Membranen und Funktionale Folien

Bei der Dead-End-Filtration wird ein mehrkomponentiges Gemisch auf eine (poröse) Membran beaufschlagt, bis die abzuziehende Komponente komplett aus dem Gemisch entfernt ist oder die Membran keine Trennung mehr zeigt. In einem kontinuierlichen Prozess wird jedoch immer weiter Feed nachgeliefert. Üblicherweise wird dieser Prozess bei der Makro-, der Mikro- und der Ultrafiltration angewendet. In diesen Filtrationsprozessen werden meist Feststoffe aus Flüssigkeiten abgetrennt. Um ein Verstopfen der Membran zu verhindern oder eine bereits verstopfte Membran wieder in einen funktionstüchtigen Zustand zu bringen, wird diese zurückgespült. Das bedeutet, dass die Membran von der Permeatseite angeströmt wird, um die Poren vom Feststoff zu befreien.

In der Membrantechnik werden verschiedene Filtrationsmethoden unterschieden. Eine Übersicht über die kommerziellen Filtrationsmethoden mit entsprechender Anwendung und Porengröße liefert folgende Tabelle:

Für Mikro-, Ultra- und Nanofiltration finden poröse Membranen Verwendung. Im Allgemeinen ist die Rede von porösen Membranen, wenn permanente Poren mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 nm vorhanden sind (in der Literatur finden sich unterschiedliche Werte). Pervaporation, Dampfpermeation und Gaspermeation erfolgen unter dem Einsatz dichter Membranen (Poren kleiner als 0,5 bis 1 nm). Dampfpermeation und Gaspermeation unterscheiden sich insofern, dass mit der Gaspermeation Permanentgase getrennt werden, während bei der Dampfpermeation Gase getrennt werden, die bei Raumtemperatur und ‑druck flüssig sind.

Als Fluss wird der auf die Membranfläche bezogene Stoffstrom bezeichnet. Der Fluss wird oft mit J_i angegeben, wobei i die jeweilige Komponente markiert. Er ist der Quotient aus der Masse m und dem Produkt der Fläche A der Membran und der Zeit t. Entscheidend ist also, wie viel Masse pro Fläche und Zeiteinheit durch die Membran strömt.

Eine Membran ist eine semipermeable (semi, lat. für: halb, teilweise und permeare, lat. für: durchwandern, passieren) Barriere. Das bedeutet, aus einem mehrkomponentigen Gemisch werden bestimmte Komponenten von der Membran zurückgehalten und andere können die Membran passieren. Membranen lassen sich grob in biologische und synthetische Membranen unterteilen. Für Anwendungen in der Praxis werden synthetische Membranen verwendet. Diese können wiederum in anorganische (z. B. Metall- oder Keramikmembranen) und organische (Polymermembranen) Membranen eingeteilt werden. Auch Kompositmembranen aus mehreren Werkstoffen können hergestellt werden (z. B. Mehrschichtaufbau von Membranen oder Mixed-Matrix-Membranen). Die Schwierigkeit besteht in der Praxis darin, eine Membran herzustellen, die chemisch, thermisch und mechanisch stabil, zudem langlebig und kostengünstig ist sowie eine sehr gute Trennleistung aufweist. Eine sehr gute Trennleistung wird erreicht, wenn die Membran hohe Permeabilität bei hoher Selektivität erreicht.

Um die Trennleistung von Gastrennmembranen zu ermitteln, werden i. d. R. Permeabilitätsmessungen durchgeführt, z. B. mithilfe der Timelag-Methode. Hierfür wird die in einer Testzelle befindliche Membran zunächst evakuiert. Anschließend wird die Membran mit einem Gas beaufschlagt und der Druckanstieg auf der Permeatseite wird dokumentiert. Aus der Menge an diffundiertem Gas, der für die Permeation benötigten Zeit, der Membranfläche und dem Druck auf der Feedseite lässt sich die Permeabilität berechnen. Speziell bei der Timelag-Methode wird gewartet, bis der quasistationäre Zustand erreicht ist (s. Abb. 1).

Durch die Messung einzelner Gase kann der ideale Trennfaktor einer Membran bestimmt werden.

Permeation ist die Bewegung eines Stoffes durch einen anderen. In der Membrantechnik ist das die Bewegung einer Flüssigkeit oder eines Gases durch eine Membran. Die Permeation lässt sich in drei Schritte unterteilen:

1. die Sorption eines Gases oder einer Flüssigkeit von der Oberfläche der Membran in die Membran hinein,
2. die Diffusion des gelösten Gases bzw. der gelösten Flüssigkeit entlang der Triebkraft in der Membran und
3. die Desorption der gelösten Moleküle bzw. Atome von der Oberfläche der Permeatseite der Membran.

Die in Punkt 2 genannte Triebkraft wird künstlich, meist in Form von Druckdifferenzen zwischen den beiden Membranseiten (Feed/Zulauf und Permeat/Filtrat), erzeugt. Im Falle poröser Membranen diffundieren Fluide und Feststoffe durch die Poren der Membran.

Bei der Pervaporation (oft mit PV abgekürzt) handelt es sich um die Trennung von flüssigen Gemischen mit Membranen. Für diese Trennung wird eine dichte Membran verwendet, in der sich die Flüssigkeit lösen muss, bevor sie durch die Membran diffundieren kann. Auf der Permeatseite werden die Komponenten dampfförmig abgezogen, entweder über ein Vakuum oder mittels eines Sweepgases. Was die Trennleistung bei der Pervaporation maßgeblich beeinflusst, sind die Löslichkeit der Komponenten in der Membran sowie die Molekülgröße der diffundierten Moleküle. Die Komponente, die sich besser löst und/oder die kleinere Molekülgröße aufweist, diffundiert eher durch die Membran als die schlechter lösliche und/oder größere Komponente. Der Vorteil zur Destillation besteht darin, dass bei geringeren Temperaturen gearbeitet werden kann und Mischungslücken sowie azeotrope Punkte nicht beachtet werden müssen.

Die Querstromfiltration ist eine verfahrenstechnische Fahrweise für eine Stofftrennung mittels Membranen. Dabei wird ein Stoffgemisch (Feed, flüssig oder gasförmig) in ein Membranmodul geleitet, wobei die Membran mit dem Gemisch überströmt wird. Über eine angelegte Triebkraft (Druck- oder Konzentrationsgradient) wird eine Komponente aus dem Gemisch durch die Membran abgezogen (Permeat). Das restliche Gemisch (Retentat) wird meistens zurückgeführt und dem Feed beigemischt, um einen Kreislaufprozess zu erhalten.

Das Rückhaltevermögen (auch Rückhalt) R einer Membran ist neben der Selektivität ein Maß für die Trennschärfe der Membran. Werden zur Berechnung Massenanteile w verwendet, so ergibt sich für eine Komponente i die angegebene Formel. P steht hierbei für das Permeat (Filtrat) und F für den Feed (Zulauf).

Die Selektivität definiert sich über die Zusammensetzung des Feeds und des Permeats. Bei binären Mischungen werden häufig die Mol- oder die Massenanteile herangezogen. Im Unterschied zum Trennfaktor wird die Selektivität einer Membran somit nicht aus Messungen von Einzelkomponenten, sondern aus Gemischen erhalten. Die Selektivität S der Membran wird demnach für Komponente i über Komponente j bestimmt, wobei y und x für die Konzentration der jeweiligen Komponente im Permeat bzw. im Feed stehen.

Der Transmembrandruck (TMP, engl.: transmembrane pressure) beschreibt den Druckunterschied einer Komponente zwischen Feed- und Permeatseite einer Membran. Dabei kann beispielsweise ein TMP von 30 bar bedeuten, dass eine Membran mit 31 bar Gasdruck beaufschlagt wird und auf der Permeatseite atmosphärischer Druck herrscht. Es kann allerdings auch ein TMP von 30 bar herrschen, wenn Gas mit 60 bar auf die Membran beaufschlagt wird und die Permeatseite das Permeat mit 30 bar Sweepgas abtransportiert.

Durch die Permeationsmessung einzelner Gase an einer Membran lässt sich der Trennfaktor der Membran ermitteln. Der Quotient aus den bestimmten Permeabilitäten P der Gase wird als idealer Trennfaktor α bezeichnet (s. Formel 1), wobei i und j für die jeweiligen Gase stehen. Der ideale Trennfaktor poröser Membranen wird laut Formel 2 bestimmt. M₁ und M₂ stehen für die molaren Massen der untersuchten Gase.

Die Triebkraft wird hervorgerufen durch einen Gradienten des chemischen Potenzials entlang der Membran. In der Praxis wird hierfür ein Druckgradient oder ein Konzentrationsgradient genutzt. Ohne Triebkraft ist die Bewegung der Moleküle bzw. der Atome rein durch die Brownsche Molekularbewegung charakterisiert.