Inhaltsverzeichnis 1 Membranprozesse - Triebkräfte und Transportwiderstände Membranen Strukturen, Werkstoffe und Herstellung...

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Membranprozesse - Triebkräfte und Transportwiderstände Einleitung: Membranen, Module, Membranverfahren Grundbegriffe Selektivität, Fluss, Rückhalt Triebkräfte und Widerstände Universelle Triebkraft: Differenz des chemischen Potenzials Transportwiderstände an der Membran Zusammenfassung...16 Formelzeichen und Indizierung Membranen Strukturen, Werkstoffe und Herstellung Einleitung Klassifizierung von Membranen Organische Membranen Membranmaterialien und deren Wahl Struktureigenschaften von Polymeren Betrachtung der Vorgänge in Membranen auf molekularer Ebene Vorhersage der Permeabilität dichter Membranen Organische asymmetrische Membranen Organische symmetrische Membranen Anorganische Membranen Historische Entwicklung der anorganischen Membranen Symmetrische poröse anorganische Träger Asymmetrische poröse anorganische Membranen Zeolithmembranen - Aktive Schicht aus Zeolith-Kristallen Heterogene Membranen aus Kombination anorganischer und organischer Werkstoffe Porenfreie anorganische Membranen Flüssige Membranen, Membranen mit Carrier Erleichterter Stofftransport durch Membranen...65 Literatur...66

2 X Inhaltsverzeichnis 3 Modellierung des Stofftransportes in Membranen Einleitung Porenmodell für Filtrationsanwendungen Lösungs-Diffusions-Modell für porenfreie Membranen Sorption Diffusion Berechnungsbeispiele Modelle für den Gas- und Dampftransport in porösen Materialien Stofftransport in Makro- und Mesoporen Stofftransport in Mikroporen Transport in Membranen mit Oberflächenladungen Zusammenfassung Berechnungsbeispiele Formelzeichen und Indizierung Literatur Stoffaustausch an Membranen Triebkraftmindernde Effekte Lokale Transportwiderstände Feedseitige Konzentrationspolarisation Transportwiderstand der porösen Stützschicht Axiale Rückvermischung Vorgehensweise zur Berechnung der örtlichen Membranleistung Einfluss der Einbaurichtung asymmetrischer Membranen Maßnahmen zur Verbesserung des Stoffübergangs an der Membran Erzeugung von Mehrphasenströmungen Feed-Spacer in Membranmodulen Formelzeichen und Indizierung Literatur Modulkonstruktionen Einleitung Strömungsführung im Modul Anforderungen an Modulkonstruktionen Module mit Schlauchmembranen Rohrmodul Hohlfaser-/ Kapillarmodul Module mit Flachmembranen Plattenmodul Kissenmodul Wickelmodul Getauchte Module für die Wasseraufbereitung Moduloptimierung Konstruktive Maßnahmen zur Optimierung des Stoffaustausches Kostenoptimierung Zusammenfassung

3 Inhaltsverzeichnis XI Formelzeichen und Indizierung Literatur Anlagenentwurf und Modulanordnung Einleitung Parallel- und Reihenschaltung Modulanordnung innerhalb einer Stufe Mehrstufige Anlagenverschaltung Gaspermeation Umkehrosmose Anlagenauslegung Näherungsrechnungen Integration der differentiellen Bilanzen mit Vereinfachungen Abschätzung mittels integraler Bilanzen Formelzeichen und Indizierung Literatur Kosten Investitionskosten - Methoden zur Kostenschätzung Faktormethode nach H.J. Lang Ermittlung der Kosten für die Hauptaggregate Verbesserte Faktormethode nach Miller Kapazitätsmethode Laufende Kosten Wirtschaftlichkeit Fixe Betriebskosten Variable Betriebskosten Spezifische Kosten Meerwasserentsalzung mittels Umkehrosmose zur Kesselspeisewassererzeugung Formelzeichen und Indizierung Literatur Umkehrosmose Einleitung Membranbeständigkeit Hydrolyse Beständigkeit gegen freies Chlor Empfindlichkeit von Membranen gegenüber Sauerstoff und Ozon Beständigkeit gegen Lösungsmittel Osmotischer Druck Viskositätseinfluss Membranverblockung infolge von Kristallisation (Scaling) Membranverblockung infolge Verschmutzungen (Fouling) Membranflächen-, Leistungs- und spezifischer Energiebedarf Beispiele für den Einsatz der Umkehrosmose Beispiel: Rückgewinnung von ε-caprolactam (ε-cap.) Beispiel: Reinigung von Deponiesickerwasser...270

4 XII Inhaltsverzeichnis 8.9 Aufgabe: Auslegung einer Meerwasserentsalzungsanlage Kostentwicklung der Trinkwassergewinnung aus Meerwasser Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Nanofiltration Abgrenzung zur Umkehrosmose und Ultrafiltration Kommerzielle NF-Membranen, Einsatzgebiete Berechnung des Trennverhaltens von NF-Membranen Donnan-Effekt Druck- und konzentrationsabhängiger Rückhalt Druckabhängigkeit Konzentrationsabhängigkeit Vergleich von NF und RO Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Ultrafiltration und Mikrofiltration Verfahrensbeschreibung Membranen in der Ultra- und Mikrofiltration Mikrofiltrationsmembranen Ultrafiltrationsmembranen Prozessführung und Modulsysteme Dead-End-Betrieb Cross-Flow-Betrieb Getauchte Membranen Modellierung des Stofftransportes bei der Ultra- und Mikrofiltration Diffusionsmodelle Hydrodynamische Modelle Membranfouling Foulants Foulingmechanismen und -phänomene für poröse Membranen Einfluss der Membraneigenschaften auf das Foulingverhalten Chemische Reinigung Anwendungen in der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung Einsatzkonzepte Anwendungsbeispiele aus der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung Berechnungsbeispiel Formelzeichen und Indizierung Literatur

5 Inhaltsverzeichnis XIII 11 Elektrodialyse Verfahrensbeschreibung Ionenaustauschermembranen: Prinzip, Eigenschaften und Herstellung Prinzip Eigenschaften Herstellung von Ionenaustauschermembranen Aufbau und Betriebsweisen von Elektrodialyseanlagen Aufbau Betriebsweisen der Elektrodialyse Auslegung von ED-Anlagen Ermittlung der erforderlichen Membranfläche Grenzstromdichte Kosten und Anwendung des Verfahrens Verfahrensvarianten Donnan-Dialyse Kombination der Elektrodialyse mit Ionenaustausch Elektrodialyse mit bipolaren Membranen Weitere Anwendungsvarianten Berechnungsbeispiel: Auslegung einer Brackwasserelektrodialyse Aufgabenstellung Lösung Formelzeichen und Indizierung Literatur Pervaporation / Dampfpermeation Verfahrensbeschreibung Membranen und Module Hydrophile Membranen Hydrophobe Membranen Module Diskussion der leistungsbestimmenden Parameter Leistungsminderung durch Polarisationseffekte Verfahrensauslegung Anwendungsbeispiele Leistungsvergleich anorganischer Membranmaterialien Hybridprozess Pervaporation/Destillation Zusammenfassung und Ausblick Formelzeichen und Indizierung Literatur Gaspermeation Einleitung Trennmechanismen von GP-Membranen Stofftransport in porösen Membranen Stofftransport in mikroporösen Membranen Stofftransport in dichten Membranen...450

6 XIV Inhaltsverzeichnis 13.3 Membranwerkstoffe Polymerwerkstoffe Anorganische Werkstoffe Modulkonstruktionen Hohlfasermodul / Kapillarmodul Wickelmodul Kissenmodul Lokale Trenncharakteristik Trennung von Binärgemischen Mehrkomponentengemische Joule-Thomson-Effekt Modul- und Anlagenauslegung Kennfelder Mittelwertrechnung Anwendungsbeispiele Stickstoffanreicherung Lösemittelrückgewinnung aus Abluft Berechnungsbeispiele Formelzeichen und Indizierung Literatur Membrankontaktoren Einleitung Verfahrensprinzip Abgrenzung von anderen Membranprozessen Vergleich mit klassischen Kontaktapparaten Membranen Modulkonstruktionen Auslegung von Membrankontaktoren Auslegungsheuristiken Auslegungsgleichungen Stofftransportvorgänge in Membrankontaktoren Korrelationen für Transportkoeffizienten Druckverlust und transmembraner Druck Auslegungsbeispiel Anwendungen Pertraktion Diffusionsdialyse Membrandestillation Kommerzielle Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Anhang A: Herleitung der allgemeinen Transportgleichung Anhang B: Beschreibung des Stoffdurchgangs Formelzeichen und Indizierung Literatur

7 Inhaltsverzeichnis XV 15 Membranreaktoren Einleitung Extraktorprinzip Selektive Produktentfernung Pervaporationsmembranreaktoren Katalysatorrückhalt Distributorprinzip Partielle Oxidationsreaktionen Kopplung von Reaktionen Kontaktorprinzip Mehrphasenkontaktor Unselektiver Grenzflächenkontaktor Erzwungene Durchströmung Flüssige Membranen Membranbioreaktoren Selektive Produktentfernung Rückhalt von Biokatalysator Selektive Substratzugabe Mehrphasenkontaktor Membranbioreaktoren in der Wasseraufbereitung Zusammenfassung Formelzeichen und Indizierung Literatur Sachverzeichnis...573

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