Die Membrantechnik umfasst in der Verfahrenstechnik Vorrichtungen und Verfahren zum Transport von Stoffen zwischen zwei Fraktionen unter Zuhilfenahme permeabler Membranen (Trennmembranen).
Es handelt sich um mechanische Trennverfahren zur Separation aus gasförmigen oder flüssigen Stoffströmen.
Anwendungen mini|Ultrafiltration im Freibad mini|Venös-arterielle ECMO-Schema beim Neugeborenen Der besondere Vorteil von Membrantrennverfahren ist, dass sie ohne Erhitzen auskommen können und somit meist energetisch günstiger sind als die üblichen thermischen Trennverfahren (Destillation, Sublimation oder Kristallisation). Dieses Trennverfahren ist rein mechanisch und ermöglicht durch seine schonende Trennung die Nutzung beider Fraktionen (Permeat und Retentat). Deshalb hat sich die kalte Separation mittels Membranverfahren insbesondere in der Lebensmitteltechnologie, der Biotechnologie und Pharmazie etabliert. Weiterhin lassen sich mit Hilfe von Membranen Trennungen realisieren, die mit thermischen Verfahren nicht möglich sind, zum Beispiel, weil azeotrope oder isomorphe Kristallisationen eine Trennung durch Destillation oder Umkristallisation unmöglich machen. Je nach Art der verwendeten Membrane ist die selektive Abtrennung einzelner Stoffe oder bestimmter Stoffgemische möglich. Wichtige technische Anwendungen sind die Trinkwassergewinnung durch Umkehrosmose (weltweit etwa 7 Mio. Kubikmeter jährlich), Filtrationen in der Lebensmittelindustrie, die Rückgewinnung von organischen Dämpfen, beispielsweise die Benzindampfrückgewinnung, und die Elektrolyse zur Chlorgewinnung. Aber auch in der Abwasserreinigung wird die Membrantechnologie immer wichtiger. Mit Hilfe der UF und MF (Ultra-/Mikrofiltration) ist es möglich, Partikel, Kolloide und Makromoleküle zu entfernen, so dass Abwasser auf diesem Wege desinfiziert werden kann. Dies ist nötig, falls Abwasser in besonders sensible Vorfluter oder in Badeseen eingeleitet werden soll.
Etwa die Hälfte des Marktes hat Anwendungen in der Medizin. Als künstliche Niere zur Entfernung giftiger Stoffe durch Blutwäsche und als künstliche Lunge durch blasenfreies Zuführen von Sauerstoff in das Blut. Auch bei modernen Energiegewinnungstechniken kommen Membranen immer häufiger zum Einsatz, so zum Beispiel in der Brennstoffzelle und im Osmosekraftwerk.
Stofftransport Für den Stofftransport an der Membran werden zwei grundlegende Modelle unterschieden: Das Lösungs-Diffusions-Modell und das hydrodynamische Modell. Bei realen Membranen können diese beiden Transportmechanismen durchaus nebeneinander auftreten, insbesondere bei der Ultrafiltration.
Lösungs-Diffusions-Modell Der Transport erfolgt durch Diffusion, wozu die zu transportierende Komponente zunächst in der Membran gelöst sein muss. Dieses Prinzip überwiegt bei dichten Membranen ohne echte Poren, wie sie bei der Umkehrosmose und der Gastrennung eingesetzt werden. Während des Filtrationsvorgangs bildet sich an der Membran eine Grenzschicht aus. Dieses Konzentrationsgefälle entsteht durch Moleküle, die die Membran nicht passieren können. Dieser Effekt wird als Konzentrationspolarisation bezeichnet; tritt er während der Filtration auf, wird der Transmembranfluss (Flux) reduziert. Die Konzentrationspolarisation ist grundsätzlich umkehrbar – wird die Membran gewaschen, so kann der ursprüngliche Flux nahezu wiederhergestellt werden. Auch das Anlegen eines Querstroms an die Membran (Tangentialflussfiltration) minimiert die Konzentrationspolarisation.
Hydrodynamisches Modell Transport durch Poren – im einfachsten Fall erfolgt der Transport rein konvektiv. Dafür muss die Größe der Poren kleiner sein als der Durchmesser der abzutrennenden Bestandteile. Membranen, die nach diesem Prinzip funktionieren, werden hauptsächlich bei der Mikro- und Ultrafiltration verwendet; sie werden vor allem eingesetzt, um Makromoleküle aus einer Lösung, Kolloide aus einer Dispersion oder Bakterien abzutrennen. Dabei werden die nicht passierenden Teilchen oder Moleküle auf der Membran in einer mehr oder weniger breiartigen Masse (Filterkuchen) konzentriert (Kuchenfiltration). Wird durch das Zusetzen der Membran die Filtration behindert, kann das sogenannte Querstromverfahren (Tangentialflussfiltration) Abhilfe schaffen. Hierbei strömt die zu filtrierende Flüssigkeit an der Vorderseite der Membran entlang und wird durch die Druckdifferenz zwischen ihrer Vorder- und Rückseite in die Fraktionen Retentat (abströmendes Konzentrat) und Permeat (Filtrat) zerlegt. Dabei entsteht eine Schubspannung, die die Filterkuchenbildung (Deckschichtbildung oder das Fouling) stark einschränkt.
Membrangeometrien und Herstellung mini|Schematische Darstellung des Stofftransports durch ein Wickelmodul mini|Skizze zur Erläuterung des Nassspinnverfahrens von Hohlfasermembranen Es werden je nach Anwendung unterschiedliche Filtermembrangeometrien verwendet. Die klassische Form stellt dabei die Flachmembran dar. Dies sind poröse Folien aus Polymer oder keramische Scheiben, die gerakelt oder gegossen werden. Sie werden konstruktionsbedingt meist Dead-End angeströmt. Daneben kommt die kapillarartige Hohlfasermembran sehr oft zum Einsatz, wie sie zum Beispiel im Dialysator verbaut wird. Sie wird meist im Nassspinnverfahren hergestellt. Obwohl es sich bei ihr anbietet, sie im Querstrom-Prinzip – Cross-Flow – anzuströmen, wird sie immer häufiger auch Dead-End angeströmt. Von Bedeutung sind die Wickelmodule, wie sie oft bei der Umkehrosmose oder der Nanofiltration verwendet werden. Dies sind zwei Flachmembranlagen, die durch Gewebe voneinander getrennt sind und spiralförmig aufgewickelt werden. Außerdem gibt es Multikanalelemente – extrudierte, keramische Zylinder (oder Platten) – , die durch innen beschichtete Kanäle durchströmt werden. Bei der sogenannten Composite-Membran wird auf eine poröse Trägerschicht (z. B. MF-Membran) eine aktive Membranschicht aufgetragen. Somit kann die Dicke der aktiven Schicht bei gleich bleibender mechanischer Stabilität verringert werden. Um eine höhere Trennleistung bei Filtern zu erzielen, werden diese mit einer feinporigeren Membranschicht versehen. Bei Polymersystemen verwendet man dafür oft eine Beschichtung mit Silikon, bei keramischen Systemen den Sol-Gel-Prozess. Andere Herstellungsverfahren sind die Grenzflächenkondensation (aromatisches Polyamid auf Träger) oder die Kernspurätzung (Beschuss dünner Filme aus Polycarbonat mit schweren Teilchen eines Beschleunigers).
Polymermembranen Der überwiegende Teil der kommerziellen Membranen besteht aus Polymeren. Dabei kommt eine Vielzahl verschiedener Kunststoffe zum Einsatz, an die je nach Anwendungsgebiet sehr unterschiedliche Ansprüche gestellt werden. Die beiden verbreitetsten Formen stellen die Wickelmembranen und Hohlfasern dar.
Durch Extrudieren von sehr dünnen Polymerschichten ist es möglich, sehr dünne Schichten (10 Mikrometer) herzustellen. Durch nachfolgendes Aufbringen von chemisch anders gestalteten Polymeren und Wiederholung des Prozesses können verschiedene alternierende Polymerschichten erzeugt werden.
Durch bestimmte Verfahren lassen sich nun sehr kleine Mikrorisse in die Polymerschicht einbringen, wobei die Schicht beispielsweise für Bakterien unpassierbar bleibt.Eric Baer: Hochentwickelte Polymere, Spektrum der Wissenschaften, 12/1986, S. 150. Solche Polymere können für Membranen zur Mikrofiltration verwendet werden.
Lipophile Polymermembranen können den Durchtritt einiger Gase oder organischen Stoffe gestatten, sind jedoch unpassierbar für Wasser und wässrige Lösungen. Derartige Polymere werden beispielsweise in wasserabweisender Regenkleidung, bei medizinischen Geräten oder bei applizierten Arzneimitteln verwendet.
Statt Mikrorissen in Polymerschichten können jedoch auch ionische Gruppen in einem Polymer die Passage von Ionen durch die Membran verhindern. Derartige Membranen werden beispielsweise in der Elektrodialyse eingesetzt.
Andere Membranen sind nur für Wasser und bestimmte Gase durchlässig. Solche Membranen können in der Meerwasserentsalzung oder zur Abtrennung des Sauerstoffs aus der Luft (Gastrennung) eingesetzt werden.
Keramische Membranen Neben den einfachen Gießlingen aus Schlicker finden hauptsächlich Multikanalelemente Anwendung. Diese extrudierten Elemente finden vor allem in Bereichen Anwendung, die entweder hohe chemische oder thermische Ansprüche an den Filter stellen. Allerdings finden keramische Membranen zunehmend Einzug in die Wasserfiltration, da die hohe Lebenserwartung und die gesunkenen Herstellungskosten ihren Einsatz zunehmend wirtschaftlich gestalten.
Häufig verwendete Membranwerkstoffe Häufig verwendet werden: Polysulfone, Polyethersulfon (PES) Cellulose, Celluloseester (Celluloseacetat, Cellulosenitrat), Regenerierte Cellulose (RC), Silikone, Polyamide („Nylon“, genauer: PA 6, PA 6.6, PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12), Polyamidimid, Polyamid Harnstoff, Polycarbonate, Keramik, Edelstahl, Silber, Silizium, Zeolithe (Alumosilicate), Polyacrylnitril (PAN), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylchlorid (PVC), Polypiperazinamid.
Kombinationen aus diesen Werkstoffen werden verwendet, um Dünnschichtmembranen („TF“, englisch „thin film“), häufig aus einer Stützschicht (z. B. Celluloseacetat) und einem Überzug (z. B. PolyamidGE Healthcare, Evonik, Koch, Mycrodin Nadir,Toray, , Sterlitech.) herzustellen.
Die Werkstoffwahl hängt von der Trenn- oder Konzentrieraufgabe und dem gewünschten Durchfluss pro Membranfläche und Stunde [l/(m²·h·bar)], sowie der nötigen Ausbeute oder dem maximalen Verlust ab. Auch das zu verwendende Lösungsmittel nimmt Einfluss auf die Trennleistung der Membran. Hydrophile Membranen stoßen tendenziell hydrophobe Stoffe ab und umgekehrt. Allerdings retardieren die hydrophilen Membranen die polaren Bestandteile in der Membran, und zwar umso stärker, je größer der Transmembrandruck (der mittlere Druck über die gesamte Membranfläche entlang des Stoffstroms) ist. (Un)Polare Lösungsmittel waschen (un)polare Stoffe aus der Membran aus.
Beschichtete Membranen bieten neue Anwendungsmöglichkeiten der Membranfiltration, z. B. die Membranchromatographie. Die Membranen werden chemisch (z. B. mit C18, C8, n-Hexan, oder Sulfonsäureresten) beschichtet. Die dadurch veränderte Membranchemie soll die Membranen mit den Eigenschaften der Säulen aus der Chromatographie verbinden.Handbook of Membrane Separations, Edited by Anil K.Pabby, Syed S.H.Rizvi, Ana aria Sastre, CRC Press, ISBN 978-0-8493-9549-9.
Trennprinzip Man unterscheidet die Membrantrennverfahren nach der treibenden Kraft, die der Trennung zugrunde liegt.
Druckgetriebene Prozesse mini|hochkant=2.0|Übersicht über die verschiedenen druckgetriebenen Membranfiltrations-Verfahren mini|hochkant=2.0|Trenngrenzen der verschiedenen flüssig Filtrationstechniken Mikrofiltration kalte Sterilisation Entkeimung von Fruchtsäften, Wein und Bier Herstellung von aufgereinigtem Wasser Abtrennung von kolloidalen Oxiden oder Hydroxiden Trennung von Öl-Wasser-Emulsionen Entwässerung von Latices Abwasserbehandlung Biotechnologie (Ernten von Zellen) UltrafiltrationSkript-TC4-Ultrafiltration Uni-Paderborn (). Abtrennung von Proteinen (beispielsweise aus Milch) kalte Sterilisation in der Pharmazie (Antibiotikaproduktion)S. Ebel und H. J. Roth (Herausgeber): Lexikon der Pharmazie, Georg Thieme Verlag, 1987, S. 421, ISBN 3-13-672201-9. Metall-Rückgewinnung und Abwasserreinigung in der Metallurgie Lebensmittelbehandlung (Produktion von „PRO-CAL“ einem Milchprodukt, das wenig Fett, aber viel Protein und Calcium enthält) Abtrennung von Partikeln, Mikroorganismen, Trubstoffen bei der Wasseraufbereitung aus Quellwässern oder Oberflächenwässern Membranreaktor Membranbelebungsreaktor (MBR) Nanofiltration Trinkwasseraufbereitung Hyperfiltration = Umkehrosmose Wasser-Entsalzung (Trinkwassergewinnung aus Meerwasser oder Brackwasser) Aufkonzentrierung von Säften oder Milch