfläche ablagern. So beispielsweise Biofouling, organisches Fouling und weitere Verschmutzungen. Das Fouling auf Membranenoberflächen sorgt für eine Verschlechterung der Qualität und des Durchflusses des Permeats, einen Anstieg der Betriebskosten, vor allem aufgrund des höheren Energieverbrauchs, zusätzliche Kosten für Wartung und Reinigungschemikalien und eine verkürzte Lebensdauer der Membranen. Aus diesem Grund wurden Gegenmaßnahmen ergriffen, um die Auswirkungen des Foulings zu minimieren.

Hier wurden mehrere einfache Strategien entwickelt, um das Fouling vor seinem Auftreten durch die Vorbehandlung der Einsatzströme, die Konstruktion von Antifouling-Membranen und die Optimierung der Betriebsbedingungen zu verringern.

Inhaltsverzeichnis

Ultrafiltration vs. herkömmliche Filter

Die Ultrafiltration ist wie die Umkehrosmose ein Querstrom-Trennverfahren. Hier fließt der zu behandelnde Flüssigkeitsstrom tangential an der Membranenoberfläche entlang, wodurch zwei Ströme entstehen. Der Flüssigkeitsstrom, der durch die Membranen fließt, ist das Permeat. Art und Menge der im Permeat verbleibenden Stoffe hängen von den Eigenschaften der Membranen, den Betriebsbedingungen und der Qualität des Einsatzmaterials ab. Der andere Flüssigkeitsstrom wird als Konzentrat bezeichnet und konzentriert sich zunehmend auf die von den Membranen entfernten Stoffe. Bei der Querstromtrennung fungieren die Membranen selbst also nicht als Sammler von Ionen, Molekülen oder Kolloiden, sondern lediglich als Barriere für diese Stoffe. Konventionelle Filter wie Medienfilter oder Patronenfilter entfernen dagegen nur Schwebstoffe, indem sie diese in den Poren des Filtermediums einschließen. Diese Filter wirken daher als Lagerstätten für Schwebstoffe und müssen häufig gereinigt oder ausgetauscht werden. Konventionelle Filter werden stromaufwärts des Membranensystems eingesetzt, um große Schwebstoffe zu entfernen und den Membranen die Aufgabe zu überlassen, feine Partikel und gelöste Feststoffe zu entfernen. Bei der Ultrafiltration werden für viele Anwendungen keine Vorfilter verwendet und Ultrafiltrationsmodule konzentrieren alle suspendierten und emulgierten Stoffe auf. 

Ultrafiltrationsmodule einschließlich regenerierbarem Mischbett und UV-Reaktor im Applikationszentrum der TU Ilmenau
Ultrafiltrationsmodule einschließlich regenerierbarem Mischbett und UV-Reaktor im Applikationszentrum der TU Ilmenau

Vorteile

  • Membranenmodule mit geringer Verschmutzung
  • Hohe Filtrationsleistung mit hohem Flux
  • Sehr feiner nominaler Porendurchmesser (0,02 µm)
  • Hohe Effizienz bei der Entfernung von Bakterien und Viren
  • Dead-End- oder Konzentrat-Abflussmöglichkeiten
  • Hohe chemische Beständigkeit und Temperaturtoleranz für eine effektive Membranenreinigung
  • Regelmäßige Rückspülung und Luftspülung zur Verbesserung der Leistung und Verlängerung der Betriebsdauer durch Entfernung der Fouling-Schicht
  • Einfaches, vertikales, modulares Design ermöglicht kostengünstige, kompakte Systeme
  • Weniger Verstopfung und höhere Feststoffbeladung, größere Durchflussfläche und einfachere Reinigung

Ultrafiltration für Trink- und Industriewasser

In den letzten Jahren werden verstärkt Ultrafiltrationsmembranen zur Aufbereitung von Trinkwasser und Industriewasser eingesetzt. Die Module filtrieren im Bereich von 10.000 bis 100.000 Dalton Porenweite. So können sie die biologische und kolloidale Belastung in den Gewässern zurückhalten.

Im Trinkwasserbereich ist die Rückhaltung von Bakterien, Viren oder auch Keimen sehr wichtig. In der Industrie kann durch die Ultrafiltration eine sehr effektive Voraufbereitung vor der Umkehrosmose durchgeführt werden, was die Ausführung der Umkehrosmose deutlich verbessert. Die EnviroDTS Ultrafiltrationsmembranen werden als Dead-End-Membranen betrieben. Das bedeutet, die Membranen haben keinen Konzentratstrom.

Das gesamte Wasser wird durch die Membranen gedrückt und bei einem vorgegebenen Verschmutzungsgrad werden die Membranen zurückgespült. Hierbei wird mit kurzen starken Wasserspülungen der Schutz von den Membranen gelöst und abgespült. Üblicherweise werden Gruppen von Modulbänken aufgestellt. Diese können einzeln zu- und abgeschaltet werden.

Funktion der Ultrafiltrationsanlage

Die Ultrafiltrationsanlagen nutzen haushaltsüblichen Wasserdruck, um Wasser durch die halbdurchlässigen Membranen zu drücken. Hierdurch werden Verunreinigungen entfernt. Im Gegensatz zur Umkehrosmose bleiben bei der Ultrafiltration die Mineralien im Wasser erhalten, während Bakterien, Viren und Parasiten herausgefiltert werden.

Die Ultrafiltration ist ein Membranenfiltrationsverfahren, das als Barriere dient, um schädliche Bakterien, Viren und andere Verunreinigungen von sauberem Wasser zu trennen. Ein Ultrafiltrationssystem drückt das Wasser durch 0,02-Mikrometer-Membranen. Schwebstoffe, die zu groß sind, um die Membranen zu durchdringen, bleiben an der äußeren Membranenoberfläche haften. Lediglich frisches Wasser und gelöste Mineralien werden durchgelassen. Viele Ultrafiltrationssysteme besitzen Hohlfasermembranen, die das Wasser von innen nach außen filtert. So entsteht eine große Oberfläche, an der die Partikel zurückgehalten werden können. Andere Membranen, wie die spiralförmig gewickelte RO-Membranen, filtern von außen nach innen. Die Hohlfasermembranen hat eine hohe chemische Beständigkeit gegen Oxidationsmittel und Chlor.

Ultrafiltrationsmembranen

Ultrafiltrationsmembranen können sowohl aus organischen als auch aus anorganischen Materialien hergestellt werden. Es gibt verschiedene Polymere und andere Materialien, die für die Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen verwendet werden. Die Wahl eines bestimmten Polymers als Membranmaterials beruht auf sehr spezifischen Eigenschaften wie Molekulargewicht, Kettenflexibilität, Kettenwechselwirkung und weiteren. Einige dieser Materialien sind Polysulfon, Polyethersulfon, sulfoniertes Polysulfon, Polyvinylidenfluorid, Polyacrylnitril, Cellulosefasern, Polyimid, Polyetherimid, aliphatische Polyamide und Polyetherketon. Anorganische Materialien wie Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid werden ebenfalls verwendet. Die Struktur der Membran kann symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Dicke von symmetrischen Membranen liegt im Bereich von 10 bis 200 nm. Der Widerstand gegen den Stoffübergang wird durch die gesamte Membrandicke bestimmt. Eine Verringerung der Membranendicke führt zu einer Erhöhung der Permeationsrate. 

Membranen haben eine asymmetrische Struktur, die aus einer sehr dichten Oberschicht mit einer Stärke von 0,1 bis 0,5 µm, die von einer porösen Unterschicht mit einer Stärke von etwa 50 bis 150 µm getragen wird. Bei porösen Membranen bestimmt hauptsächlich die Größe der Poren die Trenneigenschaften. Die Art des Membranmaterials ist bedeutend für die chemische, thermische und mechanische Stabilität.

Bei der Wasserfiltration mittels Ultrafiltration müssen verschiedene Regelwerke beachtet werden. So beispielsweise das Europäisches Arzneimittelbuch, VDI 2083 Teil 13.3 oder aquapurificata und WFI bei Wasser für die Pharmazie und die Kosmetik. Bei der Laborwasserversorgung müssen Regelwerke wie ASTM D 1193-99e1-Type IV/ C oder VDI 2083 – 13.2 beachtet werden.

Anwendungen der Ultrafiltration

Der Unterschied in der Porengröße und der Art der entfernten Partikel bedeutet, dass jede Art der Filtration einem bestimmten Zweck dient. Die Ultrafiltration ist die Filtrationsmethode für Wasser, das zwar noch alle Mineralien hat, aber frei von mikroskopischen Verunreinigungen ist. Ein Ultrafiltrationssystem kann einem RO-System vorgezogen werden, weil weniger Wasser in den Abfluss geleitet werden muss.

Die Membranen der Ultrafiltration ist ein extrem feiner Filter, der Partikel reduziert, die 5.000-mal kleiner sind als ein menschliches Haar. Durch Ultrafiltration werden diese Verunreinigungen um 90 bis sogar 100 Prozent reduziert. Eine Membran für die Ultrafiltration hat eine Lebensdauer von etwa zwei Jahren. Ein Ultrafiltrationssystem ist umweltfreundlich. Die Ultrafiltration hat eine Rückgewinnungsrate von 90 bis 95 Prozent und kann zur Aufbereitung von Abwasser zur Wiederverwendung verwendet werden.

Der Wasserverbrauch steigt nach wie vor kontinuierlich und in erheblichem Umfang an, was zu einer starken Zunahme der potenziellen Umweltprobleme durch häusliche und industrielle Abwässer führt. Die Wiederaufbereitung von Abwasser ist daher eine wichtige Aufgabe.

Ultrafiltrationsmembranen sind eine Prozesstrenntechnologie, die in vielen industriellen Prozessanwendungen eingesetzt wird. Die Membranen verfügen über die Fähigkeit, ein breites Spektrum an Makromolekülen und Proteinen über eine physikalische Membranenbarriere zu reinigen, zu konzentrieren und zu fraktionieren und dabei eine sehr konstante Rückhalte- und Durchflussleistung zu gewährleisten.

Pharmazie

Der Einsatz von Ultrafiltrationsmembranen zur Enzymkonzentration hat sich als Standardtrennverfahren etabliert. Sie ermöglichen die Konzentration von Enzymen und Proteinen, während Salze und Wasser die Membranen passieren können. Die Ultrafiltration ist in der Lage, Pyrogene und Endotoxine effizient aus Lösungen zu entfernen, was für die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von biopharmazeutischen Produkten von entscheidender Bedeutung ist.

Antibiotika-Produktion

Es gibt nur wenige Produkte, bei denen Qualität und Konsistenz so wichtig für die Gesundheit sind wie bei der Herstellung von Antibiotika. Die Ultrafiltration kann eingesetzt werden, um die geforderte Reinheit und Beständigkeit zu erreichen. 

Blutproteinkonzentration
Blutserum ist Blutplasma ohne die Verbindung Fibrinogen oder anderen gerinnungsfördernden Verbindungen. Nach der Trennung von Serum und Plasma sind die Ultrafiltrationsmembranen in der Lage, Fibrinogen und andere Gerinnungsstoffe abzufangen. 

Entfernung von Endotoxinen und Pyrogenen
Die Entfernung von Schadstoffen ist ein wichtiger Schritt in der Qualitätskontrolle bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten. Während Mikrofiltration Mikroben und Bakterien entfernen kann, werden Endotoxine und Pyrogene durch die Ultrafiltrationsmembranen von EnviroDTS entfernt. Verschiedene Membranen sind in der Lage, Endotoxine und Pyrogene je nach ihrem Molekulargewicht abzufangen und zu entfernen. 

Polypeptid-Konzentration
Die breite Palette an Ultrafiltrationsmembranen von EnviroDTS ist die ideale Methode zur Konzentrierung von Polypeptiden für die Produktion. Mit Membranen können Polypeptide nicht nur konzentriert, sondern auch gereinigt werden, wobei eine hervorragende Qualität und Konsistenz erzielt wird.

Industrielle Verfahren

Die Entfernung von Ölen, die in vielen industriellen Abwasserströmen enthalten sind, wird immer notwendiger, um die strengen Abwasservorschriften und den steigenden Produktionskosten gerecht zu werden. Die Ultrafiltration wird auch für die Konzentration und Rückgewinnung von Kathodenschutzlacken und die Herstellung von Permeat eingesetzt. Durch die Fähigkeit, Partikel, Bakterien, Proteine und Polysaccharide abzuscheiden, kann die Ultrafiltration in Kombination mit anderen Technologien zudem zur Reduzierung der Schadstoffbelastung von Industrieabwässern eingesetzt werden.

Ölentfernung in Abwässern
Öle, die im Abwasser vieler industrieller Anwendungen enthalten sind, behindern eine Reihe von nachgelagerten Prozessen und machen die Ölreduzierung zu einer kritischen Prozessanforderung. Der Einsatz von Ultrafiltrationsmembranen aus Polyacrylnitril ist eine wirksame Methode, um diese Abtrennung zu erreichen und eine sichere Einleitung oder Wiederverwendung zu ermöglichen.

Behandlung von Oberflächen- und Grundwasser
Ein Hauptproblem bei der Aufbereitung von Oberflächen- und Grundwasser sind die inhärenten Schwankungen in der Zusammensetzung der Zufuhrströme. Die Membranen von EnviroDTS bieten hohe Rückweisungsraten von mehr- und zweiwertigen Ionen. Durch die Eliminierung von Gerüchen und Farbstoffen sind die Membranen eine günstige Alternative zu RO-Membranen für die Grundwasserfiltration bei Grundwässern, die keine Salzentfernung erfordern.

Meerwasserentsalzung
Die Membranen von EnviroDTS bieten eine Kombination aus Leistung und Umweltfreundlichkeit bei der Vorbehandlung von Meerwasserentsalzungsanlagen. Durch die Entfernung von zweiwertigen Ionen bis zu 2.000 mg/l TDS sind die Membranen in der Lage, härteverursachende Ionen, wie CaCO3, zu entfernen. Da diese Trennung mit wenig bis keine regenerierenden Chemikalien erreicht wird, sind die Membranen von EnviroDTS umweltschonend bei der Entfernung von Härte aus Meerwasser.

Brackwasser
Ein Großteil des Grundwassers besteht aus Brackwasser. Die ordnungsgemäße Aufbereitung dieses Wassers ist von entscheidender Bedeutung, um Schäden in wichtigen Bereichen der Großindustrie wie der landwirtschaftlichen Produktion zu verhindern. Die Fähigkeit der Membranen, zwei- und mehrwertige Ionen, Gerüche, Farbstoffe und THM-Vorläufer zu entfernen, hat die Tür für die Aufbereitung und Nutzung dieses Wassers geöffnet, um die Süßwasserknappheit zu mindern.