Membranen für die Abwasserbehandlung

BioTopp Kläranlage für dezentrale Anwendungen (Ökoservice GmbH).
Bild 1: BioTopp Kläranlage für dezentrale Anwendungen (Ökoservice GmbH).

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.

Wasserpermeabilitätkoeffizienten von den Membranen mit unterschiedlicher Titandioxid-Beladung.
Bild 2: Wasserpermeabilitätkoeffizienten von den Membranen mit unterschiedlicher Titandioxid-Beladung.

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.

Membranentwicklung

Porengröße und Stickstofffluss von zwei Membranen.
Bild 3: Porengröße und Stickstofffluss von zwei Membranen mit der gleichen Komposition aber hergestellt mittels verschiedener Prozessen.
Raster-Elektronenmikroskopbild einer Membran.
Bild 4: Raster-Elektronenmikroskopbild einer Membran hergestellt mittels des Phase-Inversion-Prozesses.

Mixed-matrix Mikrofiltrationsmembranen bestehend aus Poly(ethersulfone) (PES) und Titania Nanopartikel werden über einen Phaseninversions-Prozess 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 den Porometermessungen zeigen (Bild 3). Typische Morphologien von Membranen die über einen Phaseninversionsprozess hergestellt wurden 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 SiOx 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.

Ausblick

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 BSA Adsorption, die Filtration von naturtrübem Apfelsaft und von Belebtschlamm etabliert. Die geeignetsten Membranen werden auch in einer Membranbioreaktor Pilotanlage getestet werden.