NanoMembrane – Nanoporöse keramische Membranen zur nachhaltigen Wasser- und Lösemitteleinsparung durch Kreislaufschließung
Im Projekt NanoMembrane wurden neue keramische Nanofiltrations-Membranen (NF) mit reduzierter Trenngrenze und erhöhter chemischer Stabilität entwickelt. Diese Membranen wurden in verschiedenen Anwendungen erprobt. Dies diente einerseits dazu, die Stabilität und Trennleistung der Membranen unter Anwendungsbedingungen zu überprüfen. Andererseits wurden auf diesem Wege die Anforderungen an die Membranen klar herausgearbeitet, was sich unmittelbar in einer gezielten Optimierung der Trenneigenschaften im Rahmen der Membranentwicklung niederschlug sollte. Im Einzelnen wurden folgende wissenschaftlich-technischen Ziele verfolgt:
- Entwicklung von Nanofiltrations-Membranen mit einer Trenngrenze 200 g/mol
- Entwicklung pH-stabiler Nanofiltrations-Membranen
- Entwicklung organophiler Nanofiltrations-Membranen
- Bau und Anpassung von Versuchsanlagen
- Labor- und Pilotversuche mit Lösemitteln und Abwässern aus den Branchen Chemie, Textil, Metall, Papier
- Ökobilanzierung / Ganzheitliche Bilanzierung
Im Projekt NanoMembrane gelang erstmalig die Synthese keramischer Nanofiltrations-Membranen mit einer Trenngrenze von annähernd 200g/mol bei einem spezifischen Wasserfluss von 9l/(m2•h•bar). Die systematische Untersuchung der pH-Stabilität durch zweistündige Filtration von Salzsäure und Natronlauge, anschließender Spülung mit Wasser und Beistimmung des Rückhaltes mit PEG-200 zeigte eine Stabilität in HCl bis 2mol/l (7,2%) bei 25°C und in NaOH bis 4mol/l (16%) bei 60°C. Im organischen Lösemittel zeigten die untersuchten NF-Membranen je nach verwendetem Lösemittel sehr unterschiedliches und bisher nicht beschreibbares Verhalten. Die besten Rückhaltungen wurden in THF mit einem Cut-off von 350g/mol bei einem spezifischen Fluss von 3,5l/(m2•h•bar) erreicht.
Die Herstellung der neuen keramischen NF-Membranen wurde vom Labormaßstab (0,0055m2) auf den technischen Maßstab (0,25m2) übertragen. Im Rahmen des Projektes wurden 10 verschiedene Labor- und Pilotanlagen für die Membrancharakterisierung und -erprobung eingesetzt. Darüber hinaus gelangen die Entwicklung und der Bau einer Filtrationstestanlage für organische Lösemittel, die durch eine benannte Stelle abgenommen und anschließend bei Merck für die Pilotversuche eingesetzt wurde.
Die Anwendungsversuche in der Chemie, metallverarbeitenden Industrie, Textilveredelung, Papier- und Zellstoffherstellung bestätigten die verbesserte Rückhaltung von gelösten Molekülen, Farbstoffen, Tensiden und mehrwertigen Salzen gegenüber den bisherigen kommerziell verfügbaren Membranen. Bei der Aufbereitung von Spülbädern bei der Reinigung von Metallteilen sowie der Aufbereitung von Bleichlaugen aus der Zellstoffherstellung zeigten die Betrachtungen Ansätze für einen wirtschaftlichen Einsatz der Membranen.
Im Rahmen der ganzheitlichen Bilanzierung konnte gezeigt werden, dass sich der Einsatz keramischer Nanofiltrations-Membranen zur Aufbereitung von flüssigen Abfallströmen bzw. Abwasserströmen ökologisch lohnen kann. Durch die Analyse der konkreten Beispiele und den Versuch der Verallgemeinerung der Aussagen wurde eine Basis an Know-how geschaffen, die in Zukunft die Erstellung anwendungs- und betriebsspezifischer Ökobilanzen für den Einsatz keramischer Nanofiltrationsmembranen ermöglicht.
