Ultrafiltration

Bericht von Florian Axmann / 4.Semester

August 99

Inhaltsangabe

1 Ultrafiltration 3

1.1 Geschichtliche Einführung 3
1.2 Verfahren 3
1.3 Spezifische Filtratleistung 4
1.4 Die Membran 6
1.5 Modultypen 9
1.6 Einbindung der Ultrafiltration in Elektrotauchlakieranlagen 11
1.6.1 Ursprüngliches Problem bei der Tauchlackierung 11
1.6.2 Verfahrensprinzip der Ultrafiltration in Elektro-Tauch-Anlagen 12
1.6.3 Einbau der Ultrafiltrationsanlage 13
1.7 Schlußbetrachtung 14

1 Ultrafiltration
1.1 Geschichtliche Einführung
Schon vor Jahrhunderten standen die Bewohner meeresnaher Wüstenregionen vor einem Problem. Wasser hatten sie in rauhen Mengen, doch wie war es möglich das Salzwasser für Mensch und Vieh genießbar zu machen? Zu diesem Zwecke wurde Salzwasser in Tierhäute gefüllt und nach einiger Zeit war das Wasser plötzlich genießbar. Die Menschen hatten durch Zufall oder Erfahrung eine Möglichkeit gefunden das Salzwasser zu filtern. Heute nennen wir dieses Gebiet der Trenntechnik ,,Membrantechnik". Auf eine Art der Membrantechnik, die Ultrafiltration, will ich hier eingehen
1.2 Verfahren

Die Ultrafiltration (siehe Bild 1.2.1) ist ein druckdynamisches Verfahren zur Separation von suspendierten Festkörpern, Kolloiden und Stoffen im Molekulargewichtsbereich (bis zu einem Molekulargewicht von 1200 ) durch Anwendung einer dünnen Membran. Die verunreinigte Flüssigkeit wird an der Membran tangential unter Druck vorbeigeleitet. Aufgrund des Druckes treten die Teilchen, die durch die Poren passen, aus der druckbeaufschlagten Leitung, rechtwinklig zur Flußrichtung des zu trennenden Materials, durch die Membran aus. Es handelt sich hierbei also um ein Cross-flow-Verfahren (siehe Bild 1.2.2). Durch diesen Massenaustritt durch die Membran, also eine gewollte Leckage ergibt sich ein Druckverlust in der Druckleitung. Dieser Druckverlußt ist ein Maß für die Menge des ausgefilterten ,Filtrates oder Permeates. Diese ausgeflossene Menge wird auch ,,Fluxrate" genannt. Es wird dazu kein osmotischer Druck benötigt, wie dies bei der Umkehrosmose der Fall ist. Die Ultrafiltration läuft bei Drücken von 0,5 bis 10 bar ab. In manchen Anwendungsfällen wird auch mit einem Sog, also einem Unterdruck, gearbeitet.

Die Ultrafiltration ist eine Siebfiltration und ist deshalb als ein mechanisches Trennverfahren anzusehen. Im Unterschied zu statischen Filtrationsvorgängen (Dead-end-Vorgänge nach Bild 1.2.3), wie z.B. bei gewöhnlichen Taschenfiltern, belegen die zurückgehaltenen Stoffe die Filterwände nicht. Es kommt also keine Kuchenbildung zum Einsatz.

1.3 Spezifische Filtratleistung

Die Filtratleistung, also die Fluxrate ist der bestimmende Faktor für die dimensionierung einer UF-Anlage. Da in der Praxis enorm viele verschiedene Einflußfaktoren existieren ist es meist nötig, die, für den spezifischen Einsatz relevanten Verfahrenskenngrößen durch Versuche zu ermitteln. Hier seien nur die wichtigsten Merkmale genannt.

· Die Umwälzgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der das Medium an der Membran vorbeigeleitet wird. Grundsätzlich steigt die Filtratleistung mit zunehmender Geschwindigkeit und damit steigender Umwälzmenge. Dieser Anstieg ist umso einflußreicher, je größer die Konzentration ist. (siehe Diagramm 1.2.4) Die Grenzen des Geschwindigkeitseinflusses sind angedeutet. Die untere Grenze ergibt sich durch eine vermehrte Belagbildung an der Membran, da das Konzentrat nicht mehr ausreichend abgeführt wird. Die obere Grenze sollte aus energietechnischen Gründen nicht überschritten werden, da bei höheren Geschwindigkeiten der Druckverlust so hoch ist, daß sich die Pumpenleistung vervielfacht um einen ausreichenden Ausgangsdruck zu gewährleisten.

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Mit zunehmendem statischem Druck steigt die Filtratleistung. (siehe Diagramm 1.2.5) Die Grenzen des Statischen Drucks sind nach oben hin durch eine mögliche (häufig irreversieble ) Verdichtung der Membran und somit mit einer Verringerung der Filtratleistung gegeben.

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Als weiterer Einfluß ist die Temperatur zu nennen. (siehe Diagramm 1.2.6) Grundsätzlich nimmt die Filtratleistung mit zunehmender Temperatur zu. Ausnahmen bestehen bei Medien, die sich bei Erhöhung der Temperatur verändern und dabei einen negativen Einfluß auf die Filtratleistung haben.

· Das Medium besitzt spezifische Eigenschaften, wie Molekülart, Größe, Adhäsionskräfte... Diese Eigenschaften sind fast ausschließlich durch Versuche zu ermitteln.
· Die Filtratleistung wird auch durch die Betriebszeit der Filter beeinflußt. Dies wird hervorgerufen durch eine Veränderung der Membranzusammensetzung (beispielsweise durch Deacetylation bei Zelluloseacetatmembranen) oder durch feinste Belagbildung auf der Membran.

1.4 Die Membran

Die Membran ist das Hertzstück der Ultrafiltrationsanlage. Im Gegensatz zum Umkehrosmoseprozess wird bei der Ultrafiltration keine semipermeable Membran eingesetzt, da die Filterwirkung bei der Ultrafiltration auf einer reinen Siebfunktion beruht d.h. Moleküle werden nur auf ihre Größe getestet und dementsprechend durch die Membran hindurchgelassen oder nicht. (siehe Bild 1.3.1)

Gefertigt werden die Membranen aus Zellulosederivaten oder Polymeren. Früher wurden vermehrt Zelluloseacetat-membranen eingesetzt, da diese in einer Vielzahl von Anwendungen erfolgreich waren. Mittlerweile werden höhere Polymere und Polyamide eingesetzt, die weniger empfindlich gegenüber ph-Wert-Schwankungen und hohen Temperaturen sind und somit eine breitere Einsatzmöglichkeit bieten. Ihre Schichtdicke beträgt in der feinporigsten Ausführung 80 _m und erhöht sich bei wachsendem Porendurchmesser auf 100_m. Diese Filtermembranen weisen meist eine schwammartige asymmetrische Struktur auf. Die Struktur der Membran ist also in den meisten Fällen nicht geometrisch bestimmt bzw. durch die Polymerbildung bedingt. Daraus ergeben sich auch gewisse Schwankungen der Porengrößen. Ein Verfahren zur Herstellung von exakten Porengrößen sieht das Beschießen einer, in etwa 0,1 _m starken, Membran im Kernreaktor vor, was zu einer genaueren Realisierung der gewünschten Porengröße führt. Je nach Porengröße ergibt sich eine Eignung der Ultrafiltration für verschiedene Anwendungsgebiete.

Da sich an der Membranoberfläche Makromoleküle abscheiden, sitzt die Membran irgendwann zu, bzw. es bildet sich eine undurchlässige Schicht und die Poren werden verschlossen. (in Kapitel 1.2 beschreibe ich das Cross-flow-Verfahren, als ein Verfahren bei dem diese Belagbildung nicht stattfindet. Das ist so nicht ganz richtig. Es werden zwar theoretisch die Partikel immer wieder weggespült, es ist jedoch eine Erfahrung aus der Praxis daß sich die Membranen mit der Zeit doch etwas festsetzen) Um dies zu vermeiden werden folgende Maßnahmen ergriffen:
· Vorfilterung der Flüssigkeit
· Erzeugen einer turbulenten Strömung in der Druckleitung. Dies geschieht z.B. durch das Einlegen von Maschengittern in die Druckleitung da sie das durchfließende Fluid zu einer sinusförmigen Bewegung (über den Draht unter den Draht) zwingen und somit ein festsitzen der Partikel verhindert.
· Magnetrührer lockern diese Schicht auf, und erhalten somit die Durchlässigkeit.
· Kurzes auswaschen von Zeit zu Zeit. Das Auswaschen erfolgt nicht wie bei normalen Taschen- oder Schlauchfiltern durch eine Druckbeaufschlagung von der Filtratseite her. Vielmehr wird anstatt des Rohwassers eine Zeit lang Reinwasser eingeleitet.
· Eine weitere Gefahr besteht darin daß der beaufschlagte Druck zu hoch ist (bzw. daß die Druckschläge die in der Praxis auftreten zu stark sind) und sich die Poren dadurch aufweiten.(bzw. bei anderen Bauarten sich die Membrane zusammenpressen läßt und somit die Poren verengt werden) Eine Ausfiltrierung nach einer exakten Partikelgröße wird somit unmöglich.

Da der wirksame Teil der Membran nur aus einer 0,2 bis 1 _m starken Haut besteht und somit keine ausreichende Festigkeit bei Druckbelastungen besitzt muß diese feine Haut auf ein Trägermaterial, der sogenannte Support aufgebracht werden, der jedoch an der Filtration nicht beteiligt ist. ( siehe Bild 1.3.1) Da sie nicht an der Filtration beteiligt sein dürfen muß der Support aus einem porösen Material bestehen, das den Flüssigkeitsdurchgang garantiert
In der Praxis haben sich in vielen Bereichen die Membranen durchgesetzt, die in Rohren fest mit der Stützoberfläche verbunden sind. Sie sind robust und im rauhen Einsatz in der Industrie relativ problemlos einsetzbar, da sie hydraulischen Einschaltstöße gut standhalten und mechanischen Verunreinigungen, wie Schleifstaub gegenüber recht unempfindlich sind. Die mittlere Lebensdauer dieser Membranen kann mit 1,5 bis sogar 3 Jahren angegeben werden.

1.5 Modultypen

Der aus den Membranen und den porösen Schicht sowie dem Druckgehäuse gebildete Apparat zur Ultrafiltration wird ,Modul` genannt. Er ist das Kernstück jeder Membrantrennanlage. Von Bedeutung sind vier verschiedene Modultypen:
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Der Plattenmodul (siehe Bild 1.4.1) entspricht einer Filterpresse. Er besteht aus einem Stapel von porösen Platten, die mit Membranen bedeckt sind. Das Permeat dringt in das Innere der Platten ein und Strömt durch deren Innenraum zum Austritt an der Plattenkante. Die Packungsdichte beträgt 100-400m² Membranfläche je m³ umbauten Raum.

· Der Rohrmodul (siehe Bild 1.4.2)enthält eine schlauchförmige an der Innenwand eines druckfesten Rohres anliegende Membrane. Das Rohr (Durchmesser 12-25 mm) ist entweder selbst porös oder mit gleichmäßig verteilten Bohrungen zur Ableitung des Permeates ausgestattet. Zur Erhöhung der Packungsdichte von <80m²/m³ bis auf 200m²/m³ wird häufig ein Bündel von Rohrmodulen in einem Mantelrohr untergebracht. Bei einem Betriebsdruck von 2 bar beim Einsatz zur Wasserreinigung können je stunde bis 3,6 m³ Permeat je m² Filterfläche gewonnen werden. Durch die Turbulenzen die in Rohrmodulen entstehen wird eine gute Spülwirkung der Membrane im Betrieb erzielt. Deshalb eignet sich der Rohrmodul gut zur Reinigung von verschmutzten, partikelbehafteten Flüssigkeiten.

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Der Wickelmodul (siehe Bild 1.4.3) oder auch Spiralmodul enthält eine sog. Membrantasche, die aus zwei Membranen besteht, zwischen denen ein hochporöses Stützmaterial liegt und die auf drei Seiten miteinander Verklebt sind. Dieses Membranpaket ist um ein gelöchertes Filtratsammelrohr gewickelt und befindet sich im Inneren eines Druckrohres. Das Rohwasser strömt laminar in axialer Richtung durch den Modul, während das Permeat in der porösen Stützschicht spiralförmig zum konzentrischen Reinwasserabflussrohr fließt. Dieser Modultyp zeichnet sich durch eine hohe Packungsdichte von bis zu 900m²/m³ aus. Jedoch ist eine mechanische Reinigung der Membranen nicht möglich. Deshalb sollte gut vorgefiltert werden. Der Spiralmodul wird zum Beispiel zur Wasserentsalzung verwendet.

· Der Hohlfasermodul (siehe Bild 1.4.4) besteht aus einem Druckrohr, das bis zu einer Million semipermeable Hohlfasern enthält, die ohne Abstützung durch poröses Material aneinander anliegen und somit eine hohe Druckunempfinlichkeit besitzen. Die Hohlfasern sind an beiden Enden in einer Kopfplatte verklebt. Das Rohwasser zirkuliert radial um die Außenseiten der Fasernund wird in geringen Mengen als konzentriertes Abwasser abgeführt. Das Reinwasser diffundiert in das Innere der Faser und tritt durch einen gemeinsamen Anschluß, der gegenüber dem des Rohwassereingangs liegt, aus dem Modul austritt. In Hohlfasermodulen können Packungsdichten von 20000m²/m³ erzielt werden. Das Hohlfasermodul findet sein Haupteinsatzgebiet, aufgrund seiner hohen Druckunempfinlichkeit, in Umkehrosmoseanlagen.

1.6 Einbindung der Ultrafiltration in Elektrotauchlakieranlagen
1.6.1 Ursprüngliches Problem bei der Tauchlackierung

Das Elektro-Tauchlackieren ist ein Beschichtungsverfahren, das anderen Lackierverfahren gegenüber in vielen Anwendungsfällen einen Qualitäts-, aber auch einen Effektivitätsvorteil bietet. Eine wichtiges Verfahrensmerkmal ist das Abspülen der lackierten Teile nach dem Lackieren, damit die locker anhaftende, unbrauchbare
Lackschicht an der Oberfläche entfernt wird und nur die gut ausgeprägte und fest anhaftende Lackschicht auf dem Bauteil bleibt. Je nach Bauteil beträt die abzuspülenden Lackmenge 5-15g/m². Dazu wird eine eigene Spülflüssigkeit verwendet, die nach dem Spülen angereichert ist mit Farbpartikeln, Lösemitteln und weiteren Lackbestandteilen ist. Vor der Entwicklung der Ultrafiltration gab es nur eine unbefriedigende Möglichkeit der Trennung von Lackbestandteilen und Spülflüssigkeit: die Koagullierung. Durch die Zugabe von Koagulierungsmitteln werden die Lackbestandteile gebunden und flocken aus. Diese Ausflockungen werden abgeschöpft und müssen entsorgt werden. Daraus ergeben sich zum einen Kosten für die Entsorgung der Ausflockungen, zum Anderen bedeutet das entsorgen der Ausflockung einen Verlust an Lackmaterial. Um eine Wideraufbereitung der Spülflüssigkeit, und somit eine bessere Kostenbilanz (Widerverwertung der abgespülten Lackpartikel) und weniger Umweltbelastungen zu realisieren wurde die Ultrafiltration des Spülwassers eingeführt.

1.6.2 Verfahrensprinzip der Ultrafiltration in Elektro-Tauch-Anlagen

Die grundsätzliche Verfahrensweise besteht darin, daß dem Elektrotauchlack mit Hilfe der Ultrafiltration ein Filtrat entzogen wird, welches als Spülflüssigkeit dient und zusammen mit dem vom Werkstück abgespülten Lackfestkörper in das Elektrotauchlackbad zurückfließt. (siehe Bild 1.5.1) Bei größeren Elektro-Tauchlackier-Anlagen wird das Spülwasser, zur Erhaltung einer konstanten Festkörperkonzentration im Lackierbecken, erst über einige Kaskadenbecken in das Lackierbecken zurückgeführt.
Es werden also zum Einen die Lackpartikel , die abgespült werden direkt zurück in das Lackbad gespült, was eine enorme Lackeinsparung ermöglicht. Zum Andern muß die Spülflüssigkeit nicht mehr sofort entsorgt werden.

1.6.3 Einbau der Ultrafiltrationsanlage

Für die Funktion der Ultrafiltrationsanlage spielt die Mindestdurchlaufgeschwindigkeit und somit, weil es ein kontinuierlicher Prozess ist, die Mindestdurchlaufmenge eine sehr ausschlagebende Rolle. Deshalb ist es nötig die Pumpe genau auf die Ultrafiltrationsanlage anzupassen. Ebenso wichtig ist jedoch die Anpassung an die Notwendigkeiten des Tauchbades. In den meisten Fällen wird die für die Ultrafiltration nötige Lackmenge direkt den Tauchbecken entzogen, über die Ultrafiltration geleitet und wieder dem Tauchbecken zugeführt. In den Fällen, in denen der Aufstellungsort derUF-Anlage so weit vom Elektrotauckbad entfernt ist, daß damit die erforderliche Rohrleitung zu aufwendig wären oder zu hohe Druckverluste ergeben würden, weiterhin in Fällen, in denen die für die Ultrafiltration erforderliche Lackumwälzung eine zu große Turbulenz im Elektrotauchbad ergeben würde, kann das sogenannte feed-and-bleed-Verfahren (siehe Bild 1.5.2) eingesetzt werden. Es beinhaltet, daß nicht die komplette, für die UF verwendete Durchlaufmenge an Lackmaterial aus dem Tauchbecken genommen wird, sondern, daß ein Teil des schon gefilterten Lackmateriales wieder der UF in einer Art kleinen Kreislauf wieder zugeführt wird.
Dabei ist zu beachten, daß sich die Festkörperkonzentration in diesem Kreislauf nach folgender Beziehung erhöht:

c₁= Konzentration des Elektrotauchbades; c₂= dto, nach Zugabe des UF-Konzentrates; Q_z= Menge des dem ETL-Bad entzogenen Konzentrats; Q_f= Filtratmenge

1.7 Schlußbetrachtung

Die Anwendung der UF in der Elektrotauchlackierung ist ein gutes Beispiel für die Möglichkeit Produktionsverfahren unter wirtschaftlichen UND ökologischen Gesichtspunkten zu optimieren. Das Verfahrensschema wurde so umgewandelt, daß die anfallenden ,,Abfallstoffe" optimal für die weitere Produktion genutzt werden können.
Als die Ultrafiltration ,,entdeckt ,, wurde stellte sie eine Möglichkeit dar, den Lebensraum des Menschen zu erweitern, die Lebensumstände des Menschen zu verbessern. Heute kann die Ultrafitration dazu beitragen den Lebensraum der Menschen zu erhalten.