Richtig eingesetzt, können mit modernen Membrantechnologien belastete Industrieabwässer besser aufbereitet werden, als es allein mit klassischen Klärtechniken möglich ist. An der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirtschaft agiert unser Applikationszentrum Membrantechnologie in Schmalkalden. Auf rund 370 m² betreibt das Fraunhofer IKTS mehr als 20 Labor- und Pilotanlagen, die für die spezifischen Einsatzszenarien eigens konstruiert wurden. Hier werden neue Membranprototypen charakterisiert, effektive Reinigungsstrategien entwickelt sowie Machbarkeitsstudien und Feldversuche für Industriekunden und Forschungspartner durchgeführt.

Technologievermittler zwischen Wissenschaft und Wirtschaft

»Wir arbeiten im Applikationszentrum Membrantechnologie sehr anwendungsorientiert. Wir verstehen uns als Technologievermittler für modernste Membrantechnologien hinein in die Industrie«, betont Dipl.-Umweltwissenschaftler Christian Pflieger. Das Applikationszentrum des Fraunhofer IKTS deckt das ganze Spektrum klassischer und fortgeschrittener Membrantechnologien ab. Dazu gehören zum einen Polymermembranen, die heute den Weltmarkt für Membranen dominieren, weil sie preiswert, leicht formbar und günstig herstellbar sind. Zum anderen konzentriert sich das Applikationszentrum auf Membranen aus Oxid- und Nichtoxidkeramiken wie Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ oder SiC. Sie halten im Vergleich zu Polymermembranen hohen Temperaturen und Drücken, aggressiven oder heißen Medien sowie Abriebmaterialien im Prozesswasser besser stand, was sie für viele Anwendungen attraktiv macht. Mit gut aufeinander abgestimmten Reinigungsprozessen und robusten Keramikmembranen konnte beispielsweise in kundenspezifischen Labor- und Feldtests gezeigt werden, dass sich Färbewasser aus der Textilindustrie, Waschwasser aus der Textilreinigung oder Spülwasser aus der Keramikindustrie so weit aufreinigen lassen, dass sie als Brauchwasser zurück in den Fabrikkreislauf geleitet werden können. Sind Pilotversuche wie in diesen Fällen erfolgreich, entwickeln die Forschenden im Anschluss Konzepte für die Integration dieser effektiven Membranverfahren in den kundespezifischen Prozess. Dabei legt das IKTS-Team um Christian Pflieger nicht nur die optimalen Betriebsparameter wie Temperatur, Druck und Überströmungsgeschwindigkeit fest, sondern beschäftigt sich auch damit, wie sich die Membranen später im Prozess wieder reinigen lassen.

Junge Membranverfahren zur Marktreife führen

Im Applikationszentrum Membrantechnologie werden aber auch bisher selten genutzte Technologien weiterentwickelt: Wenn beispielsweise Silber oder Zink aus alten Bergbauhalden ausgewaschen werden, können mit der sogenannten Membran-Extraktion Schwermetalle als Rohstoffe zurückgewonnen werden. Das relativ junge Verfahren der Membran-Destillation ist wiederum einsetzbar, um beispielsweise aus Abwässern der Milchindustrie hohe Salzfrachten zu entfernen. Durch die dampfdruckgetriebene Membran-Destillation kann eine salzhaltige Flüssigkeit durch steten Wasserentzug nahe an die Grenze zur Auskristallisation des gelösten Salzes gebracht werden. Diese hoch salzhaltige Flüssigkeit wird dann entweder weiterverarbeitet oder entsorgt. Vorteilhaft ist, dass sich das bis dahin abgetrennte Wasser wiederverwenden lässt. Für dieses Verfahren entwickeln die Forschenden nicht nur die optimale Prozessführung, sondern auch spezielle Keramikmembranen mit einer wasserabweisenden Beschichtung.

Keramikmembranen werden zunehmend preiswerter

Trotz der zahlreichen Vorteile, die Keramikmembranen bieten, werden sie heute häufig aus Kostengründen nicht eingesetzt. Angesichts des hohen technologischen Potenzials arbeiten dennoch mehrere Unternehmen in Japan und Deutschland daran, die Herstellungskosten für keramische Membranen spürbar zu senken. Auch das Applikationszentrum Membrantechnologie zielt auf einen breiteren und preiswerteren Einsatz. Die Ansätze des IKTS-Teams konzentrieren sich auf die Steigerung der aktiven Membranfläche durch die Entwicklung immer größerer Mehrkanalelemente. Damit kann der erzielbare Abwasserdurchsatz deutlich erhöht werden. Frühe Membranelemente hatten eine effektive Membranfläche von 0,25 m², dieser Wert wurde inzwischen auf 4,5 m² erhöht. Derzeit laufen bereits Tests mit Prototypen mit einer Membranfläche von bis zu 10 m². Je größer die Membranfläche eines Elements ist, desto geringer sind im Vergleich die Herstellungskosten, was zu einer weiter steigenden Marktakzeptanz für Keramikmembranen führen sollte. Die technologischen Herausforderungen liegen dabei auf der komplexeren Formgebung des keramischen Trägers und dessen gleichmäßiger Beschichtung mit den verschiedenen Membranschichten. Damit verändern sich auch die Anforderungen an das Membrangehäuse. Auch hier liegt ein Schwerpunkt des Applikationszentrums. Abgestimmt auf die jeweilige Membrangeometrie konstruieren die IKTS-Mitarbeiter das passende Membrangehäuse für den Einbau in die spezifische Abwasseraufbereitungsanlage.

Weiterführende Informationen

• IKTS-Gruppe »Membranverfahrenstechnik und Modellierung«

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