B.Eng. Sina Fischer
Datum des Kolloquiums: 24. September 2010
In Kooperation mit: Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen
Membranverfahren haben sich in den vergangenen Jahren zu einem unerlässlichen Verfahren in der Umwelttechnik entwickelt. Sie stellen in vielen Bereichen eine gute Alternative zu den klassischen Abwasseraufbereitungsverfahren dar.
Das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT entwickelt derzeit neuartige metallische Mikrofiltrationsmembranen. Diese sogenannten Mikrosiebe besitzen eine hohe Filtrationsleistung und Trennschärfe.
Abb.1: Aufnahme eines Mikrosiebes mittels Konfokalmikroskop, Porendurchmesser 8 µm
Ein Problem bei Filtrationen mit partikelbelasteten Medien ist die Bildung einer Deckschicht. Durch diese kann es zu einer Minimierung der Filtrationsleistung kommen. Deckschichtbildung wird konventionell mit mechanischen Reinigungsintervallen (z.B. Rückspülungen) und gleichzeitigen chemischen Behandlungen entgegengewirkt.
Ein neuartiges Verfahren zu Deckschichtminimierung ist der Einsatz von modifizierten nanoskaligen Membranoberflächen. Die Funktionalisierung der Membran erfolgt durch Aufbringung einer nanoskaligen Beschichtung. Durch den Einsatz von nanoskaligen coatings können chemische Abbauvorgänge direkt an der Membran erfolgen. Ein zusätzlicher hydrophilierender Effekt der Beschichtung lässt abgebaute Stoffe leichter von der Membran entfernen. Somit kann die Deckschichtbildung an der Membran minimiert werden. Ferner wird durch die Modifizierung eine Materialverbesserung angestrebt.
Ziel dieser Bachelorarbeit war es, eine erste Bewertung der modifizierten Mikrosiebe in der Abwasseraufbereitung vorzunehmen. Grundlage für diese Bewertung sind nachfolgende Untersuchungen:
Haftung
Um die Haftung der Beschichtung auf der Membran zu überprüfen, wurden unterschiedliche Tests durchgeführt. Die Haftung der Beschichtung stellt eine grundlegend wichtige Eigenschaft dar, da von ihr mehrere Faktoren, wie z.B. Hydrophilierungs-Effekt, Reaktivität oder auch Korrosionserscheinungen abhängig sind. Desweiteren ist die Haftung ein wichtiger ökologischer und gesundheitlicher Faktor, um den Eintrag von Nanopartikeln in die Umwelt zu vermeiden.
Filtrationseigenschaften
Die Filtrationsleistung einer Membran ist ein wichtiger Parameter. Um so wichtiger war es, den Vergleich zwischen unbeschichteten und modifizierten Mikrosieben in den Filtrationsleistungen zu untersuchen. Ausgehend von zwei unterschiedlichen Filtrationsmedien (Vollentsalztes Wasser und vorgereinigtes Abwasser) konnte eine konstantere Filtrationsleistungen der modifizierten Mikrosiebe festgestellt werden, da durch die Beschichtung die Deckschichtbildung minimiert werden konnte.
Funktion der Beschichtung
Um die Funktionalisierung der Oberfläche zu überprüfen wurden die reaktive Wirkung und die Hydrophilierung getestet.
Die Hydrophilierung der Beschichtung konnte mittels Kontaktwinkeluntersuchungen mit demineralisiertem Wasser untersucht werden. Wünschenswert ist eine vollständige Benetzung (≤ 30°).
Korrosion
Durch Korrosionsversuche sollten die Materialeigenschaften und die geplante Materialverbesserung durch die Beschichtung untersucht werden. Als Korrosionsmedien wurden drei unterschiedliche anwendungsbezogene Medien gewählt. Neben künstlichem Meerwasser wurden Eisen-III-Chlorid und Gluconsäure auf ihre korrosive Wirkung untersucht. Durch die Korrosionsuntersuchungen konnten bei den derzeitigen Modifikationen keine Materialverbesserten Eigenschaften festgestellt werden.
Anhand der Ergebnisse konnte festgestellt werden in welchen Bereichen der modifizierten Mikrosiebe ein Optimierungsbedarf besteht. Diese Optimierung kann durch Variation der Beschichtungsmethoden oder Beschichtungsdispersionen erreicht werden.
Schlussfolgernd zeigt der Einsatz von nanoskaligen coatings in der Abwasseraufbereitung schon zu diesem frühen Zeitpunkt positive Eigenschaften. Durch weitere Entwicklung und Optimierung kann es schlussendlich zu einer hochfunktionalen Abwasseraufbereitung kommen, die sich durch geringe Energie- und Chemikalieneinsätze auszeichnet.