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Membranen: Grundlagen, Verfahren und Industrielle Anwendungen

Hardcover

£210.00

*VAT

Membranen: Grundlagen, Verfahren und Industrielle Anwendungen

Klaus Ohlrogge (Editor), Katrin Ebert (Editor)

ISBN: 978-3-527-30979-5 April 2006 587 Pages

Description

Von der Membran zum Verfahren - Der Einsatz von Membranverfahren in der chemischen Industrie weitet sich ungebremst aus. Als saubere und energiesparende Alternative zu herkömmlichen Trennverfahren halten die Membranverfahren weiterhin Einzug in vielfältige industrielle Anwendungen. Fest eingeführt sind solche Verfahren u. a. in der Gastrennung und der organophilen Filtration, und neue Perspektiven eröffnen sich für katalytische Reaktionen in Membranreaktoren. Die Membrantechnik ist die optimale Lösung bei der Behandlung von industriellen Abfällen ebenso wie für die kontrollierte Herstellung wertvoller Chemikalien.

Das Buch behandelt die Grundlagen der Membranverfahrenstechnik über Modulkonfigurationen, Flüssig- und Gastrennung bis hin zu Membranen in der Brennstoffzelle, Medizintechnik und der Lebensmittelindustrie. Es ist eine wertvolle Informationsquelle für Praktiker und Betriebsingenieure ebenso wie für Neueinsteiger, die ein umfassendes Bild über die Anwendung von Membranen in der Verfahrenstechnik gewinnen wollen, aber auch für Planungsbüros und Umweltämter.

Vorwort xvii

Autorenliste xix

1 Polymermembranen 1
Klaus-Viktor Peinemann und Suzana Pereira Nunes

1.1 Einführung 1

1.2 Phaseninversions-Prozess zur Herstellung von Membranen 3

1.3 Membranen für die Umkehrosmose 8

1.4 Membranen für die Ultrafiltration 11

1.4.1 Polysulfone und Polyethersulfone 11

1.4.2 Polyvinylidenfluorid (PVDF) 12

1.4.3 Polyetherimid 13

1.4.4 Polyacrylnitril 14

1.4.5 Cellulose 15

1.5 Membranen für die Mikrofiltration 16

1.5.1 Polypropylen und Polytetrafluorethylen 16

1.5.2 Polycarbonat und Polyethylenterephthalat 18

1.6 Literatur 18

2 Molekulare Modellierung des Transports kleiner Moleküle in polymerbasierten Materialien 23
Dieter Hofmann und Matthias Heuchel

2.1 Einleitung 23

2.2 Grundlagen von MD Methoden für amorphe Polymere 25

2.3 Ausgewählte Anwendungen von atomistischen Simulationen 29

2.3.1 Verwendete Hard- und Software 29

2.3.2 Beispiele für die Anwendung von Bulkmodellen für amorphe Polymere 29

2.3.2.1 Validierung von Packungsmodellen 29

2.3.2.2 Freies Volumen und Transportprozesse in amorphen Polymeren 34

2.3.2.3 Einfluss von Unterschieden in der Polymerdynamik auf das Permeationsverhalten gummi- und glasartiger Polymere 38

2.3.3 Beispiele für die Anwendung von Grenzflächenmodellen für amorphe Polymere 39

2.3.3.1 Polymere in Kontakt mit wässrigen Feedlösungen 39

2.4 Zusammenfassung 43

2.5 Danksagung 43

2.6 Literatur 44

3 Oberflächenmodifikationen 47
Mathias Ulbricht

3.1 Einführung – Oberflächen von Membranen 47

3.2 Motivation und Ziele für Oberflächenmodifikationen von Membranen 49

3.3 Strategien und Wege zur Oberflächenmodifikation von Membranen 51

3.3.1 Anforderungen 51

3.3.2 Grenzschichtchemie, -architektur und -morphologie, Oberflächenbedeckung 52

3.3.3 Wege zu oberflächenmodifizierten Membranen 55

3.3.3.1 Modifikation des Membranmaterials 55

3.3.3.2 Grenzflächenchemisch kontrollierte Modifikationen 55

3.3.3.2.1 Molekulare Schichten 56

3.3.3.2.2 Chemische Reaktionen am Basismaterial 58

3.3.3.2.3 Auf dem Basismaterial aufbauende Funktionalisierungen – Pfropfreaktionen zur Einführung makromolekularer funktionaler Einheiten 60

3.3.3.3 Beschichtungen 63

3.3.3.4 Mehrstufige Oberflächenmodifikationen 64

3.4 Struktur und Funktion oberflächenmodifizierter Membranen 66

3.4.1 Minimierung von Membranfouling 66

3.4.2 Biokompatibilität 67

3.4.3 Verbesserte oder neue Selektivität durch kombinierte Trennmechanismen 68

3.4.3.1 Erhöhung des Rückhaltes der Membran 69

3.4.3.2 Erhöhung der Triebkraft für den Membrantransport 70

3.4.4 Membranadsorber 70

3.4.5 Katalytisch aktive Membranen 71

3.4.6 Kommerzielle oberflächenmodifizierte Membranen 72

3.5 Schlussfolgerungen und Ausblick 73

3.6 Abkürzungen für Polymere 73

3.7 Literatur 74

4 Vliesstoffe für Membranen 77
Thomas Beeskow

4.1 Einführung 77

4.2 Vliesstoffe 79

4.2.1 Herstellungsprozesse 79

4.2.1.1 Bildung des Flächengebildes 79

4.2.1.2 Verfestigung des Flächengebildes 83

4.2.1.3 Optionale abschließende Behandlung des Flächengebildes 85

4.2.2 Aufrollung 85

4.2.3 Rohstoffe für die Vliesstoffherstellung 86

4.3 Stützvliesstoffe für Membranen 87

4.3.1 Beschichtungsträger mit direkter Membranverankerung 87

4.3.1.1 Gleichmäßigkeit 91

4.3.1.2 Defektfreiheit und Fasereinbindung 92

4.3.1.3 Haftung auf Vliesstoffen 93

4.3.1.4 Chemikalien- und Temperaturstabilität sowie mechanische Stabilität 95

4.3.1.5 Einfluss von Umrollung und Konfektionierung 96

4.3.1.6 Filtrationsproduktrelevante Bestimmungen für Stützvliesstoffe 97

4.3.1.7 Beschichtungsträger und Membranleistung 97

4.3.2 Stütz- und Drainageschichten 98

4.3.2.1 Gleichmäßigkeit, Defektfreiheit und Fasereinbindung 99

4.4 Ausblick 100

4.5 Literatur 101

5 Keramische Membranen und Hohlfasern 103
Ingolf Voigt und Stefan Tudyka

5.1 Keramische Membranen 103
Ingolf Voigt

5.1.1 Einleitung 103

5.1.1.1 Historie der keramischen Membranen 104

5.1.1.2 Aufbau keramischer Membranen 104

5.1.2 Poröse keramische Träger (Supporte) 106

5.1.2.1 Rohrförmige poröse keramische Träger 107

5.1.2.2 Platten- und scheibenförmige poröse keramische Träger 109

5.1.3 Membranen 110

5.1.3.1 Makro- und mesoporöse Membranen 110

5.1.3.2 Mikroporöse Membranen 114

5.1.3.3 Dichte Membranen 120

5.1.4 Module 122

5.1.4.1 Rohrmodule 122

5.1.4.2 Plattenmodule 123

5.1.4.3 Rotationsfilter 124

5.1.5 Trends 125

5.1.5.1 Kapillaren und Hohlfasern 125

5.1.5.2 Kompositmembranen 126

5.1.5.3 Mikrofabrikation 127

5.1.6 Literatur 128

5.2 Keramische Hohlfasern 129
Stefan Tudyka

5.2.1 Einführung 129

5.2.1.1 Markt 129

5.2.1.2 Membrangeometrien 130

5.2.2 Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten 131

5.2.2.1 Angrenzende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten 133

5.2.3 Hohlfaserherstellung 134

5.2.3.1 Lyocell-/Alceruverfahren 135

5.2.3.2 Polysulfonverfahren 135

5.2.3.3 Spinnprozess und Hohlfasergeometrie 137

5.2.3.4 Formgebung 139

5.2.3.5 Trocknen 139

5.2.3.6 Sintern 139

5.2.4 Charakterisierung 140

5.2.4.1 Morphologie und Geometrie 140

5.2.4.2 Biegebruchspannung 140

5.2.4.3 Vibrationsbeständigkeit 141

5.2.4.4 Berstdruck 141

5.2.4.5 Wasserpermeation 141

5.2.5 Beschichtung 142

5.2.6 Modultechnik 143

5.2.6.1 Schleuderpotten und Standpotten 144

5.2.7 Literatur 145

6 Medizintechnik 147
Bernd Krause, Hermann Göhl und Frank Wiese

6.1 Einleitung 147

6.2 Nierenersatztherapie 148

6.2.1 Membranen in der Nierenersatztherapie 149

6.2.2 Struktureigenschaften von Dialysemembranen 151

6.2.3 Transporteigenschaften von Dialysemembranen 154

6.2.4 Hämokompatibilität von Dialysemembranen 156

6.2.5 Betriebsarten in der Nierenersatztherapie 157

6.2.6 Ultrafiltrationsmembranen zur Dialysat- und Infusat- Aufbereitung 159

6.3 Blutfraktionierung 160

6.3.1 Therapeutische Plasmapherese 161

6.3.2 Plasmafraktionierung 167

6.3.3 Adsorptive Plasmareinigung 169

6.4 Blutoxygenation 170

6.4.1 Prinzip des Gastransportes 171

6.4.2 Membranen/Membraneigenschaften 172

6.4.3 Herstellung von Oxygenationsmembranen 174

6.4.4 Betriebsweisen und Membrananordnung im Oxygenator 177

6.4.5 Die extrakorporale Zirkulation 179

6.5 Großtechnische Herstellung von Membranen und Filtern in der Medizintechnik 180

6.5.1 Membranherstellung 181

6.5.2 Dialysatormontage 183

6.5.3 Integritätstest und Qualitätskontrolle 186

6.5.4 Sterilisation 186

6.6 Literatur 187

7 Membranen für biotechnologische Prozesse 189
Ina Pahl, Dieter Melzner und Oscar-W. Reif

7.1 Einführung: Biotechnologische Herstellung von Wirkstoffen – Fermentation 189

7.2 Filtrationsverfahren 189

7.2.1 Statische Filtration 189

7.2.2 Dynamische Filtration 191

7.3 Membrantypen 192

7.3.1 Porengrößen 194

7.3.2 Filterformen 196

7.3.3 Qualitativer Überblick der Modultypen 197

7.4 Ultrafiltration 197

7.5 Adsorptionseffekte 198

7.6 Membranreinigung 199

7.7 Betriebsarten in der Ultrafiltration 200

7.8 Durchfluss 201

7.9 Membrancharakterisierung 201

7.9.1 Rasterelektronenmikroskopie 203

7.9.2 Bubble-Point-Test 203

7.9.3 Permeabilitätsmessungen 205

7.10 Anwendungen der Mikrofiltration 205

7.10.1 Anwendungsbeispiel Filtervalidierung 205

7.10.2 Virenentfernung 206

7.10.3 Beispiel für Cross-Flow 206

7.11 Membranchromatografie 208

7.11.1 Einführung 208

7.11.2 Anwendungen 213

7.11.3 Anwendungsbeispiel der Affinitätschromatografie 213

7.11.4 Ausblick für Membranadsorber 215

7.12 Literatur 215

8 Wasseraufbereitung 217
Jens Lipnizki, Ulrich Meyer-Blumenroth, Torsten Hackner, Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen

8.1 Wasserkreisläufe – Spiralwickelmodule 217
Jens Lipnizki und Ulrich Meyer-Blumenroth

8.1.1 Einleitung 217

8.1.2 Aufbau eines Spiralwickelmoduls 219

8.1.3 Fouling in Spiralwickelmodulen 226

8.1.4 Spiralwickelmodule in Anlagen 228

8.1.5 Beispiele für die Verwendung von Spiralwickelmodulen in Wasserkreisläufen 229

8.1.6 Zusammenfassung und Konklusion 231

8.1.7 Literatur 231

8.2 Vacuum Rotation Membrane (VRM) – das rotierende Membranbelebungsverfahren: Aufbau und Betrieb 232
Torsten Hackner

8.2.1 Einleitung 232

8.2.2 Theorie 233

8.2.2.1 Membranbelebungsverfahren nach dem Niederdruckprinzip 233

8.2.2.2 VRM-Verfahren 234

8.2.3 Betriebserfahrungen mit VRM-Anlagen 237

8.2.3.1 Abwasserreinigungsanlage Schwägalp (kommunales Abwasser) 237

8.2.3.2 Klarfiltration von Brauereiabwasser (Pilotierung) 238

8.3 Prozesswasseraufbereitung mit CR-Filtertechnologiee 240
Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen

8.3.1 Einleitung 240

8.3.2 Technische Beschreibung des CR-Filters 241

8.3.2.1 Filteraufbau 241

8.3.2.2 Funktionsprinzip des CR-Filters 242

8.3.2.3 CR-Filtertypen 243

8.3.2.4 Trennbereich des CR-Filters 244

8.3.2.5 Anlagenkonzepte 245

8.3.3 Anwendungsbeispiele 246

8.3.3.1 Aufbereitung von Prozesswasser aus der Textilproduktion 246

8.3.3.2 Aufbereitung von Prozesswasser aus der PVC-Produktion 247

8.3.3.3 Aufbereitung von Streichfarbenspülwasser 249

8.3.4 Zusammenfassung 251

8.3.5 Literatur 251

9 Verfahrenskonzepte zur Herstellung von Reinstwasser in der pharmazeutischen und Halbleiter-Industrie 253
Thomas Menzel

9.1 Einführung 253

9.2 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 254

9.3 Systeme zur Herstellung von Reinwasser in der pharmazeutischen Industrie 254

9.3.1 Einsatz der Umkehrosmose bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 257

9.3.2 Einsatz der Elektrodeionisation bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 260

9.3.2.1 Heißwassersanitation der Elektrodeionisation 264

9.4 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinstwasser in der mikroelektronischen Industrie 268

9.4.1 Konzeptioneller Aufbau eines Reinstwassersystems 269

9.5 Zusammenfassung 271

9.6 Literatur 272

10 Modellierung und Simulation der Membranverfahren Gaspermeation, Dampfpermeation und Pervaporation 273
Torsten Brinkmann

10.1 Einführung 273

10.2 Modellierung von Membranverfahren 284

10.2.1 Modellierung des transmembranen Stofftransports 286

10.2.2 Modellierung der sekundären Transportphänomene 291

10.2.2.1 Konzentrationsgrenzschichten 292

10.2.2.2 Druckverluste und Transportwiderstände in porösen Stützschichten 296

10.2.2.3 Temperatureffekte 298

10.2.3 Modellierung von Membranmodulen 300

10.3 Implementierung 308

10.4 Modulverschaltung 314

10.5 Verfahrenssimulation 318

10.6 Zusammenfassung und Ausblick 325

10.7 Danksagungen 326

10.8 Symbolverzeichnis 326

10.9 Literatur 329

11 Pervaporation und Dampfpermeation 335
Hartmut E. A. Brüschke

11.1 Einleitung 335

11.2 Grundlagen 338

11.2.1 Definitionen 338

11.2.1.1 Pervaporation 338

11.2.1.2 Dampfpermeation 339

11.2.1.3 Gaspermeation 339

11.2.2 Lösungs-Diffusionsmechanismus 340

11.2.3 Polarisationseffekte 344

11.2.3.1 Konzentrationspolarisation 344

11.2.3.2 Temperaturpolarisation 345

11.3 Permeatraum 345

11.3.1 Absenken des Drucks im Permeatraum 347

11.4 Auslegung von Anlagen 350

11.5 Charakterisierung von Membranen 352

11.6 Membranen 354

11.6.1 Polymermembranen 355

11.6.1.1 Hydrophile Membranen 356

11.6.1.2 Organophile Membranen 357

11.6.1.3 Membranen zur Trennung von Organika 357

11.6.2 Anorganische Membranen 358

11.7 Module 359

11.7.1 Plattenmodule 360

11.7.2 Spiralwickelmodule 361

11.7.3 Taschenmodule (Kissenmodule) 362

11.7.4 Tubulare Module 362

11.8 Verfahren 363

11.8.1 Absatzweiser („Batch“) Betrieb 364

11.8.2 Kontinuierlicher Betrieb 365

11.8.3 Dampfpermeation 366

11.9 Beeinflussung von Reaktionen 369

11.10 Zusammenfassung 372

11.11 Literatur 372

12 Verfahren zur Trennung von Gasen und Dämpfen

12.1 Membranverfahren zur Gaspermeation 375
Klaus Ohlrogge, Jan Wind, Klaus Viktor Peinemann und Jürgen Stegger

12.1.1 Einführung 375

12.1.2 Prinzip der selektiven zur Gaspermeation 376

12.1.2.1 Definitionen 379

12.1.3 Wasserstoffabtrennung 381

12.1.4 Heliumrückgewinnung 383

12.1.5 Luftzerlegung 384

12.1.5.1 Inertgasherstellung 384

12.1.5.2 Sauerstoffherstellung 385

12.1.6 Drucklufttrocknung 386

12.1.7 Erdgasbehandlung 389

12.1.7.1 CO2-Abtrennung 389

12.1.7.2 Wasserdampf-Taupunkteinstellung 392

12.1.7.3 Kohlenwasserstoff-Taupunkteinstellung 395

12.1.7.4 Stickstoffabtrennung 400

12.1.8 Lösemittelrückgewinnung 400

12.1.8.1 Abluftreinigung 400

12.1.8.2 Olefinabtrennung 402

12.1.9 Ausblick 407

12.1.10 Literatur 408

12.2 Abtrennung organischer Dämpfe 410

12.2.1 Einleitung 410

12.2.2 Prozesse zur Abtrennung organischer Dämpfe mittels Membranverfahren 410

12.2.2.1 Membranen 410

12.2.2.2 Der Druck als Triebkraft 412

12.2.2.3 Permeatmanagement 412

12.2.2.4 Die Membrantrennstufe 414

12.2.3 Industrielle Anwendungen 415

12.2.3.1 Gesetzlicher Rahmen als treibende Kraft 415

12.2.3.2 Dämpfe leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe aus Lagerung und Umschlag 416

12.2.3.3 Resultierende Anforderungen an die Abluftreinigungsanlage 419

12.2.3.4 Anwendung: Rückgewinnung organischer Dämpfe durch Gaspermeation/Absorption 422

12.2.3.5 Anwendung: Emissionsreduzierung an Tankstellen durch Membrantechnologie 424

12.2.4 Zusammenfassung 426

12.2.5 Literatur 427

13 Elektrodialyse 429
Hans-Jürgen Rapp

13.1 Einleitung 429

13.2 Grundlagen 429

13.2.1 Das grundlegende Prinzip 429

13.2.2 Die Selektivität von Ionenaustauschermembranen 430

13.2.3 Monoselektive und bipolare Ionenaustauschermembranen 433

13.2.3.1 Die bipolare Membran 433

13.2.3.2 Monoselektive Ionenaustauschermembranen 434

13.2.4 Aufbau eines Elektrodialysemoduls 436

13.2.5 Auslegung der Elektrodialyse 439

13.2.6 Energiebedarf 441

13.2.7 Grenzstromdichte 443

13.2.8 Elektroden und Elektrodenspülung 446

13.2.9 Wassertransport und Konvektion 447

13.2.10 Betriebsweisen der Elektrodialyse 448

13.3 Säurerückgewinnung mittels Elektrodialyse 448

13.4 Formelzeichen 451

13.5 Literatur 452

14 Membranen für die Brennstoffzelle 453
Suzana Pereira Nunes

14.1 Einleitung 453

14.2 Fluorierte Membranen 454

14.3 Sulfonierte nichtfluorierte Membranen 457

14.4 Phosphonierte Membranen 459

14.5 Polymermembranen für Betrieb mit hohen Temperaturen 460

14.6 Organisch-anorganische Membranen 461

14.7 Letzte Kommentare 464

14.8 Literatur 465

15 Anwendungen der Querstrommembranfiltration in der Lebensmittelindustrie 469
Frank Lipnizki

15.1 Einleitung 469

15.2 Milchindustrie 471

15.2.1 Übersicht der Milchindustrie 471

15.2.2 Hauptanwendungen von Membranen in der Milchindustrie 472

15.2.2.1 Herstellung von Milchprodukten 472

15.2.2.2 Herstellung von Molkeproteinprodukten 474

15.2.2.3 Käseherstellung 477

15.3 Fermentierte Lebensmittel 479

15.3.1 Bier 479

15.3.1.1 Bierrückgewinnung aus Überschusshefe 479

15.3.1.2 Klärung von Bier 481

15.3.1.3 Entalkoholisierung von Bier 481

15.3.2 Wein 482

15.3.2.1 Mostkonzentration/-optimierung 482

15.3.2.2 Weinklärung/-schönung 484

15.3.2.3 Verjüngung von alten Weinen (Lifting) 484

15.3.2.4 Entalkoholisierung von Wein 485

15.3.3 Essigherstellung 485

15.3.3.1 Klärung von Essig 486

15.4 Fruchtsäfte 486

15.4.1 Klärung von Fruchtsaft 487

15.4.2 Konzentration von Fruchtsaft 487

15.5 Andere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie 488

15.5.1 Membranprozesse in der Lebensmittelproduktion 489

15.5.2 Membranprozesse in Prozesswasseraufbereitung und Abwasserbehandlung 489

15.6 Ausblick – Zukünftige Trends 489

15.6.1 Neue Anwendungen für Membranprozesse 491

15.6.2 Neue Membranprozesse 492

15.6.2.1 Pervaporation 492

15.6.2.2 Elektrodialyse 493

15.6.2.3 Membrankontaktoren – Osmotische Destillation 493

15.6.3 Integrierte Prozesslösungen: Synergien und Hybridprozesse 494

15.7 Danksagungen 494

15.8 Literatur 495

16 Nicht-wässrige Nanofiltration 497
Katrin Ebert, F. Marga J. Dijkstra und Frauke Jordt

16.1 Einleitung 497

16.2 Membranen für die nicht-wässrige Nanofiltration 498

16.3 Mathematische Beschreibung der Transportvorgänge 501

16.4 Anwendungen 506

16.4.1 Petrochemie 506

16.4.2 Homogene Katalyse 508

16.4.3 Pharmazeutische Industrie 509

16.5 Literatur 509

17 Membranreaktoren 515
Detlev Fritsch

17.1 Einleitung 515

17.2 Klassifizierung von Membranreaktoren 517

17.3 Ausgewählte Reaktionen mit Membranreaktoren 520

17.3.1 Extraktortyp 520

17.3.2 Distributortyp 526

17.3.3 Kontaktortyp 533

17.3.3.1 Kontaktor-MR Typ 1 (Diffusion) 537

17.3.3.2 Kontaktor-MR Typ 2 (Durchfluss) 540

17.3.4 Modellierung 544

17.3.5 Schlussbetrachtung 545

17.4 Literatur 545

Stichwortverzeichnis 549