KeraRes

Layer-by-Layer-beschichtete Keramikmembranen für die ressourceneffiziente Erzeugung von Trink- und Brauchwasser

Im Forschungsprojekt „KeraRes“ wird ein innovatives Membranverfahren für die ressourceneffiziente Wasseraufbereitung entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Modifikation einer keramischen Ultrafiltrationsmembran (UF), die durch eine sogenannte Layer-by-Layer (LbL)-Beschichtung mit Polyelektrolyten eine hohe Leistung bei der Trennung und Filterung von Wasserverunreinigungen aufweist. Das System ist insbesondere darauf ausgelegt, selbst schwer behandelbare Wasserressourcen wie Fluss-, Ab- und Regenwasser in einem einzigen Verfahrensschritt sicher aufzubereiten. Die entwickelte Membran soll dabei sowohl Partikel wie Mikroplastik und Bakterien als auch gelöste Verunreinigungen wie Salze und organische Stoffe, sowie Chemikalien wie bspw. per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) aus dem Wasser herausfiltern können. Gleichzeitig soll die Membran so konzipiert werden, dass sie regenerierbar, rückspülbar und im Vergleich zu herkömmlichen Keramikmembranen langlebiger und weniger anfällig für Fouling ist. Die Regenerierbarkeit wird durch das Entfernen der LbL-Schicht mittels pH-Änderung sichergestellt, sodass die Leistungsfähigkeit der Membran durch erneutes Auftragen der Polyelektrolytschicht wiederhergestellt werden kann.  

Das Projekt gliedert sich in drei Phasen: Membranmodifikation, Verfahrensentwicklung und Up-Scaling. In der ersten Phase liegt der Schwerpunkt auf Modifizierung der keramischen Membran. Ziel ist es, durch experimentelle Optimierung die idealen Parameter für die LbL-Beschichtung festzulegen, die einen maximalen Rückhalt und Permeabilität gewährleisten. Hierbei werden verschiedene Kombinationen von Polyelektrolyten sowie Beschichtungsparameter wie Salzgehalt, pH-Wert und Temperatur getestet, um das beste Abscheideverhalten und die geringste Foulinganfälligkeit zu erzielen. Nach der erfolgreichen Beschichtung werden passende Membranmodule entwickelt und Tests im Labormaßstab sowie später im halbtechnischen Maßstab durchgeführt, um die Beständigkeit der Beschichtung und das Rückspülverhalten zu prüfen und mit kommerziellen, polymeren NF-Systemen zu vergleichen. Zusätzlich werden in dieser Phase umfassende Analysen zur Energie- und Materialeffizienz des Systems durchgeführt, um eine fundierte Bewertung im Rahmen eines Life Cycle Assessments (LCA) zu ermöglichen. Die letzte Phase des Projekts widmet sich dem Up-Scaling. Ziel ist es, die Membrantechnologie für eine Anwendung im realen Maßstab zu testen und die Verfahrensparameter für Anwendungen, beispielsweise in der dezentralen Trinkwasseraufbereitung oder der Bereitstellung von Brauchwasser, anzupassen. In dieser Phase werden Simulationen und Tests im Hinblick auf Durchsatz, Reststoffmanagement und technische Anforderungen durchgeführt, um die Membranmodule hinsichtlich ihrer Leistung und Praktikabilität zu optimieren. Das Projekt sieht vor, die Entwicklung so weit voranzutreiben, dass die KeraRes-Technologie beispielsweise in dezentralen Wasseraufbereitungseinheiten eingesetzt werden kann, was sie insbesondere für die Katastrophenhilfe wertvoll macht. Insgesamt ist das Projekt KeraRes darauf ausgerichtet, eine skalierbare und energieeffiziente Lösung für die Wasseraufbereitung zu bieten, die den steigenden Anforderungen an die Trink- und Brauchwasserbereitstellung in verschiedenen Anwendungen gerecht wird. Mit der Möglichkeit zur Regeneration und der Modularität bietet das System sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile, die es attraktiv für den Markt machen.