Für Entsalzungsanlagen und andere Betriebe 17.05.2021, 07:00 Uhr

Filtermembranen umweltfreundlich reinigen – Es funktioniert!

Verschmutzen Filtermembranen, folgen Reinigungsschritte mit schädlichen Chemikalien. Doch Maschinenbau-Ingenieure am MIT haben eine preisgünstige, umweltverträgliche Alternative entwickelt.

Filtermembranen

Umkehrosmose-Anlage zur Entsalzung von Meerwasser. Deren Filtermembranen kann man mechanisch reinigen, berichten MIT-Forscher.

Foto: Panthermedia.net/asafeliason

Für eine Vielzahl an Branchen sind Filtermembranen von entscheidender Bedeutung. Sie bestehen aus diversen Materialien wie Zellulose, Graphen und Nylon und erfüllen als Barrieren ganz unterschiedliche Zwecke: Aus Meerwasser wird Trinkwasser, und aus Abwasser lassen sich Verunreinigungen entfernen. Auch die Lebensmittelindustrie setzt Filtermembranen ein, etwa bei der Herstellung verschiedener Milchprodukte. Nur gibt es ein großes Problem: das Fouling. In der Membrantechnologie versteht man darunter die Verschmutzung von Filtermembranen.

Membranverschmutzung tritt auf, wenn sich Partikel mit der Zeit auf dem Filter ablagern. Sie verstopfen Systeme, und die Effektivität von Anlagen verringert sich drastisch. Um Membranen zu reinigen, haben Firmen bislang meist chemische Verfahren eingesetzt, bei denen synthetische Lösungsmittel durch die Membran gepumpt werden. Solche Chemikalien gefährden die Umwelt. Sie müssen erworben und entsorgt werden. All das kostet Geld.

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Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge berichten jetzt von einer Lösung. Sie zeigen, dass sich Membranen durch kontrollierte Verformung rein mechanisch reinigen lassen. „Unser neuer Ansatz, einer der ersten, der Membranen und Mechanik kombiniert, hat das Potenzial, billiger, schneller und umweltfreundlicher zu sein als herkömmliche Membran-Reinigungstechniken und könnte die Art und Weise revolutionieren, wie wir über Filtration denken“, schreiben die Wissenschaftler in einer Mitteilung des MIT.

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Filtermembranen reinigen – ein interdisziplinäres Forschungsthema

Die Arbeit nahm ihren Anfang, als zwei Maschinenbau-Professoren das Potenzial sahen, mit unterschiedlicher Expertise Lösungen gegen das Fouling zu finden. John Lienhard, Professor für Wasser- und Maschinenbau, tat sich mit Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau, zusammen. Beide arbeiten am MIT; Lienhard ist ein Experte auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung und Entsalzung, während Zhao auf das Thema weiche Materialien spezialisiert ist. „Probleme aus der realen Welt, wie zum Beispiel das Fouling von Membranen, sind von Natur aus disziplinübergreifend“, sagt Lienhard. „In diesem Fall hatten wir es sowohl mit einem Problem der Mechanik weicher Materialien als auch mit einem der Membranentsalzung zu tun.“

Zwar tritt Fouling bei jedem Membranfiltrationssystem früher oder später auf. Im Bereich der Entsalzung von Meerwasser sind verstopfte Membranen aber besonders problematisch. Verunreinigungen, von Bakterien über organisches Material bis hin zu Mineralien, können sich sehr schnell auf Umkehrosmose-Membranen ansammeln. Sobald diese verstopft worden sind, sinkt die Effektivität drastisch, und Süßwasser kann verunreinigt werden. Die für die Entsalzung verwendeten Membranen werden mit Chemikalien gereinigt, was Zeit, Geld und Ressourcen kostet. Betreiber von Wasserentsalzungsanlagen müssen oft die Produktion anhalten, um ihre Systeme für mehrere Stunden pro Reinigungszyklus zu spülen. Und in der Molkereiindustrie müssen die Betreiber die Membranen mehrmals am Tag reinigen.

Solche Schwierigkeiten waren für Lienhard und Zhao Grund genug, eine chemikalienfreie, mechanische Lösung zu entwickeln. Die Idee ist nicht neu. Erste Ansätze scheiterten jedoch an der Empfindlichkeit industrieller Membranen. Durch langsame Druckveränderungen gelang es dem Team jetzt, die gebundene Schmutzschicht nach und nach zu schwächen und zu verformen, bis sie abgewaschen werden konnte – bekannt als Grenzflächenermüdung zwischen Membran und Verunreinigung. Das Verfahren eignet sich auch für spiralförmig gewickelte Membranmodule, wie sie häufig zum Einsatz kommen.

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Ökonomische Vorteile der mechanischen Reinigung von Filtermembranen

Während der Feldforschung untersuchten MIT-Ingenieure auch das Marktpotenzial für diese Technologie. Sie sprachen mit Anlagenbetreibern aus verschiedenen Branchen, die alle frustriert waren von der mühsamen, teuren Reinigung mit Chemikalien. Allein für die Milchindustrie, die bereits mit schrumpfenden Gewinnen durch die Pandemie zu kämpfen hat, schätzen Experten, dass ein Wechsel zur mechanischen Reinigung die Reinigungskosten um die Hälfte senken könnte.

Die neue Methode käme Anlagenbetreibern gleich mehrfach zugute. Berechnungen des MIT-Teams zeigen, dass die Zeit, in der Systeme aufgrund der Reinigung nicht zur Verfügung stehen, um das Sechsfache sinken würde. Da Anlagen seltener abgeschaltet werden, kann die Gesamtmenge an sauberem Wasser, gesteigert werden.

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Von Michael van den Heuvel