Einfluss natürlicher organischer Verbindungen auf Scalingprozesse während der Hochdruck-Membranfiltration

Regionale Wasserknappheiten stellen eine der größten globalen Herausforderungen unserer heutigen Generation dar [1]. Die einzige Möglichkeit, vorhandene Trinkwasserressourcen über den hydrologischen Zyklus hinaus zu erweitern, stellt neben der Wasserwiederverwendung die Entsalzung von Meer‑ und Brackwasser dar [2].

Für die Entsalzung von salinen Wässern hat sich die Hochdruck-Membranfiltration mithilfe von Lösungs-Diffusions-Membranen (Umkehrosmose) als zurzeit energieeffizienteste Technologie etabliert. Allerdings stellt das sogenannte Membranfouling ein limitierendes und zu großen Teilen ungelöstes Problem dar. Fouling beschreibt die unerwünschte Deposition und Anreicherung von Mikroorganismen und partikulären, kolloidalen und gelösten organischen und anorganischen Stoffen auf der Membranoberfläche. Zusätzlich können im Zuge der Filtration die Löslichkeitsprodukte verschiedener Minerale (z.B. CaSO₄) überschritten werden. Als Folge kann es zu Membranscaling, d.h. zur Deposition, Anreicherung und zum Wachstum von Kristallen auf der Membranoberfläche kommen. Fouling‑ und Scalingschichten belegen die Membranoberfläche, erhöhen den Filtrationswiderstand und führen unmittelbar zur Effizienzminderung des Verfahrens.

Während die einzelnen Foulingkategorien (Biofouling, partikuläres und organisches Fouling, Scaling) vermehrt untersucht werden, sind in der Literatur nur wenige Arbeiten zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Foulants und Foulingmechanismen zu finden. Allgemein bekannt ist, dass die Anwesenheit natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe (NOM) die Kinetik der Kristallisation von Mineralen in der Lösung beeinflussen kann. Auch im Falle der Membranfiltration konnte in Studien gezeigt werden, dass es zu Wechselwirkungen zwischen NOM und Membranscaling kommt [3, 4].

Zur Untersuchung des Einflusses von natürlichen organischen Wasserinhaltsstoffen auf Scalingprozesse wurden am Institut verschiedene Laborversuchsstände und eine vollautomatische Hochdruck-Membranfiltrations-Versuchsanlage aufgebaut sowie Untersuchungsmethoden erprobt. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit von NOM die Kristallisationsprozesse in der Lösung verzögern und bestätigen bereits publizierte Erkenntnisse. Weiterhin konnte in Vorversuchen gezeigt werden, dass das Kristallwachstum auf der Membranoberfläche während der Filtration durch die Anwesenheit von NOM beeinflusst wird (Kristallform und –anzahl). In anstehenden Untersuchungen wird der Einfluss von Oberflächeneigenschaften der Membran auf die Scalingprozesse untersucht. Zur genaueren Charakterisierung der relevanten Fraktionen der NOM werden neben den verfahrenstechnischen Untersuchungen wasserchemische Analysen wie die Gelpermeationschromatographie (LC‑OCD) und Fluoreszenzspektrometrie eingesetzt. Die Charakterisierung der ausgefallenen Kristallschichten und ‑strukturen auf der Membran erfolgt mittels mikroskopischer Methoden.

[1] M. Eliminech, A. P. William, Science 333, 712 (2011); [2] M. A. Shannon et al., Nature 452, 301 (2008); [3] Le Gouellec et al., Journal of Membrane Science 205, 279 (2002); [4] Lee et al., Desalination 238, 109 (2009)