Was ist Nanofiltration?

Ken Sutherland ist eine relativ neue Entwicklung bei Membranprozessen und befasst sich mit dem schnell wachsenden Bereich der Nanofiltration, seinen Eigenschaften und seinen Anwendungen.

Der Hintergrund der Nanofiltration

Der Aufschwung der Filtration und der filtrationsbezogenen Aktivitäten, der auf die Entwicklung des Phaseninversionsverfahrens zur Herstellung von Polymermembranen in den frühen 1960er Jahren folgte, führte zur Einführung von drei Membrantrennverfahren: Umkehrosmose, Ultrafiltration und, in jüngerer Zeit, Mikrofiltration. Diese Prozesse erweiterten das Trennspektrum von der traditionellen Trenngrenze der Standardfiltration von etwa 0,01 mm (10 μm) bis hin zu den allerfeinsten, unterschiedlichen Feststoffen mit einer Größe von wenigen Nanometern und ermöglichten die Trennung großer Moleküle aus der Lösung. Die tatsächlichen Größenbereiche variieren etwas von Quelle zu Quelle, es besteht jedoch allgemeine Übereinstimmung darüber, dass die Mikrofiltration den Bereich von 10 μm bis hin zu 0,1 μm abdeckt, während die Ultrafiltration einen Bereich von 0,1 μm bis hin zu 0,005 μm (5 nm) in Bezug auf diskrete Partikel oder Molekulargewichtsschnitt abdeckt -Off (MWCO)-Werte von 300.000 bis hin zu etwa 300 Dalton für gelöste Stoffe. Die Umkehrosmose war natürlich darauf ausgelegt, das sehr kleine Natriumchloridmolekül zurückzuhalten, was bedeutete, dass nichts anderes als Wasser durchgelassen wurde.

Diese vorgesehenen Größenbereiche hinterließen tatsächlich noch eine Lücke in ihrer Abdeckung am unteren Ende der Ultrafiltration (bei etwa 100 bis 300 Dalton). Die Membranentwicklung verlief in den 1970er und 1980er Jahren recht schnell und führte zu einem „losen RO“-Membranverfahren, das Ende der 1980er Jahre den Namen „Nanofiltration“ erhielt.

In diesem Sinne ist die Nanofiltration eine relativ neue Entwicklung im Bereich der Membrantrennverfahren, die das obere Ende (in Bezug auf die Trenngröße) der Umkehrosmose und das untere Ende der Ultrafiltration umfasst und MWCO-Werte von 100 bis 1000 abdeckt Daltons. Es handelt sich um Materialien, die in einer Flüssigkeit gelöst sind, und nicht um einzelne, in der Flüssigkeit suspendierte Partikel. Die Trennung zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel erfolgt durch Diffusion der Lösungsmittelmoleküle durch die Masse des Membranmaterials, hauptsächlich angetrieben durch einen hohen Transmembrandruck, und nicht durch ein physikalisches Loch (Pore) in der Membran. Einige der gelösten Stoffmoleküle können auch durch die Membran diffundieren, entweder aufgrund der Absicht des Prozessentwicklers oder weil der gelöste Stoff einen endlichen (wenn auch sehr kleinen) Diffusionskoeffizienten im Membranmaterial hat.

Der Hauptunterschied zwischen Nanofiltration und Umkehrosmose besteht darin, dass letztere einwertige Salze (wie Natriumchlorid) zurückhält, während die Nanofiltration sie durchlässt und dann zweiwertige Salze wie Natriumsulfat zurückhält. Robert Peterson beschreibt in seinem Vorwort zu „Nanofiltration – Prinzipien und Anwendungen“ von Elsevier die Umkehrosmose (insbesondere in der Wasseraufbereitungsbranche) als den Hauptgang, vielleicht das Steak, einer Mahlzeit, während die Nanofiltration „wie die Weinkarte … eine Chance für“ ist Kreativität und Entdeckung“.

In den vorangehenden Absätzen wurden die Ursprünge und die Natur des allgemein anerkannten Prozesses namens Nanofiltration beschrieben, bei dem es sich um eine Flüssigphasentrennung zur Entfernung gelöster Feststoffe handelt, die mithilfe von Membranen und mit einem relativ hohen Transmembrandruck durchgeführt wird. Der Fortschritt eines Großteils der Filtrationsbranche wird jedoch durch die Forderung nach immer feineren Trennpunkten sowohl bei der Flüssigkeits- als auch bei der Gasfiltration vorangetrieben, und diese Forderungen werden nun durch die Verwendung entsprechend feinerer Fasern zur Herstellung der Filtermedien erfüllt. Zunehmend haben diese Fasern Durchmesser von deutlich weniger als einem Mikrometer, werden daher in Nanometern gemessen und werden allgemein als Nanofasern bezeichnet. Diese werden zur Herstellung von Verbundfiltermedien verwendet, bei denen ein Netz aus Nanofasern auf einem gröberen Substrat getragen wird.

Die sehr feine Filtration, die mit diesen Nanoweb-Medien erreicht werden kann, führt dazu, dass der Trennprozess, bei dem es sich im Grunde um eine Mikrofiltration handelt, deutlich niedrigere Trennpunkte erreicht. Die Materialien werden auch als Membranen bezeichnet, obwohl sie sich im Format stark von der semipermeablen Kunststofffolie unterscheiden, an die man bei Membranen immer noch am häufigsten denkt. Bemerkenswert ist, dass beim 10. Weltfiltrationskongress (im Jahr 2007) von insgesamt fast 250 Einzelvorträgen und 85 Posterpräsentationen 12 über die Nanofiltration und 14 über Nanofasern als Filtermedien berichteten.

Obwohl man hofft, dass die beiden Systeme – Nanofiltration und Filtration mit Nanofasern – hinreichend unterschiedlich sind, um eine Verwechslung zu vermeiden, werden beide im Rest dieses Artikels behandelt.

Es ist erwähnenswert, dass der Begriff „Nanotechnologie“ mittlerweile sehr weit verbreitet ist und sich auf eine ganze Reihe wissenschaftlicher, technischer und produzierender Tätigkeiten bezieht, bei denen es um sehr kleine Dinge geht. Leider ist der Begriff mit einer Komponente der „Angst vor dem Unbekannten“ in das öffentliche Bewusstsein gelangt. Dies betrifft nicht die Nanofiltration, da die dabei verwendeten Medien meist kontinuierlich sind und nicht von RO- oder UF-Membranen zu unterscheiden sind. Es geht jedoch um die Herstellung und Verwendung von Nanofasern, und die Hersteller und Anwender von Nanofasern müssen darauf achten, die Besorgnis nicht zu vergrößern.

Der als Nanofiltration bekannte Membrantrennprozess ist im Wesentlichen ein Flüssigphasenprozess, da er eine Reihe anorganischer und organischer Substanzen aus der Lösung in einer Flüssigkeit trennt – hauptsächlich, aber keineswegs vollständig, Wasser. Dies geschieht durch Diffusion durch eine Membran unter Druckunterschieden, die deutlich geringer sind als bei der Umkehrosmose, aber immer noch deutlich größer als bei der Ultrafiltration. Es war die Entwicklung einer Dünnfilm-Verbundmembran, die der Nanofiltration als anerkanntem Prozess den eigentlichen Anstoß gab, und ihr bemerkenswertes Wachstum seitdem ist größtenteils auf ihre einzigartige Fähigkeit zurückzuführen, ionische und relativ niedermolekulare organische Spezies zu trennen und zu fraktionieren.

Die Membranen sind der Schlüssel zur Leistung von Nanofiltrationssystemen. Sie werden in Platten- und Rahmenform, spiralförmig, röhrenförmig, kapillar und hohlfaserförmig aus einer Reihe von Materialien hergestellt, darunter Cellulosederivate und synthetische Polymere, aus anorganischen Materialien, insbesondere Keramik, und aus organisch/anorganischen Hybriden.

Jüngste Entwicklungen von Membranen für NF haben ihre Fähigkeiten in Umgebungen mit sehr hohem oder niedrigem pH-Wert und bei ihrer Anwendung auf nichtwässrige Flüssigkeiten erheblich erweitert. Die Kunststoffmedien sind stark vernetzt, um Langzeitstabilität und eine praktische Lebensdauer in aggressiveren Umgebungen zu gewährleisten. NF-Membranen neigen dazu, eine leicht geladene Oberfläche zu haben, mit einer negativen Ladung bei neutralem pH-Wert. Diese Oberflächenladung spielt eine wichtige Rolle für den Transportmechanismus und die Trenneigenschaften der Membran.

Wie bei jedem anderen Membranprozess ist die Nanofiltration anfällig für Verschmutzungen. Daher müssen Nanofiltrationssysteme so konzipiert sein, dass die Wahrscheinlichkeit dieser Verschmutzung minimiert wird – mit der richtigen Vorbehandlung, dem richtigen Membranmaterial und ausreichenden Querstromgeschwindigkeiten, um die Membranoberfläche von angesammeltem Schleim zu befreien und durch den Einsatz rotierender oder vibrierender Membranhalter.

Industrielle Anwendungen der Nanofiltration sind im Lebensmittel- und Milchsektor, in der chemischen Verarbeitung, in der Zellstoff- und Papierindustrie sowie in der Textilindustrie weit verbreitet, obwohl die Hauptanwendung weiterhin in der Aufbereitung von Frisch-, Prozess- und Abwässern liegt.

Bei der Wasseraufbereitung findet NF beim Polieren am Ende herkömmlicher Prozesse Verwendung. Es kann nicht zur Wasserentsalzung verwendet werden, ist aber ein wirksames Mittel zur Wasserenthärtung, da die wichtigsten Härtechemikalien zweiwertig sind. Auf den ersten Blick scheint NF keinen großen Platz in MBR-Prozessen zu haben, da die für NF erforderlichen höheren Transmembrandruckunterschiede in den meisten Bioreaktorsystemen nicht verfügbar sind, es gibt jedoch einige spezielle Anwendungen für MBRs, in denen NF einen Platz findet. Smiths Rezension deckt das gesamte Gebiet der Nanotechnologie gut ab, einschließlich eines Verweises auf die NanoCeram-Fasern von Argonide aus 2 nm dickem Aluminiumoxid, die für die Filtration von 99,9999 % der Bakterien, Viren und Protozoenzysten verwendet werden (jetzt verfügbar als Ahlstroms Disruptor-Technologie).

NF-Membranen werden auch zur Entfernung natürlicher organischer Stoffe aus Wasser, insbesondere von Geschmacks-, Geruchs- und Farbstoffen, sowie zur Entfernung von Spuren von Herbiziden aus großen Wasserströmen verwendet. Sie können auch zur Entfernung von Restmengen an Desinfektionsmitteln im Trinkwasser eingesetzt werden.

Die Anwendungen in der Lebensmittelindustrie sind recht zahlreich. Im Milchsektor wird NF zum Konzentrieren von Molke und Permeaten aus anderen Molkebehandlungen sowie beim Recycling von Clean-in-Place-Lösungen verwendet. Bei der Verarbeitung von Zucker werden Dextrose-Sirup und Dünnzuckersaft durch NF konzentriert, während Ionenaustauscherlaken demineralisiert werden. NF wird zur Entschleimung von Lösungen im Bereich der Speiseölverarbeitung, für die kontinuierliche Käseproduktion und bei der Herstellung alternativer Süßstoffe eingesetzt.

In der gesamten Chemiebranche (einschließlich Petrochemie und Pharmazeutik) gibt es wahrscheinlich ebenso viele verschiedene Anwendungen wie in der übrigen Industrie zusammen. Viel mehr befinden sich noch im Konzeptstadium als in der Pflanzennutzung, aber NF leistet einen wertvollen Beitrag zur Gesamtheit der chemischen Industrie. Bei der Herstellung von Salz aus natürlichen Solen wird NF als Reinigungsprozess verwendet, während bei den meisten chemischen Prozessen recht schädliche Abfälle entstehen, aus denen in der Regel wertvolle Chemikalien durch Prozesse unter Einbeziehung von NF zurückgewonnen werden können. Der hohe Wert vieler Produkte des pharmazeutischen und biotechnischen Sektors ermöglicht die Verwendung von NF in ihren Reinigungsprozessen.

Die Papierzellstoffindustrie verbraucht in ihren Produktionsprozessen sehr viel Wasser, eine Menge, die die Industrie vor allem durch die „Schließung des Wasserkreislaufs“ reduzieren möchte – ein System, bei dem die Reinigungseigenschaften von NF eine wichtige Rolle spielen.

Alle diese speziell genannten Anwendungen basieren auf Wasser, die Nanofiltration ist jedoch nicht auf die Behandlung wässriger Suspensionen beschränkt. Tatsächlich wurde in einer Erdölraffinerie eine der größten NF-Anlagen zur Entparaffinierung von Ölen installiert. Boam und Nozari weisen in ihrem Überblick über die Nanofiltration organischer Lösungsmittel darauf hin, dass viele Trennprozesse in organischen Systemen sehr energieintensiv sind und dass OSN im Gegensatz dazu eine durchaus energiesparende Alternative sein kann (z. B. im Vergleich zur Destillation).

In wässrigen Systemen werden bei der Nanofiltration hydrophile Polymermaterialien wie Polyethersulfon, Polyamide und Cellulosederivate verwendet. Diese Materialien verlieren bei Kontakt mit organischen Lösungsmitteln schnell ihre Stabilität. Daher wurden spezielle Membranen entwickelt, die die gleiche Leistung wie in wässrigen Systemen erbringen und heute zum Lösungsmittelaustausch, zur Lösungsmittelrückgewinnung und -trennung, zur Katalysatorrückgewinnung und zur Schwermetallentfernung eingesetzt werden.

Die heute aus dem geschmolzenen Zustand zu immer feineren Fasern versponnenen synthetischen Materialien organischer und anorganischer Art unterscheiden sich nicht von den Materialien, die seit Jahrzehnten für diesen Zweck verwendet werden (mit Ausnahme der immer breiter werdenden Palette thermoplastischer Polymere). verfügbar). Geändert hat sich die dem Spinarett nachgeschaltete Ausrüstung, die die Herstellung unterschiedlichster Faserdurchmesser ermöglicht. Beginnend vor über 40 Jahren mit Spinnvliesmaterialien, deren Faserdurchmesser 10 μm oder mehr betrug, reicht die Liste über Flash-Spun- und Melt-Blown-Materialien (mit etwas mehr als 1 μm) bis hin zu elektrogesponnenen Materialien, deren Faserdurchmesser sich 100 nm nähert.

Jedes dieser Materialien kann aus einer zufälligen Anordnung von Fasern als Netz hergestellt werden, was an sich ein sehr gutes Filtermedium ergibt, solange es ausreichend auf einem stärkeren Substrat getragen wird. Tucker gibt einen guten Überblick über diese Materialien, indem er die neuen HMT-Medien von du Pont für die Flüssigkeits- oder Gasfiltration vorstellt. United Air Specialists hat Nanofasern zur Staubentfernung entwickelt, ebenso wie Donaldson mit seinen Ultra-Web-Medien.

Die Feinspinntechniken haben sich für die Herstellung von Kohlenstoff- und Keramikfasern als geeignet erwiesen und werden offensichtlich zu einem wichtigen Segment des Filtermediengeschäfts führen, insbesondere für die Luftfiltration. Da diese Medien in der Lage sind, Verunreinigungen bis unter 0,1 μm zu entfernen, werden sie zu den Membranen gezählt – und sicherlich auch als Nanomembranen bezeichnet.

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