Autor: Jan Paul Steinle

Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden Spiralwickelelemente mit einem offenkanaligen Tunnelspacer für die Ultrafiltration im Unterdruckbetrieb entwickelt, gefertigt und getestet. Dabei wurde die Fertigungstechnologie für Spiralwickelelemente an die Anforderungen angepasst, die sich durch das Membranmaterial, den Tunnelspacer, die Luftspülung, den Unterdruckbetrieb und die Rückspülmöglichkeit ergaben. Durch Laboruntersuchungen und CFD-Simulationen nach einem im Rahmen der Arbeit entwickelten Strömungsmodells konnte eine optimale Blasengröße und damit auch optimale Kanalhöhe des Tunnelspacers von 5 mm bestimmt werden. Zur Erzeugung geeigneter Luftblasen mit an das Spiralwickelelement angepasster geometrischer Verteilung wurden mehrere Systeme getestet und ein geeignetes Design mittels 3D-Drucker gefertigt. Zur Fertigung des Tunnelspacers wurde eine entsprechende Vorrichtung konstruiert und erstellt. Nach Konzeption und Bau einer vollautomatischen und fernbedienbaren Pilotanlage wurden Technikums- und Feldversuche zur Partikel- und Belebtschlammfiltration durchgeführt. Gegenstand der Versuche war die Entwicklung und Untersuchung von angepassten Filtrationstechniken unter Minimierung der Spülluftmenge, sowie die Untersuchung und Optimierung von Reinigungsprozeduren. Weiterhin wurde eine automatische Regelung und Steuerung zur Minimierung des erforderlichen spezifischen Energiebedarfes durch Anpassung von angewandtem Unterdruck, Spülluftvolumenstrom und Filtrationsszenario in Abhängigkeit der jeweiligen Permeabilität realisiert. Es konnten verschiedene Suspensionen (Belebtschlamm, Partikel) filtriert werden, ohne dass eine nennenswerte Verstopfung der Module auftrat. Voraussetzung dafür ist aber, dass die zu filtrierende Suspension keine faserigen Bestandteile oder größere Partikel im Bereich oberhalb einiger Millimeter enthält. In Bezug auf die Luftspülung und die Fertigung der Membranmodule hat sich eine Spacerhöhe von 5 mm als geeignet erwiesen. Bei kleineren Spacerhöhen wird die Verteilung des Gasvolumenstroms auf die einzelnen Kanäle des Feedspacers inhomogen. Mit einer Spacerhöhe von 5 mm konnten auch formstabile Spiralwickelelemente gefertigt werden, die eine hohe Packungsdichte aufweisen. Weiterhin sind die gefertigten Elemente in ausreichendem Maße rückspülbar, ohne dass die Membrantaschen durch den notwendigen Spüldruck aufreißen. Daher besteht die Möglichkeit, die Module sowohl von der Feedseite als auch von der Permeatseite aus chemisch zu reinigen und diese Reinigung ohne Ausbau der Elemente durchzuführen. Für die Filtration fester Partikel lässt sich eine Ablagerung der Partikel anhand eines Kräftegleichgewichtes in Abhängigkeit von Filtrationsvolumenstrom, Partikeldurchmesser und Überströmungsgeschwindigkeit abschätzen. Dabei zeigt sich, dass bei den eingesetzten Begasungsraten bis etwa 0,2 m³/(m²h) relativ geringe Überströmungsgeschwindigkeiten bis 0,4 m/s erreicht werden. Die geringen Überströmungsgeschwindigkeiten gehen mit einem geringen Energiebedarf einher, allerdings führt die geringe Überströmungsgeschwindigkeit auch dazu, dass bei sich bei geringeren Permeatvolumenflüssen noch Partikel auf der Membran ablagern. Für die eingesetzten Betriebsbedingungen ergeben sich dabei ein kritischer Partikeldurchmesser von etwa 1 μm und ein limitierender Permeatfluss von 10 L/(m²h). Durch den gezielten Einsatz von Rückspülungen oder bei der Filtration größerer Partikel lässt sich der tatsächlich erzielte Permeatfluss weiter erhöhen. Der notwendige Energiebedarf ist abhängig von der Betriebsweise, sowie dem zu filtrierenden Medium und dessen Konzentration, da diese sich auf die Permeanz des Membranmoduls auswirken. Bei der Belebtschlammfiltration für kommunales Abwasser wurden ca. 150 Wh/m³ benötigt und für die Partikelfiltration konnte der Energiebedarf auf 40 bis 60 Wh/m³ reduziert werden. Damit liegt der benötigte spezifische Energiebedarf deutlich unterhalb dem von vergleichbaren Systemen. Da insbesondere die Versuche zur Partikelfiltration sehr vielversprechende Ergebnisse geliefert haben, bieten sich beispielsweise wässrige Prozessströme aus der Keramikindustrie zur Filtration bzw. zur Aufkonzentrierung an. Hier können durch die neuen getauchten Spiralwickelelemente physikalisch/chemische Verfahren ersetzt und damit der Einsatz von Chemikalien vermieden werden. Im Vergleich mit im Cross-Flow Betrieb eingesetzten Ultra- und Mikrofiltrationsverfahren ist der erforderliche spezifische Energiebedarf erheblich geringer. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet ist der Einsatz des getauchten Moduls zum Rückhalt der Biomasse aus einem Fermenter. Durch Filtration von Fermentationsbrühen kann die im Fermenter vorhandene Biomassekonzentration durch den Rückhalt der Biomasse erhöht werden und das Produkt gegebenenfalls bereits während der Fermentation abgezogen werden. Hierdurch kann die räumliche und zeitliche Ausbeute möglicherweise deutlich erhöht werden.