Layer-by-Layer-beschichtete Keramikmembranen für die ressourceneffiziente Erzeugung von Trink- und Brauchwasser
Neuer Membranprozess zur ressourceneffizienten Wasseraufbereitung
In der Wasserreinigung werden Membranen zur Entfernung von Wasserinhaltsstoffen, zur sogenannten Filtration eingesetzt. Die Trennschärfe der Filtration ist abhängig von den Trenneigenschaften der eingesetzten Membranen. Herkömmliche Nanofiltrations-Membransysteme (NF) haben definitionsgemäß Porengrößen von maximal zwei Nanometer und unterliegen in der Wasseraufbereitung grundsätzlich dem Problem des sogenannten Foulings („Verschmutzung“), d.h. dass sich mit zunehmender Betriebsdauer organische sowie anorganische Schmutzpartikel auf den Membranen ablagern. Zur Entfernung dieser Ablagerungen, die sich während des Filtrationsvorganges auf den Membranoberflächen bilden, werden die Membranen entgegen der Filtrationsrichtung gespült. Bei NF-Wickelmembranmodulen, bei denen die Membranschichten um ein Rohr zum Auffangen des gereinigten Wassers gewickelt sind, ist eine Rückspülung durch Umkehr des Wasserflusses nicht möglich; auch kann nur ein Teil der Ablagerungsschicht wieder entfernt werden. Daher erhöht sich über die Betriebsdauer mit zunehmendem Fouling der Energiebedarf der Filtration bis zu dem Punkt, an welchem die Membranmodule ausgetauscht werden müssen.
Mit dem Vorhaben „KeraRes“ soll dieses Problem gelöst werden. Ziel ist die Entwicklung eines neuen Membranprozesses zur ressourceneffizienten Wasseraufbereitung. Durch Modifikation des Aufbaus, mehrere Lagen (Layer-by-Layer) von bestimmten Molekülketten (Polyelektrolyte), soll eine keramische NF-Membran mit einzigartigen Trenn- und Materialeigenschaften entstehen. Nach entsprechendem Rückgang der Filtrationsleistung durch Fouling soll die Trennschicht der Keramikmembran in einem einfachen Verfahrensschritt komplett erneuert werden können. Dabei soll die alte aufgebrachte Polyelektrolyt-Schicht durch Erhöhung des pH-Werts aufgelöst und danach neu aufgetragen werden, sodass das NF-Filtrationssystem dann vollständig wiederhergestellt ist und weiter zur Filtration eingesetzt werden kann. So müssen die Membranmodule nicht entsorgt werden. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Reduktion von Herstellungschemikalien, Betriebschemikalien und Abfallströmen, die mit kommerziellen NF-Systemen verbunden sind.
Das System soll die sichere Aufbereitung selbst von schwer behandelbaren Wasserressourcen (z.B. Flusswasser, Abwasser, Regenwasser) ohne Mikrofiltrationseinheiten ermöglichen, was zu einer starken Vereinfachung des Verfahrens führen soll. Sowohl Partikel (z.B. Mikroplastik, Bakterien und Viren), als auch gelöste Wasserinhaltsstoffe, wie mehrwertige Ionen (Härtebildner) und organische Moleküle (u.a. persistente Verbindungen, z.B. PFAS) sollen zurückgehalten werden. Das entwickelte System soll im Vergleich zu kommerziell verfügbaren polymeren NF-Membranen rückspülbar, regenerierbar und langlebig sein. Die aus dem Projekt hervorgehenden Membran-Module sollen in bestehende Systeme der Wasseraufbereitung implementiert und im Bereich der dezentralen Trinkwasser- und Brauchwasserbereitstellung angewendet werden.
