Unter Filtrationsmembran versteht man ein Medium, das unter bestimmten Antriebskräften zwei verschiedene Phasen von Stoffen trennt. Unter Einwirkung der Antriebskraft können Ionen, Moleküle und einige Partikel in der gemischten Lösung durch die Permeabilität der Membran getrennt werden.
Je nach Materialtyp werden Membranen in organische Membranen und anorganische Membranen eingeteilt. Organische Membranen wurden erstmals in der Wasseraufbereitung eingeführt und aufgrund ihrer hohen Trenneffizienz, einfachen Ausrüstung und einfachen Formgebungsprozesse weit verbreitet. Sie haben jedoch immer noch inhärente Nachteile wie eine kurze Lebensdauer, eine geringe chemische Stabilität, eine geringe Resistenz gegenüber Mikroorganismen und eine schlechte thermische Stabilität.
Anorganische Membranen, insbesondere Keramikmembranen, haben nach und nach Aufmerksamkeit erregt. Seit den 1990er Jahren hat die jährliche Wachstumsrate anorganischer Membranen 30–35 % erreicht, wobei Keramikmembranen etwa 80 % dieses Wachstums ausmachen.
Leistungsmerkmale anorganischer Keramikmembranen
Keramikmembranen sind eine Art Festkörpermembran, deren Träger aus porösen Keramikmaterialien und die Filterschicht aus mikroporösen Keramikmembranen besteht. Sie können röhrenförmig, flach oder mehrkanalig sein. Die Oberfläche von Keramikmembranen weist gleichmäßig angeordnete Mikroporen auf, deren Porengrößen typischerweise zwischen 0,004 und 15 μm liegen. Keramikmembranen bestehen aus Materialien wie Al2O3, TiO2, ZrO2 und SiO2 und sind bekannt für ihre hervorragende chemische Stabilität, hohe Temperaturbeständigkeit und lange Lebensdauer.
1. Hohe Temperaturbeständigkeit
Anorganische Keramikmembranen weisen eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf, wobei die meisten Keramikmembranen bei Temperaturen zwischen 1000 und 1300 °C betrieben werden können. Sie eignen sich zur Trennung von Flüssigkeiten mit hoher Temperatur und hoher Viskosität. In Situationen, in denen eine chemische Reinigung nicht möglich ist, beispielsweise in der Lebensmittel-, Molkerei- und Pharmaindustrie, oder wenn die Materialviskosität durch Temperaturerhöhung reduziert werden muss,
2. Gute chemische Stabilität
Anorganische Keramikmembranen sind beständig gegen Säure, Alkali und biologische Korrosion und übertreffen in puncto Korrosionsbeständigkeit Metall und andere organische Membranmaterialien. Sie eignen sich für den Umgang mit Materialien mit extremen pH-Werten, insbesondere alkalischen Materialien, verfügen außerdem über hervorragende antibakterielle Eigenschaften und sind beständig gegen biologischen Abbau.
3. Hohe Permeationsselektivität
Aufgrund der geringen Porengröße poröser Keramikmembranen weisen sie eine hohe Permeationsselektivität auf und können für die Ultrafiltration und Mikrofiltration eingesetzt werden. Darüber hinaus weisen keramische Nanofiltrationsmembranen unterschiedliche Trenneigenschaften für Ionen auf, sodass das Keramikmaterial entsprechend den abzutrennenden Zielionen ausgewählt werden kann.
4. Keine Verschmutzung, leicht zu reinigen, lange Lebensdauer
Keramikmembranen weisen eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf, ohne Phasenänderungen oder chemische Reaktionen während des Trennprozesses, sodass es zu keiner Kontamination der Flüssigkeit kommt.
Die Reinigung von Keramikmembranen ist recht einfach. Mit sauren, alkalischen und enzymatischen Reinigungsmitteln können unlösliche Niederschläge, ölige Substanzen und Proteine auf der Membranoberfläche entfernt werden. Zur Sterilisation können Dampf und kochendes Wasser verwendet werden, und zur Entfernung von Verunreinigungen aus der Membran kann eine Rückspülmethode angewendet werden Membranporen, da Keramikmembranen eine asymmetrische Struktur haben.
Keramikmembranen haben eine ausgezeichnete Haltbarkeit, die typische Lebensdauer beträgt 3–5 Jahre und einige können bei entsprechender Wartung sogar bis zu 8–10 Jahre erreichen.
5. Photokatalyse
Bestimmte Arten von Keramikmembranen, wie z. B. TiO2-Membranen, besitzen starke photokatalytische Eigenschaften. Unter ultraviolettem Licht können sie Bakterien und andere Mikroorganismen im Futtermaterial abtöten, wodurch sie für Wasseraufbereitungs-, Luftreinigungs- und Sterilisationsanwendungen geeignet sind.
Anwendung von Keramikmembranen in der Abwasserbehandlung
1. Abwasser der Lebensmittelindustrie
Keramikmembranen weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Stabilität und Beständigkeit gegen Säure, Alkali und biologische Korrosion auf. Daher finden sie ein breites Anwendungsspektrum in der Abwasserfiltrationsbehandlung der Lebensmittelindustrie, hauptsächlich für die Herstellung von Fruchtsäften. Bier, Sojasauce, Essig, Ginkgowasser, Tee usw. können ebenfalls zur Filtration pflanzlicher Arzneimittel verwendet werden.
2. Abwasser aus der Textil- und Papierherstellung
Abwässer aus der Textil- und Papierherstellung zeichnen sich durch ihr großes Volumen, ihre starke Färbung und ihre komplexe Zusammensetzung aus. Sie enthalten Farbstoffe, Zellstoff, Faserverunreinigungen, Schwermetalle und andere Substanzen, weisen eine hohe biologische Toxizität auf und verursachen schwere Verschmutzungen. Keramikmembranen sind besonders wirksam bei der Behandlung unlöslicher Farbstoffe, und bei löslichen Farbstoffen kann die Entfernungsrate durch Zugabe von Tensid deutlich verbessert werden.
3. Biochemisches Abwasser
Die Anwendung von Keramikmembranen im Bereich der biochemischen Technik hat in letzter Zeit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und betrifft die Bereiche Zellentfernung, Produktion von sterilem Wasser, Klärung niedermolekularer organischer Verbindungen und Bioreaktormembranen. Der Einsatz von Keramikmembranen zur Abtrennung von Bakterien aus der Fermentationsbrühe hat zu mehreren großtechnischen Anlagen geführt, die nicht nur die Produktproduktivität verbessern, sondern auch die Gerätebelastung verringern, aber auch die Abwasserentsorgung deutlich reduzieren.
4. Ölhaltiges Abwasser
Ölhaltiges Abwasser stammt aus verschiedenen Quellen, darunter Petrochemie, Ölförderung, Transport, Bearbeitung, Leder, Textilien, Lebensmittel und Pharmazeutika. Es ist chemisch sehr sauerstoffintensiv und enthält große Mengen Öl, was zu einer starken Umweltverschmutzung führt. Eine wirksame Trennung von ölhaltigem Abwasser ist für die Umweltsanierung, Ölrückgewinnung und Wasserwiederverwendung von entscheidender Bedeutung. Die Keramikmembranfiltrationstechnologie hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Trennwirkung und des Fehlens von Sekundärverschmutzung zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt.
5. Häusliches und städtisches Abwasser
Aluminiumoxidmembranen können zur Behandlung von häuslichem und städtischem Abwasser verwendet werden. Mikroporen können nicht leicht blockiert werden, sind leicht zu reinigen und die eingeschlossenen Schadstoffe bleiben einfach auf der Oberfläche der Kontrollschicht. Nach der Reinigung können das Rückhalteverhältnis und die verfügbare Durchflussrate nahezu zu 100 % wiederhergestellt werden. Aluminiumoxid-Membranschläuche mit einer Porengröße der Kontrollschicht im Bereich von 0,1–0,35 μm weisen eine Entfernungsrate von 83 % für BSB5, 67 % für CODcr und 100 % für feste Schwebstoffe mit einer Größe von mehr als 0,1 μm auf.
Anwendung von Keramikmembran-Bioreaktoren in der Wasseraufbereitung
Der Einsatz von Keramikmembranen in der Wasseraufbereitung ist besonders weit verbreitet bei der Behandlung von Abwasser, hauptsächlich Industrieabwässern, Forschung und Anwendung von Keramikmembranen in der häuslichen Abwasserbehandlung sind noch relativ selten. Die Hauptanwendungen von Keramikmembranen in der häuslichen Abwasserbehandlung lassen sich in zwei Typen einteilen: Membrantrennung und Keramikmembran-Bioreaktoren (CMBR), die Membrantrennung mit Bioreaktortechnologie kombinieren. Derzeit wird die Membrantrennung in der angewandten Forschung seltener eingesetzt, wobei sich die meisten Bemühungen auf Bioreaktoren mit Keramikmembranen konzentrieren, bei denen es sich überwiegend um anaerobe Prozesse handelt.
Membranbioreaktoren (MBR) sind eine innovative Wasseraufbereitungstechnologie, die Membrantrenneinheiten mit biologischen Aufbereitungseinheiten kombiniert. Der sekundäre Sedimentationstank, der bei der traditionellen Belebtschlammmethode verwendet wird, wird durch ein Membranmodul ersetzt, das eine hocheffiziente Trennung ermöglicht und beispiellose Schlamm-Wasser-Trennung und Schlammkonzentrationseffekte erzielt. Darüber hinaus hält die Membran Schwebstoffe, organische Stoffe, Krankheitserreger und Viren effizient aus dem Abwasser zurück und verbessert so die Qualität des aufbereiteten Wassers erheblich.
Im Vergleich zu herkömmlichen biochemischen Behandlungstechniken bietet MBR erhebliche Vorteile wie hohe Behandlungseffizienz, hervorragende Wasserqualität, kompakte Ausrüstung, geringe Stellfläche, einfache Automatisierung sowie vereinfachte Bedienung und Verwaltung. Seit den 1980er Jahren hat diese Technologie zunehmende Aufmerksamkeit erregt und ist zu einem heißen Thema in der Wasseraufbereitungsforschung geworden. Derzeit werden Membranbioreaktoren in mehr als zehn Ländern eingesetzt, darunter in den USA, Deutschland, Frankreich, Japan und Ägypten.
Bei einer zentralisierten kommunalen Abwasserbehandlung ist die Membranfiltration aufgrund der großen zu behandelnden Wassermenge und der relativ geringen Schadstoffkonzentration energieintensiv und wirtschaftlich weniger sinnvoll. Allerdings können Keramikmembran-Bioreaktoren für die verteilte Behandlung von häuslichem Abwasser verwendet werden, beispielsweise für die Abwasserwiederverwendung in einem Wohnkomplex. Bioreaktoren mit Keramikmembranen bieten einen stabilen Betrieb, minimalen Wartungsaufwand, hohe mechanische Festigkeit, lange Lebensdauer und Beständigkeit gegen chemische Korrosion, was sie im Vergleich zu organischen Membranen äußerst wettbewerbsfähig macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Keramikmembran-Bioreaktoren in der industriellen Wasseraufbereitung aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Zuverlässigkeit, konsistenten Behandlungswirkung, geringeren Betriebs- und Wartungsanforderungen großes Lob erhalten und große Anwendungsaussichten bei der verteilten häuslichen Abwasserbehandlung haben.
