FreeSpace – Verringerung von Membranfouling durch Ausnutzung hydrodynamischer Effekte

Grundlagenforschung zur Ausnutzung hydrodynamischer Effekte zur Verringerung des Membranfoulings durch die Einführung spezieller Anordnungen neuartiger Feed-Spacer-Geometrien in Kombination mit unregelmäßigen Membranoberflächenmustern

Nanofiltration- (NF) und Umkehrosmose- (RO) Membranen sind hochselektiv gegenüber Salzen, Mikroschadstoffen und anderen „emerging contaminants“ und ermöglichen dadurch eine effektive Behandlung von Industrie- und Siedlungsabwässern sowie die Entsalzung von Brack- und Meerwasser. Membranfouling ist indessen eine wesentliche Einschränkung, die zu einem Anstieg der Druckdifferenz im Feed-Konzentrat-Kanal, niedrigerem Membranflux und höheren Gesamtbetriebskosten von Membranfiltrationsanlagen führt. Um Membranfouling zu mildern wurden unter anderem eine Anpassung der Feed-Spacer-Geometrie sowie Membranoberflächenmuster geprüft.

In diesem DFG-geförderten Forschungsprojekt planen wir, synergistische Einflüsse der Membranoberflächenmuster und der Feed-Spacer-Geometrie auf die Fluiddynamik und die Partikelabsetzmechanismen im Feed-Konzentrat-Kanal unter bestimmten Betriebsbedingungen zu untersuchen. Diese Forschung wird unser Verständnis der fundamentalen Designkriterien, die die Gesamtleistung des Moduls bestimmen, fördern. Mit diesem Verständnis werden wir spezielle Anordnungen von Feed-Spacern und Membranoberflächenmustern entwickeln. Wir nehmen an, dass dieses neuartige Entwicklungskonzept höhere Verfahrenseffizienz, längere Lebensdauer der Module und geringeren Energieverbrauch ermöglicht.

Biofouling (Akkumulation von Mikroorganismen und anschließendes Biofilmwachstum auf der Membran) ist insbesondere in NF- und RO-Membranfiltrationsanlagen relevant. Daher führen wir beschleunigte Biofouling-Experimente mit semi-synthetischem Feed durch, um die räumliche und zeitliche Entwicklung von Biofouling auf Membranen mit Oberflächenmustern zu verstehen. Ein vordefiniertes Biofouling-Protokoll ermöglicht uns die wohldefinierte und reproduzierbare Durchführung der Biofouling-Experimente.

Parallel zu diesem experimentellen Ansatz erstellen wir ein CFD-Modell der fluiddynamischen Verhältnisse im Feed-Konzentrat-Kanal mit oberflächengemusterten Membranen. CT-Aufnahmen gewährleisten eine präzise Darstellung der Feed-Spacer-Geometrie. Wir planen mit diesem CFD-Modell sowohl die Fließbedingungen auf Makroebene im gesamten Feed-Konzentrat-Kanal als auch die Fließbedingungen auf Mikroebene in direkter Nähe der Membranoberflächenmuster zu untersuchen.