Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nanotubes, CNT) stellen eine bedeutende Klasse der Kohlenstoff-basierten Nanomaterialien dar, für die zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der Filtration, diskutiert werden. Bei erfolgreicher Projektbearbeitung werden erstmalig praktisch einsetzbare CNT-Membranen existieren, die vielfache Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Membranen aufweisen und für die Aufbereitung von Prozesswasser insbesondere der Erdöl- und Erdgasförderung geeignet sind. Durch die entwicklungsbegleitende Betrachtung von ökonomischen, ökologischen und ökotoxikologischen Aspekten soll eine nachhaltige Entwicklung der neuen Filtrationstechnologie gewährleistet werden.
Im vorliegenden Projekt sollen dünnwandige, keramische Membranen angepasster Benetzbarkeit und hoher volumenspezifischer Membranfläche entwickelt und zur nachhaltigen Aufbereitung von Bergbauabwässern mittels Nanofiltration und Membrandestillation erprobt werden.
Die Filtration von Bergbauwässern ist in Bezug auf Trübstoffe und Scaling mit hohem Risiko für Abrasion und Modulverblockung verbunden, weshalb der Einsatz keramischer Membranen sinnvoll ist. Gleichzeitig handelt es sich um hohe Volumenströme, so dass große Membranflächen zum Einsatz kommen und preiswerte Membranen mit hoher volumenspezifischer Membranfläche benötigt werden.
Im Verbund wird die gesamte Wertschöpfungskette von der Membranentwicklung, über die Membranherstellung, die Verfahrensentwicklung, den Anlagenbau bis hin zur Anwendung abgebildet.
Im Fokus des Forschungsprojektes mit dem Namen „Material- Auswahlbox zur Herstellung von Hochleistungs-Ultrafiltrations (UF) Membranen für die Wasseraufbereitung (MABMEM)“ steht die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Membranen für eine nachhaltige Wasserwirtschaft zur Rohwasser- und Abwasseraufbereitung. Unter Leitung von BASF SE und mit weiterer Beteiligung des Industriepartners inge GmbH, der Lehrstühle Technische Chemie und Mechanische Verfahrenstechnik / Wassertechnik der Universität Duisburg-Essen, der Forschungsinstitute IWW und Helmholtz-Zentrum Geesthacht sowie der Wasserversorger Enwor und OOWV liefert das Projekt damit einen signifikanten Beitrag zum ressourcen-schonenden Umgang mit Wasser.
Für die Wasserfiltration steht heute bereits eine ganze Reihe unterschiedlicher Membrantypen zur Verfügung. Gemeinsam ist diesen kommerziell eingesetzten Membranen, dass im Wesentlichen die unterschiedlichen Trenngrenzen für den Größenausschluss funktionell genutzt werden. Die darunterliegende poröse Struktur, die eine hohe spezifische Oberfläche bietet, bleibt dagegen ungenutzt. In diesem Vorhaben werden Materialien und Verfahren entwickelt, um die Membran vollständig räumlich zu nutzen. Hierfür werden neue Beschichtungsmaterialien und neue partikuläre Additive entwickelt. Diese werden entweder direkt in den Herstellungsprozess oder in einem Nachbehandlungsschritt in die Membran integriert. Durch diesen Ansatz sind Membranen zugänglich, die zusätzlich zur ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden können.
Ziel dieses Forschungshabens ist die Herstellung und Erprobung säurebeständiger Umkehrosmose-Rohrmembranmodule für die Aufbereitung partikelhaltiger Prozesswässer durch neue Beschichtungsverfahren mit maßgeschneiderten polymeren Grenzschichten. Diese werden sowohl generativ – d.h. Schicht für Schicht – als auch in einer reaktiven Grenzflächenpolymerisation aufgebracht. Durch den Einsatz von verschieden langen und verschieden geladenen Polyelektrolyten soll die Trenneigenschaft maßgeschneidert werden. Die Entwicklung der säurebeständigen Rohrmembranmodule erfolgt für partikelhaltige Prozesswässer aus der Oberflächenbehandlung. Die Entwicklung soll in einem einzigen Verfahrensschritt die Abtrennung eines nahezu ionenfreien Permeats zur Wasserkreislaufführung für die industrielle Produktion ermöglichen.
Bildnachweis: v.o. ©Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V., ©Shell Global Solutions International B.V, ©DECHEMA, ©Fraunhofer IGB, ©atech
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