Membranen. Grundlagen, Verfahren und industrielle Anwendungen WILEY- VCH. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

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1 Membranen Grundlagen, Verfahren und industrielle Anwendungen Herausgegeben von Klaus Ohlrogge und Katrin Ebert WILEY- VCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort XVII Autorenliste XIX 1 Polymermembranen 1 Klaus-Viktor Peinemann und Suzana Pereira Nunes 1.1 Einführung Phaseninversions-Prozess zur Herstellung von Membranen Membranen für die Umkehrosmose Membranen für die Ultrafiltration Polysulfone und Polyethersulfone Polyvinylidenfluorid (PVDF) Polyetherimid Polyacrylnitril Cellulose Membranen für die Mikrofiltration Polypropylen und Polytetrafluorethylen Polycarbonat und Polyethylenterephthalat Literatur 18 2 Molekulare Modellierung des Transports kleiner Moleküle in polymerbasierten Materialien 23 Dieter Hofmann und Matthias Heuchel 2.1 Einleitung Grundlagen von MD Methoden für amorphe Polymere Ausgewählte Anwendungen von atomistischen Simulationen Verwendete Hard- und Software Beispiele für die Anwendung von Bulkmodellen für amorphe Polymere Validierung von Packungsmodellen Freies Volumen und Transportprozesse in amorphen Polymeren 34 Membranen: Grundlagen, Verfahren und industrielle Anwendungen Herausgegeben von Klaus Ohlrogge und Katrin Ebert Copyright 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

3 Inhaltsverzeichnis Einfluss von Unterschieden in der Polymerdynamik auf das Permeationsverhalten gummi- und glasartiger Polymere Beispiele für die Anwendung von Grenzflächenmodellen für amorphe Polymere Polymere in Kontakt mit wässrigen Feedlösungen Zusammenfassung Danksagung Literatur 44 3 Oberflächenmodifikationen 47 Mathias Ulbricht 3.1 Einführung - Oberflächen von Membranen Motivation und Ziele für Oberflächenmodifikationen von Membranen Strategien und Wege zur Oberflächenmodifikation von Membranen Anforderungen Grenzschichtchemie, -architektur und -morphologie, Oberflächenbedeckung Wege zu oberflächenmodifizierten Membranen Modifikation des Membranmaterials Grenzflächenchemisch kontrollierte Modifikationen Molekulare Schichten Chemische Reaktionen am Basismaterial Auf dem Basismaterial aufbauende Funktionalisierungen - Pfropfreaktionen zur Einführung makromolekularer funktionaler Einheiten Beschichtungen Mehrstufige Oberflächenmodifikationen Struktur und Funktion oberflächenmodifizierter Membranen Minimierung von Membranfouling Biokompatibilität Verbesserte oder neue Selektivität durch kombinierte Trennmechanismen Erhöhung des Rückhaltes der Membran Erhöhung der Triebkraft für den Membrantransport Membranadsorber Katalytisch aktive Membranen Kommerzielle oberflächenmodifizierte Membranen Schlussfolgerungen und Ausblick Abkürzungen für Polymere Literatur 74

4 Inhaltsverzeichnis VII 4 Vliesstoffe für Membranen 77 Thomas Beeskow 4.1 Einführung Vliesstoffe Herstellungsprozesse Bildung des Flächengebildes Verfestigung des Flächengebildes Optionale abschließende Behandlung des Flächengebildes Aufrollung Rohstoffe für die Vliesstoffherstellung Stützvliesstoffe für Membranen Beschichtungsträger mit direkter Membranverankerung Gleichmäßigkeit Defektfreiheit und Fasereinbindung Haftung auf Vliesstoffen Chemikalien- und Temperaturstabilität sowie mechanische Stabilität Einfluss von Umrollung und Konfektionierung Filtrationsproduktrelevante Bestimmungen für Stützvliesstoffe Beschichtungsträger und Membranleistung Stütz- und Drainageschichten Gleichmäßigkeit, Defektfreiheit und Fasereinbindung Ausblick Literatur Keramische Membranen und Hohlfasern 103 Ingolf Voigt und Stefan Tudyka 5.1 Keramische Membranen 103 Ingolf Voigt Einleitung Historie der keramischen Membranen Aufbau keramischer Membranen Poröse keramische Träger (Supporte) Rohrförmige poröse keramische Träger Platten- und scheibenförmige poröse keramische Träger Membranen Makro-und mesoporöse Membranen Mikroporöse Membranen Dichte Membranen Module Rohrmodule Plattenmodule Rotationsfilter 124

5 VIII Inhaltsverzeichnis '' Trends Kapillaren und Hohlfasern Kompositmembranen Mikrofabrikation Literatur Keramische Hohlfasem 129 Stefan Tudyka Einführung Markt Membrangeometrien Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten Angrenzende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten Hohlfaserherstellung Lyocell-/Alceruverfahren Polysulfonverfahren Spinnprozess und Hohlfasergeometrie Formgebung Trocknen Sintern Charakterisierung Morphologie und Geometrie Biegebruchspannung Vibrationsbeständigkeit Berstdruck Wasserpermeation Beschichtung Modultechnik Schleuderpotten und Standpotten Literatur Medizintechnik 147 Bernd Krause, Hermann Cöhl und Frank Wiese 6.1 Einleitung Nierenersatztherapie Membranen in der Nierenersatztherapie Struktureigenschaften von Dialysemembranen Transporteigenschaften von Dialysemembranen Hämokompatibilität von Dialysemembranen Betriebsarten in der Nierenersatztherapie Ultrafiltrationsmembranen zur Dialysat- und Infusat- Aufbereitung Blutfraktionierung Therapeutische Plasmapherese 161

6 Inhaltsverzeichnis IX Plasmafraktionierung Adsorptive Piasraareinigung Blutoxygenation Prinzip des Gastransportes Membranen/Membraneigenschaften Herstellung von Oxygenationsmembranen Betriebsweisen und Membrananordnung im Oxygenator Die extrakorporale Zirkulation Großtechnische Herstellung von Membranen und Filtern in der Medizintechnik Membranherstellung Dialysatormontage Integritätstest und Qualitätskontrolle Sterilisation Literatur Membranen für biotechnologische Prozesse 189 Ina Pähl, Dieter Mehner und Oscar-W. Reif 7.1 Einführung: Biotechnologische Herstellung von Wirkstoffen - Fermentation Filtrationsverfahren Statische Filtration Dynamische Filtration Membrantypen Porengrößen Filterformen Qualitativer Überblick der Modultypen Ultrafiltration Adsorptionseffekte Membranreinigung Betriebsarten in der Ultrafiltration Durchfluss Membrancharakterisierung Rasterelektronenmikroskopie Bubble-Point-Test Permeabilitätsmessungen Anwendungen der Mikrofiltration Anwendungsbeispiel Filtervalidierung Virenentfernung Beispiel für Cross-Flow Membranchromatografie Einführung Anwendungen Anwendungsbeispiel der Affinitätschromatografie 213

7 X Inhaltsverzeichnis Ausblick für Membranadsorber Literatur Wasseraufbereitung 217 Jens Lipnizki, Ulrich Meyer-Blumenroth, Torsten Hackner, Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen 8.1 Wasserkreisläufe - Spiralwickelmodule 217 Jens Lipnizki und Ulrich Meyer-Blumenroth Einleitung Aufbau eines Spiralwickelmoduls Fouling in Spiralwickelmodulen Spiralwickelmodule in Anlagen Beispiele für die Verwendung von Spiralwickelmodulen in Wasserkreisläufen Zusammenfassung und Konklusion Literatur Vacuum Rotation Membrane (VRM) - das rotierende Membranbelebungsverfahren: Aufbau und Betrieb 232 Torsten Hackner Einleitung Theorie Membranbelebungsverfahren nach dem Niederdruckprinzip VRM-Verfahren Betriebserfahrungen mit VRM-Anlagen Abwasserreinigungsanlage Schwägalp (kommunales Abwasser) Klarfiltration von Brauereiabwasser (Pilotierung) Prozesswasseraufbereitung mit CR-Filtertechnologiee 240 Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen Einleitung Technische Beschreibung des CR-Filters Filteraufbau Funktionsprinzip des CR-Filters CR-Filtertypen Trennbereich des CR-Filters Anlagenkonzepte Anwendungsbeispiele Aufbereitung von Prozesswasser aus der Textilproduktion Aufbereitung von Prozesswasser aus der PVC-Produktion Aufbereitung von Streichfarbenspülwasser Zusammenfassung Literatur 251

8 Inhaltsverzeichnis XI 9 Verfahrenskonzepte zur Herstellung von Reinstwasser in der pharmazeutischen und Halbleiter-Industrie 253 Thomas Menzel 9.1 Einführung Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie Systeme zur Herstellung von Reinwasser in der pharmazeutischen Industrie Einsatz der Umkehrosmose bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie Einsatz der Elektrodeionisation bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie Heißwassersanitation der Elektrodeionisation Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinstwasser in der mikroelektronischen Industrie Konzeptioneller Aufbau eines Reinstwassersystems Zusammenfassung Literatur Modellierung und Simulation der Membranverfahren Caspermeation, Dampfpermeation und Pervaporation 273 Torsten Brinkmann 10.1 Einführung Modellierung von Membranverfahren Modellierung des transmembranen Stofftransports Modellierung der sekundären Transportphänomene Konzentrationsgrenzschichten Druckverluste und Transportwiderstände in porösen Stützschichten Temperatureffekte Modellierung von Membranmodulen Implementierung Modulverschaltung Verfahrenssimulation Zusammenfassung und Ausblick Danksagungen Symbolverzeichnis Literatur 329

9 XII j Inhaltsverzeichnis 11 Pervaporation und Dampfpermeation 335 Hartmut E.A. Brüschke 11.1 Einleitung Grundlagen Definitionen Pervaporation Dampfpermeation Gaspermeation Lösungs-Diffusionsmechanismus Polarisationseffekte Konzentrationspolarisation Temperaturpolarisation Permeatraum Absenken des Drucks im Permeatraum Auslegung von Anlagen Charakterisierung von Membranen Membranen Polymermembranen Hydrophile Membranen Organophile Membranen Membranen zur Trennung von Organika Anorganische Membranen Module Plattenmodule S piralwickelmodule Taschenmodule (Kissenmodule) Tubuläre Module Verfahren Absatzweiser ( Batch") Betrieb Kontinuierlicher Betrieb Dampfpermeation Beeinflussung von Reaktionen Zusammenfassung Literatur Verfahren zur Trennung von Gasen und Dämpfen 12.1 Membranverfahren zur Gaspermeation 375 Klaus Ohlrogge, Jan Wind, Klaus Viktor Peinemann und Jürgen Stegger Einführung Prinzip der selektiven zur Gaspermeation Definitionen Wasserstoffabtrennung Heliumrückgewinnung 383

10 Inhaltsverzeichnis Luftzerlegung Inertgasherstellung Sauerstoffherstellung Drucklufttrocknung Erdgasbehandlung C0 2-Abtrennung Wasserdampf-Taupunkteinstellung Kohlenwasserstoff-Taupunkteinstellung Stickstoffabtrennung Lösemittelrückgewinnung Abluftreinigung Olefmabtrennung Ausblick Literatur Abtrennung organischer Dämpfe Einleitung Prozesse zur Abtrennung organischer Dämpfe mittels Membran verfahren Membranen Der Druck als Triebkraft Permeatmanagement Die Membrantrennstufe Industrielle Anwendungen Gesetzlicher Rahmen als treibende Kraft Dämpfe leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe aus Lagerung und Umschlag Resultierende Anforderungen an die Abluftreinigungsanlage Anwendung: Rückgewinnung organischer Dämpfe durch Gaspermeation/Absorption Anwendung: Emissionsreduzierung an Tankstellen durch Membrantechnologie Zusammenfassung Literatur Elektrodialyse 429 Hans-Jürgen Rapp 13.1 Einleitung Grundlagen Das grundlegende Prinzip Die Selektivität von Ionenaustauschermembranen Monoselektive und bipolare Ionenaustauschermembranen Die bipolare Membran Monoselektive Ionenaustauschermembranen Aufbau eines Elektrodialysemoduls 436

11 XIV Inhaltsverzeichnis > Auslegung der Elektrodialyse Energiebedarf Grenzstromdichte Elektroden und Elektrodenspülung Wassertransport und Konvektion Betriebsweisen der Elektrodialyse Säurerückgewinnung mittels Elektrodialyse Formelzeichen Literatur Membranen für die Brennstoffzelle 453 Suzana Pereira Nunes 14.1 Einleitung Fluorierte Membranen Sulfonierte nichtfluorierte Membranen Phosphonierte Membranen Polymermembranen für Betrieb mit hohen Temperaturen Organisch-anorganische Membranen Letzte Kommentare Literatur Anwendungen der Querstrommembranfiltration in der Lebensmittelindustrie 469 Frank Lipnizki 15.1 Einleitung Milchindustrie Übersicht der Milchindustrie Hauptanwendungen von Membranen in der Milchindustrie Herstellung von Milchprodukten Herstellung von Molkeproteinprodukten Käseherstellung Fermentierte Lebensmittel Bier Bierrückgewinnung aus Überschusshefe Klärung von Bier Entalkoholisierung von Bier Wein Mostkonzentration/-optimierung Weinklärung/-schönung Verjüngung von alten Weinen (Lifting) Entalkoholisierung von Wein aes.sigherstellung Klärung von Essig 486

12 i Inhaltsverzeichnis XV 15.4 Fruchtsäfte Klärung von Fruchtsaft Konzentration von Fruchtsaft Andere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie Membranprozesse in der Lebensmittelproduktion Membranprozesse in Prozesswasseraufbereitung und Abwasserbehandlung Ausblick - Zukünftige Trends Neue Anwendungen für Membranprozesse Neue Membranprozesse Pervaporation Elektrodialyse Membrankontaktoren - Osmotische Destillation Integrierte Prozesslösungen: Synergien und Hybridprozesse Danksagungen Literatur Nicht-wässrige Nanofiltration 497 Katrin Ebert, F. Marga J. Dijkstra und Frauke Jordt 16.1 Einleitung Membranen für die nicht-wässrige Nanofiltration Mathematische Beschreibung der Transportvorgänge Anwendungen Petrochemie Homogene Katalyse Pharmazeutische Industrie Literatur Membranreaktoren 515 Detlev Fritsch 17.1 Einleitung Klassifizierung von Membranreaktoren Ausgewählte Reaktionen mit Membranreaktoren Extraktortyp Distributortyp ' Kontaktortyp Kontaktor-MR Typ 1 (Diffusion) Kontaktor-MR Typ 2 (Durchfluss) Modellierung Schlussbetrachtung Literatur 545 Stichwortverzeichnis 549