Membranverfahrenstechnik und Modellierung

Gruppe

© Fraunhofer IKTS
Membranlage zur Pflege von heißen, hochalkalischen Reinigungsbädern
Pervaporationsanlage im Container für industriell nutzbare, 1,2 m lange Membranen
Dampfpermeationsanlage zur Membran- und Verfahrenserprobung

Das Fachgebiet Membranverfahrenstechnik und Modellierung versteht sein Aufgabenfeld in der Charakterisierung, Erprobung, Anwendung und Implementierung von keramischen Komponenten in Prozesse.
Das Aufgabenfeld ist dabei breit gefächert, angefangen bei der Betrachtung von Stofftransportprozessen auf molekularer Ebene und in porösen Medien, über die Analyse des mechanischen und thermischen Verhaltens von Teilen und Baugruppen, bis hin zu praktischen Applikations- und Pilotierungsversuchen und den Bau der benötigten Test- und Pilotierungsanlagen. Inhaltlich liegen die Schwerpunkte auf Membranen und ihrer Anwendung in umwelttechnisch und energetisch relevanten Bereichen. Nennen kann man hier beispielsweise die Steigerung der energetischen Effizienz der Bioethanolherstellung durch Membranen (u. a. Brechen azeotroper Zusammensetzungen) oder den Einsatz von druckgetriebenen Membranverfahren zur Behandlung von Stoffströmen und zur Kreislaufschließung. Im Vordergrund stehen hier auch die energetische Optimierung des Membranverfahrens und Kombinationen aus Membranprozessen und anderen Verfahren, z.B. von Reaktionen (Membranreaktor). Für die Erprobung und Testung von Membranen für die Flüssigfiltration, Pervaporation, Dampfpermeation und Gastrennung stehen Messstände mit entsprechender Analytik zur Verfügung. Diese Ausstattung ermöglicht auch die Verfahrensentwicklung zum Einsatz neuartiger, am IKTS entwickelter Membranen in neuen Anwendungsbereichen.

 

Leistungsangebot

 

  • Entwicklung, Konstruktion und Prototypen-Bau von Membrananlagen (Flüssigfiltration, Pervaporation, Dampfpermeation, Gaspermeation) und Anlagen zur Membrancharakterisierung
  • Applikations- und Pilotierungsversuche für Membrantrennprozesse
  • Membrancharakterisierung
  • Analyse von Stofftransportvorgängen und Trennmechanismen in Membranen
  • Modellierung von "Multiphysics"-Fragestellungen
  • Berechnung des mechanischen und thermischen Verhaltens von Teilen und Baugruppen aus technischer Keramik und nichtkeramischen Materialien unter Einsatzbedingungen
  • Keramikgerechte Auslegung von Bauteilen anhand der vorhergegangenen Berechnung der thermischen und mechanischen Belastung und der bekannten oder speziell ermittelten Werkstoffeigenschaften

 

Technische Ausstattung

 

  • Membranteststände für die Filtration (Mikrofilration, Ultrafiltration, Nanofiltration), Pervaporation, Permporosimetrie, Dampfpermeation und Gaspermeation
  • Software: CAD: Autodesk Inventor; SolidWorks; FEM: Cosmos/M, SolidWorks Simulation Premium; CFD: FloEFD, Multiphysics: Comsol

 

Beispiele/Referenzen

 

  • Modellierung des Material und Bauteilverhaltens sauerstoffleitender Membranen
  • Gastrennung mit keramischen Membranen
  • Modellierung der Strömung flüssiger Medien in porösen Körpern für Filtrationsanwendungen

Öffentlich geförderte Projekte

Entwicklung eines Verfahrens zur Elimination von Pharmazeutika und anderen organischen Spurenstoffen aus Abwasser mit einem kombinierten System bestehend aus funktionalisierten keramischen Nanofiltrationsmembranen und erweiterter Oxidation
 

Die Reduzierung der Belastungen von Gewässern mit Mikroschadstoffen ist eine wichtige Zielsetzung der Wasserwirtschaft und Bestandteil der Umweltpolitik. Eine gezielte Minderung relevanter Schadstoffe oder Schadstoffgruppen im Rahmen spezifischer Maßnahmen und deren Umsetzung sind die Zielgrößen zur Erreichung eines guten chemischen Zustandes des Oberflächengewässers.

Das Verbundvorhaben „Entwicklung eines Verfahrens zur Elimination von Pharmazeutika und anderen organischen Spurenstoffen aus Abwasser mit einem kombinierten System bestehend aus funktionalisierten keramischen Nanofiltrationsmembranen und erweiterter Oxidation“ adressiert das Ziel ein neues Behandlungsverfahren für mit Pharmazeutika belastete Abwässer zu entwickeln. Ein Nanofiltrationsschritt führt zu einer weitgehenden Reinigung des Wassers, mithilfe eines nachgeschalteten oxidativen Verfahrens werden die noch im Permeat verbliebenen Spurenstoffe abgebaut.

Die Anwendung fokussiert die Rückhaltung von Mikroschadstoffen so z.B. endokrin wirksamen Substanzen, Röntgenkontrastmitteln und Analgetika, wie sie in kommunalem Abwasser und Punkteinleitern, z.B. Krankenhäusern, auftreten.

Im Rahmen des Vorhabens werden keramische Membranen unterschiedlicher Geometrie weiterentwickelt. Die Membranen und das nachgeschaltete Oxidationsverfahren werden in einer   Filtrationsanlage kombiniert und unter realen Bedingungen getestet, welche perspektivisch eine besonders energetisch effiziente Betriebsweise erlauben soll.

Das Vorhaben wird finanziell unterstützt durch die Europäische Union.

  

Forschung aktuell

Entwässerung überkritischer Gemische mit keramischen Membranen

Thema

Modellierung des Material- und Bauteilverhaltens sauerstoffleitender Membranen

Thema

Simulationsunterstützte Entwicklung von Bauteilen aus technischer Keramik

Thema

Simulation von Wärmetransport- und Strömungsvorgängen für verfahrenstechnische Aufgabenstellungen