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Eine Schlüsseltechnik zur Wasseraufbereitung, aber auch zur Prozessintensivierung in der chemischen Industrie

Neue Potenziale für die Membrantechnik

von Professor Dr. Siegfried Ripperger

In der Industrie wird in zunehmendem Maße aufgrund gestiegener Kosten für die Wasserversorgung und -entsorgung verstärkt ­benutztes Wasser wieder aufbereitet. In vielen Ländern der Erde muss aufgrund von Wasserknappheit immer häufiger auf Meer-, Fluss- und sogar Abwasser zurückgegriffen werden, um eine ­ausreichende Versorgung der Landwirtschaft und der Bevölkerung mit Trinkwasser zu gewährleisten.

Salzwasser und andere für den Menschen nicht genießbare Wässer zu Trinkwasser auf­zubereiten, erweist sich damit für die Wirtschaft als neue Herausforderung und als ein attraktiver Markt. Die Bedürfnisse, die diesem Markt zugrunde liegen, werden zukünftig weiter steigen. Obwohl in Deutschland von Wasserknappheit keine Rede sein kann, hat eine Reihe von Unternehmen den Bedarf erkannt und ihre Aktivitäten daraufhin ausgerichtet. Dabei kommt den Membranverfahren eine bedeutende Rolle zu.

Spezifische Vorteile der Membranverfahren

Membranverfahren haben in den letzten Jahrzehnten neue Möglichkeiten zur Stofftrennung eröffnet, die heute in vielen Industriezweigen genutzt werden. Es kann erwartet werden, dass ihre Bedeutung bei der Wasseraufbereitung und darüber hinaus weiter zunehmen wird. Über die letzten Jahrzehnte wurden im Bereich der Membrantechnik Wachstumsraten erzielt, die weit über die traditioneller Trennverfahren und Technologie hinausgehen. Dies kann auch für die nächsten Jahre erwartet werden.

Der Grund für diese Annahme ist mit den spezifischen Vorteilen der Membranver­fahren verbunden. Den am häufigsten angewendeten Membranverfahren liegt ein physikalisches Trennprinzip ohne chemische Veränderung der zu trennenden Komponen­ten zugrunde. Außerdem wird die Stofftrennung meist ohne Zusatzstoffe ermög­licht. Weiterhin können Membrananlagen einfach modular errichtet und in geschlossener Ausführung kontinuierlich betrieben werden. Die Möglichkeit der selektiven Stofftrennung ohne Zusatzstoffe steht bei vielen Anwendungen zum Wasser- bzw. Stoffrecycling im Vordergrund. Bei solchen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Stoffgemische am Ort der Entstehung aufgearbeitet werden. Man ist daher bestrebt, geschlossene und kontinuierlich arbeitende Aufarbeitungsverfahren in die Produk­tionsprozesse zu integrieren. Der geschlossene und modulare Anlagenaufbau sowie die kontinuierliche Betriebsweise von Mem­brananlagen werden auch den Forderun­gen an eine prozessintegrierte Separationsstufe sehr gut gerecht. Membrananlagen, die eine selektive Stofftrennung im molekularen Bereich ohne Phasentrennung bei Umgebungstemperatur ermöglichen, stellen eine energieeffiziente Alternative zu den meist mehrstufig betriebenen thermischen Trennverfahren dar.

Herausforderung für neue Anwendungen

Die oben aufgeführten Vorteile kommen auch bei der zukünftig wichtiger werden­den Aufbereitung und Konversion von Roh- und Abfallstoffen zum Tragen. So werden Membran-Bioreaktoren zunehmend zur aeroben und neuerdings auch zur anaeroben Abwasseraufbereitung und der daran gekoppelten Biogasgewinnung genutzt. Das erzeugte Biogas kann mit speziell für diese Anwendung entwickelten Membranen derart aufbereitet werden, dass es in ein Gasnetz eingespeist werden kann. In vielen Fällen ermöglichen erst Membranverfahren die Abtrennung von Wertprodukten aus einem komplexen Gemisch mit der notwendigen Selektivität. Oft können dadurch Stoffkreisläufe geschlossen und Abfälle vermieden werden.

Es kann heute auf vielfältige Erfahrungen mit Membranverfahren zurückgegriffen werden. Die Herausforderung in neuen Anwendungsbereichen besteht darin, die Investitions- und Betriebskosten der Membrananlagen der Wertschöpfung anzupassen und ihre Betriebssicherheit wesentlich zu verbessern. Die heute verfügbaren Membranmodule weisen hohe spezifische Stoffaustauschflächen auf, wodurch integrierte Prozesse mit kompakten Anlagen realisiert werden können. Ein Beispiel sind die biologischen Abwasseranlagen mit getauchten Membranen im Belebungsbecken, bei denen der große Flächenbedarf für nachgeschaltete Sedimentationsbecken entfällt und gleichzeitig die Abtrennung der Biomasse wesentlich verbessert wird. Das Filtrat solcher Anlagen erfüllt meist die Anforderungen, die an den Zulauf zu einer Umkehrosmoseanlage gestellt werden. Daher ist eine entsprechende weitere Aufbereitung möglich, sodass ein Wasserkreislauf geschlossen werden kann. Viele Beispiele der Wasseraufbereitung zeigen, dass Membrananlagen mit sehr hohen Durchsätzen energie- und kosteneffizient betrieben werden können.

Direkte Nutzung von Membranen in Reaktoren

Die Integration von Membranen in Reaktoren- bzw. Bioreaktoren eröffnet die Möglichkeit, Zwischen- und/oder Nebenprodukte einer Reaktion selektiv aus einem Reaktionsgemisch abzutrennen. Diese direkte Nutzung von Membranen in Reaktoren wird in der chemischen Industrie bisher noch wenig angewendet, ist jedoch Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte. Da viele Reaktionen in einem räumlich beschränkten Reaktionsraum bei hohen Temperaturen ablaufen, werden entsprechend temperaturbeständige und selektiv wirkende Membranen gefordert. Dagegen können bei vielen biochemischen Reaktionen vorhandene Polymermembranen genutzt werden. Daher sind Bio-Membranreaktoren auch im industriellen Maßstab bereits häufig im Einsatz. Durch eine kontinuierliche Abtrennung von Wertprodukten und/oder Hemmstoffen aus dem reagierenden Stoffgemisch können chemische bzw. biochemische Reaktionen bei optimalen Bedingungen betrieben werden. Das Reaktionsgleichgewicht kann dadurch zur Produktseite hin verschoben und mögliche Folgereaktionen können unterdrückt werden. Oft werden dadurch der Umsatz und die Raum-Zeit-Ausbeuten wesentlich erhöht und eine Prozessintensivierung erreicht.

Membranen in Reaktoren können auch als Träger für einen (Bio-)Katalysator dienen, sodass zusätzlich zur selektiven Stofftrennung auch eine beschleunigte Stoffumwandlung erreicht wird. Der wirtschaftliche Einsatz von Enzymen wurde oft erst durch den Membraneinsatz ermöglicht, da damit eine wirtschaftlich ausreichend lange der Nutzungsdauer der wertvollen Biokatalysatoren erreicht wurde.

Das Potenzial der Membrantechnik wird heute bereits vielfach genutzt, jedoch sind noch zahlreiche Entwicklungen, insbesondere zur Prozessintensivierung, möglich.

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