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.

Keramische Membrankontaktoren mit additiv gefertigten Strömungsverteilern für die Stofftrennung – KeramAD

 

Ziel des Projekts:

Keramische Membranen werden seit mehreren Jahrzehnten für verschiedenste Reinigungs- und Separationsprozesse in der Industrie eingesetzt. Dabei haben sich die Membranformen immer weiter verändert. Von einfachen Flachmembranen und Einkanalrohren ging die Entwicklung schnell in Richtung komplexerer Mehrkanal- und Wabenstrukturen. Das Ziel dabei war stets eine maximal mögliche Membranfläche in einem minimalen Bauraum zu erzielen, um so einen kosteneffizienten Einsatz der Membrantechnologie in immer mehr Industriebereichen zu ermöglichen.

Bei komplexeren Membrankörpern ändert sich jedoch das Trennverhalten, da die Triebkraft für den Trennprozess zum Zentrum der jeweiligen Geometrie abnimmt. Aus diesem Grund führt hier eine Verdopplung der Membranfläche nicht zwangsläufig zu einer Verdopplung der Trennleistung. Durch intelligente Optimierung der Membran- und Kanalform konnte die Strömungsführung in den letzten Jahren weiter verbessert und diesem Effekt etwas entgegen gewirkt werden. Dennoch bleibt bei bisherigen Ansätzen immer ein Abfall der Triebkraft und Trennleistung bestehen.

Im Verbundvorhaben KeramAD – »Keramische Membrankontaktoren mit additiv gefertigten Strömungsverteilern für die Stofftrennung« soll dieses Problem durch einen neuartigen Ansatz gelöst werden. Im Rahmen des Projekts werden spezielle, an die jeweilige Membrangeometrie angepasste Strömungsteiler entwickelt. Diese sollen durch adaptive Fertigung hergestellt und im Anschluss dicht an den keramischen Membrankörper gefügt werden. Ziel ist eine beliebige Anströmung einzelner Membrankanäle einer komplexen Struktur zu ermöglichen, um so z.B. eine Gegenstrom-Medienführung in einer Membran zu realisieren. Dadurch kann die Triebkraft zur Stofftrennung auch im inneren der Membran maximiert werden, wodurch sich die Trenneffizienz erhöhen und der Energieaufwand für die Trennung reduzieren lässt. Um diesen Effekt zu bewerten, sollen die im Projekt entwickelten Membrankörper im Bereich der Flüssigseparation, Extraktion und Membrandestillation charakterisiert werden.

Das Vorhaben wird finanziell unterstützt durch die Europäische Union.

Systemdesign, Simulation, Fertigung von SiC Membranen und Anwendungserprobung – SiCaM

 

Ziel des Projekts:

Getauchte Anwendungen in der Filtrationstechnik ermöglichen oft einen deutlich energieeffizienteren Betrieb, da keine Pumpen zur gezielten Überströmung der Membranen benötigt werden. Die begrenzte Triebkraft (Unterdruck auf der Permeatseite) limitiert jedoch die Anwendung auf die Mikro- und Ultrafiltration. Auch in diesem Bereich sind keramische Membranen eine Alternative zu bekannten polymeren Membranen.

Hauptzielstellung dieses Projektes ist es, eine effiziente Fertigung von Membranstacks aus SiC-Keramikmembranen zu entwickeln und damit deren Einsetzbarkeit für Trennaufgaben in der Wasserbehandlung zu ermöglichen. Dies schließt die Komplettierung zum fertigen System mit ein. Nur mit einem solchen System kann die großflächige Anwendung von keramischen Membranen für getauchte Anwendungen ermöglicht werden. Die Vorteile keramischer Membransysteme gegenüber polymeren Membranen, die strukturbedingt in den Materialeigenschaften (chemische und thermische Beständigkeit) liegen, können so voll erschlossen werden. Dafür sind grundlegende Untersuchungen sowohl materialwissenschaftlicher wie auch verfahrenstechnischer Natur notwendig.

Im Verbundvorhaben SiCaM – „Effiziente Fertigung kompakter modular einsetzbarer Stacks aus Siliziumcarbid Membranen“ sollen Möglichkeiten geschaffen werden um die keramischen Membranen geeignet zusammenzufassen und mit entsprechenden Anschlüssen zu versehen, die eine skalierbare Integration in Membranmodule und Membrananlagen ermöglichen. Dies erfolgt durch Experten aus der Kunststofftechnik (Eitech Werkzeugbau GmbH) und des Modulbaus (WTA Technologies GmbH). Im Teilprojekt des Fraunhofer IKTS „Systemdesign, Simulation, Fertigung von SiC Membranen und Anwendungserprobung“ werden Untersuchungen zum Strömungsverhalten und  der mechanischen Stabilität durchgeführt. Dies erfolgt sowohl durch praktische Versuche, als auch durch Simulation des Strömungs- und Festigkeitsverhaltens. Den Projektpartnern werden geeignete SiC Membranen für die Entwicklung der Anschlüsse und die Integration in Membranmodule sowie die geplante Anwendungserprobung in der Wasserbehandlung zur Verfügung gestellt. Die Anwendungserprobung wird durch Tests mit Modellmedien, der Ermittlung optimaler Betriebsparameter und der Entwicklung geeigneter Strategien zur Membranreinigung und Rückspülung unterstützt.

Das Vorhaben wird finanziell unterstützt durch die Europäische Union.

Forschung aktuell

Entsalzung hochkonzentrierter Lösungen durch Membrandestillation

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