Keramische Membrantechnologie zur Wasserreinigung und Wertstoffrückgewinnung – Ultrafiltration organischer Bestandteile aus komplexen industriellen Abwässern –

Keramische Membrantechnologie zur Wasserreinigung und Wertstoffrückgewinnung – Ultrafiltration organischer Bestandteile aus komplexen industriellen Abwässern – von Ebrahimi,  Mehrdad
Zu der Aufbereitung von unterschiedlich belasteten industriellen Abwässern und Abwasserteilströmen aus der Zellstoff‐ und Ölindustrie mit extremen chemischen und physikalischen Eigenschaften wurden effiziente Filtrationsverfahren mittels keramischer Ultrafiltrationsmembranen entwickelt. Das Ziel dabei war die Rückgewinnung von gereinigtem Prozesswasser sowie hochkonzentrierten organischen Inhaltsstoffen aus Abwässern. Um dieses Ziel erreichen zu können, wurden effektive und nachhaltige Maßnahmen zur Prävention, Milderung bzw. Kontrolle des Membranfoulings auf der Basis eines besseren Verständnisses für die auftretenden Foulingarten und ‐mechanismen etabliert. Hierfür ist vor allem eine umfassende Charakterisierung der relevanten Membran‐ sowie Prozessparameter notwendig, um für diese Aufgabe die am geeignetste/n Membran/en auszuwählen sowie maßgeschneiderte Membranprozessparameter und Reinigungsstrategien etablieren zu können. Obwohl die Eigenschaften der eingesetzten keramischen Membranen und die zu untersuchenden relevanten Prozessparameter so vielfältig und unterschiedlich waren wie die Charakteristik und Zusammensetzung der zu behandelnden Abwasserströme, eines hatten dennoch alle Projekte und durchgeführten Untersuchungen im Kern gemeinsam: die Notwendigkeit zur nachhaltigen und effektiven Bekämpfung des Phänomens Membranfouling.
Aktualisiert: 2022-10-27
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Arsenentfernung mit Ultra-Low-Pressure Ultrafiltration (ULPUF)-Kombinationsverfahren zur Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern

Arsenentfernung mit Ultra-Low-Pressure Ultrafiltration (ULPUF)-Kombinationsverfahren zur Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern von Garbowski,  Michael
Die vorliegende Dissertation widmet sich der Entwicklung von verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Erweiterung von Ultra-Low-Pressure Ultrafiltration (ULPUF) mit dem Ziel der Bereitstellung von arsenfreiem Trinkwasser in wirtschaftlich schwachen Regionen der Erde. Zur Arsenentfernung auf den WHO-Richtwert von 10 μg/L wurde die Kombination der ULPUF mit der Adsorption an Tonerde (C-ULPUF) und der Elektrokoagulation (EC-ULPUF) untersucht.
Aktualisiert: 2022-03-17
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Entwicklung und Untersuchung getauchter Niederdruck-Spiralwickel-Elemente zur Ultrafiltration

Entwicklung und Untersuchung getauchter Niederdruck-Spiralwickel-Elemente zur Ultrafiltration von Steinle,  Jan Paul
Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden Spiralwickelelemente mit einem offenkanaligen Tunnelspacer für die Ultrafiltration im Unterdruckbetrieb entwickelt, gefertigt und getestet. Dabei wurde die Fertigungstechnologie für Spiralwickelelemente an die Anforderungen angepasst, die sich durch das Membranmaterial, den Tunnelspacer, die Luftspülung, den Unterdruckbetrieb und die Rückspülmöglichkeit ergaben. Durch Laboruntersuchungen und CFD-Simulationen nach einem im Rahmen der Arbeit entwickelten Strömungsmodells konnte eine optimale Blasengröße und damit auch optimale Kanalhöhe des Tunnelspacers von 5 mm bestimmt werden. Zur Erzeugung geeigneter Luftblasen mit an das Spiralwickelelement angepasster geometrischer Verteilung wurden mehrere Systeme getestet und ein geeignetes Design mittels 3D-Drucker gefertigt. Zur Fertigung des Tunnelspacers wurde eine entsprechende Vorrichtung konstruiert und erstellt. Nach Konzeption und Bau einer vollautomatischen und fernbedienbaren Pilotanlage wurden Technikums- und Feldversuche zur Partikel- und Belebtschlammfiltration durchgeführt. Gegenstand der Versuche war die Entwicklung und Untersuchung von angepassten Filtrationstechniken unter Minimierung der Spülluftmenge, sowie die Untersuchung und Optimierung von Reinigungsprozeduren. Weiterhin wurde eine automatische Regelung und Steuerung zur Minimierung des erforderlichen spezifischen Energiebedarfes durch Anpassung von angewandtem Unterdruck, Spülluftvolumenstrom und Filtrationsszenario in Abhängigkeit der jeweiligen Permeabilität realisiert. Es konnten verschiedene Suspensionen (Belebtschlamm, Partikel) filtriert werden, ohne dass eine nennenswerte Verstopfung der Module auftrat. Voraussetzung dafür ist aber, dass die zu filtrierende Suspension keine faserigen Bestandteile oder größere Partikel im Bereich oberhalb einiger Millimeter enthält. In Bezug auf die Luftspülung und die Fertigung der Membranmodule hat sich eine Spacerhöhe von 5 mm als geeignet erwiesen. Bei kleineren Spacerhöhen wird die Verteilung des Gasvolumenstroms auf die einzelnen Kanäle des Feedspacers inhomogen. Mit einer Spacerhöhe von 5 mm konnten auch formstabile Spiralwickelelemente gefertigt werden, die eine hohe Packungsdichte aufweisen. Weiterhin sind die gefertigten Elemente in ausreichendem Maße rückspülbar, ohne dass die Membrantaschen durch den notwendigen Spüldruck aufreißen. Daher besteht die Möglichkeit, die Module sowohl von der Feedseite als auch von der Permeatseite aus chemisch zu reinigen und diese Reinigung ohne Ausbau der Elemente durchzuführen. Für die Filtration fester Partikel lässt sich eine Ablagerung der Partikel anhand eines Kräftegleichgewichtes in Abhängigkeit von Filtrationsvolumenstrom, Partikeldurchmesser und Überströmungsgeschwindigkeit abschätzen. Dabei zeigt sich, dass bei den eingesetzten Begasungsraten bis etwa 0,2 m³/(m²h) relativ geringe Überströmungsgeschwindigkeiten bis 0,4 m/s erreicht werden. Die geringen Überströmungsgeschwindigkeiten gehen mit einem geringen Energiebedarf einher, allerdings führt die geringe Überströmungsgeschwindigkeit auch dazu, dass bei sich bei geringeren Permeatvolumenflüssen noch Partikel auf der Membran ablagern. Für die eingesetzten Betriebsbedingungen ergeben sich dabei ein kritischer Partikeldurchmesser von etwa 1 μm und ein limitierender Permeatfluss von 10 L/(m²h). Durch den gezielten Einsatz von Rückspülungen oder bei der Filtration größerer Partikel lässt sich der tatsächlich erzielte Permeatfluss weiter erhöhen. Der notwendige Energiebedarf ist abhängig von der Betriebsweise, sowie dem zu filtrierenden Medium und dessen Konzentration, da diese sich auf die Permeanz des Membranmoduls auswirken. Bei der Belebtschlammfiltration für kommunales Abwasser wurden ca. 150 Wh/m³ benötigt und für die Partikelfiltration konnte der Energiebedarf auf 40 bis 60 Wh/m³ reduziert werden. Damit liegt der benötigte spezifische Energiebedarf deutlich unterhalb dem von vergleichbaren Systemen. Da insbesondere die Versuche zur Partikelfiltration sehr vielversprechende Ergebnisse geliefert haben, bieten sich beispielsweise wässrige Prozessströme aus der Keramikindustrie zur Filtration bzw. zur Aufkonzentrierung an. Hier können durch die neuen getauchten Spiralwickelelemente physikalisch/chemische Verfahren ersetzt und damit der Einsatz von Chemikalien vermieden werden. Im Vergleich mit im Cross-Flow Betrieb eingesetzten Ultra- und Mikrofiltrationsverfahren ist der erforderliche spezifische Energiebedarf erheblich geringer. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet ist der Einsatz des getauchten Moduls zum Rückhalt der Biomasse aus einem Fermenter. Durch Filtration von Fermentationsbrühen kann die im Fermenter vorhandene Biomassekonzentration durch den Rückhalt der Biomasse erhöht werden und das Produkt gegebenenfalls bereits während der Fermentation abgezogen werden. Hierdurch kann die räumliche und zeitliche Ausbeute möglicherweise deutlich erhöht werden.
Aktualisiert: 2023-01-27
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Modellierung von Membrantrennverfahren am Beispiel der Ultrafiltration in der biotechnologischen und der Pervaporation in der chemischen Verfahrenstechnik

Modellierung von Membrantrennverfahren am Beispiel der Ultrafiltration in der biotechnologischen und der Pervaporation in der chemischen Verfahrenstechnik von Thiess,  Holger
Membrantrennverfahren stellen in der biopharmazeutischen und chemischen Verfahrenstechnik eine wichtige Grundoperation dar. Zwei Beispiele sind die Ultrafiltration, eingesetzt bei der Herstellung von biologischen Makromolekülen wie monoklonalen Antikörpern, und die Pervaporation, welche sich beispielsweise bei der Dehydrierung von Lösungsmitteln eingesetzt wird. Aus diesen Beispielen folgt die industrielle Nachfrage nach Methoden für Auslegung, Scale-up und Optimierung von diesen Trennverfahren. Hierbei bietet sich die computergestützte Modellierung gekoppelt mit gemessenen Realdaten im Vergleich zu häufig eingesetzten empirischen Vorgehensweisen an. Die Modellentwicklung setzt dabei ein hohes Maß an Prozessverständnis und damit Kenntnisse über die relevanten Transportphänomene für Stoff-, Wärme- und Impulstransport voraus. In dieser Arbeit werden Modelle für die Membrantrennverfahren Pervaporation und Ultrafiltration entwickelt. Mit dem Ziel der Dehydrierung von Lösungsmitteln wird für die Pervaporation ein physiko-chemisches Modell ausgearbeitet. Mit Hilfe unterschiedlicher Versuche im Mini-Plant-Maßstab erfolgt eine Modellparameterbestimmung und -validierung. Anhand von Realdaten einer großtechnischen Anlage konnte der Nachweis der Skalierbarkeit des entwickelten Modells erbracht werden. Für Ultrafiltrationskassetten mit schwebenden Gewebeeinbauten wird in dieser Arbeit ein statistischer Versuchsplan aufgestellt, der vier Moduleigenschaften, mit dem Ziel den Einfluss des Moduldesign auf die Leistung der Kassetten zu untersuchen und zu quantifizieren, variiert. Hierzu erfolgt eine detaillierte Analyse des Stofftransport- und Druckverlustverhaltens und eine statistische Modellierung im Hinblick einer optimierten Modulgeometrie.
Aktualisiert: 2020-01-28
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Membranverfahren

Membranverfahren von Rautenbach,  Robert
Membranverfahren haben sich in den vergangenen 15 Jahren von einem exotischen Sonderverfahren zu einem zuverlässigen Standardverfahren entwickelt. Für die Zwecke der Meerwasserentsalzung und Abwasseraufbereitung, aber auch für die Trennung organischer Stoffgemische in der chemischen Industrie stehen Polymer- und anorganische Membranen zur Verfügung, die selektiv, leistungsfähig und in hohem Maße beständig sind.Ausgehend von den verfahrenstechnischen Grundlagen werden in diesem Werk Methoden aufgeführt und hinsichtlich Genauigkeit und Grenzen diskutiert, die den Leser in die Lage versetzen, Anlagen schnell und doch mit ausreichender Sorgfalt auszulegen und mit Alternativen zu vergleichen.
Aktualisiert: 2022-03-11
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Kontinuierliche Aufarbeitung von Polymerlösungen mithilfe skalierbarer Apparatekonzepte – Untersuchungen zur Ultrafiltration und Hochdruckextraktion

Kontinuierliche Aufarbeitung von Polymerlösungen mithilfe skalierbarer Apparatekonzepte – Untersuchungen zur Ultrafiltration und Hochdruckextraktion von Cvetanoska,  Gordana
Ziel dieser Arbeit ist es, ein skalierbares, energie- und ressourceneffizientes kontinuierliches Aufarbeitungsverfahren zu identifizieren und technisch zu bewerten. Die Veränderung des Produktportfolios im Bereich der Polymere und die steigende Anforderung an die Verringerung der Restmonomere in den Polymerprodukten bewirken die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Herstellungskonzepte. Dabei ist es notwendig, die Batch-Mehrprodukt-Anlagen mit kontinuierlichen und energieeffizienteren Anlagen zu ersetzen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf physikalischen Trennverfahren zur Aufreinigung von einem wasserlöslichen Spezialpolymer. Die Auswahl zweckmäßiger Trennverfahren wird zunächst anhand der umfassenden Analyse getroffen. Zu diesem Zweck werden die Herausforderungen bei der konventionellen Skalierung von Apparaten und Prozessen erläutert, deren Entwicklung durch die neuartigen Ansätze zur Skalierbarkeitsstrategien formuliert und die modularen Apparate dargestellt. Die Trennaufgabe Entmonomerisierung der ausgewählte PVP Lösung wird am besten mittels Ultrafiltration und Hochdruckextraktion mithilfe von überkritischem CO2 erfüllt. Verschiedene Membranmodule bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen werden experimentell untersucht und die für diese Trennaufgabe geeigneten Membranmodule ausgewählt.Unter bestimmten Annahmen wird mithilfe der experimentellen Daten und einer, auf der PC-SAFT Zustandsgleichung basierenden, in Aspen Plus durchgeführten Simulation eine Anlage für Hochdruckextraktion grob ausgelegt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der beiden Trennverfahren für Entmonomerisierung der PVP-NVP-H2O Lösung auf Basis der generierten Ergebnisse.
Aktualisiert: 2020-12-08
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