Neuheit: Automatisierter Teststand für die ...
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In der Membranproduktion muss die Per-
formance der produzierten Membranen
ständig überprüft werden. Die während
der Produktion gesammelten Proben wer-
den zur Qualitätskontrolle im Labor un-
tersucht. Im Normalfall erfolgt dies nicht
zeitnah, so dass auf die Produktion nur
rückwirkend Einfluss genommen werden
kann. Mit dem Ziel, die Messwerte bereits
während der Produktion zur Verfügung zu
stellen, wurde gemeinsam mit der Firma
MICRODYN-NADIR ein automatisierter
Membranteststand entwickelt, mit dem
bereits während der Membranproduktion
eine Qualitätskontrolle durchgeführt wird.
In der abgebildeten Anlage werden die
Parameter Wasserfluss und Rückhalt zur
Beurteilung der Performance von Flach-
membranen herangezogen.
Die Anlage wird über einen Touchscreen
bedient und ist dementsprechend beson-
ders bedienerfreundlich. Um das Bestü-
cken der Testzelle zu vereinfachen, ist die
Testanlage mit einer pneumatischen Test-
zelle ausgestattet. Der Teststand misst
nach dem Einlegen der Membran vollauto-
matisch die Parameter Wasserfluss und
Rückhalt entsprechend einer für den
Membrantyp hinterlegten Prozedur. Über
eine Ampelfunktion auf dem Bildschirm
wird dem Bediener noch während des
Testlaufes verdeutlicht, ob die getestete
Membran innerhalb oder außerhalb der
festgelegten Toleranzen liegt. Zur Doku-
mentation wird nach jeder Testprozedur
ein Testprotokoll erzeugt. Alle Sensorwerte
werden während des Testlaufs zeitlich mitge-
schrieben und gespeichert. Nach der Vermes-
sung des Membranabschnittes wird die Anlage
durch Spül- und Reinigungsschritte wieder in
den Ausgangszustand gebracht und steht ab-
hängig vom Testmedium bereits nach ca. 45
Minuten für den nächsten Testlauf bereit.
Der in den Abbildungen gezeigte Teststand ist
für Flachmembranen im Mikro- und Ultrafilt-
rationsbereich ausgelegt. Andere Membran-
bauformen (Rohr- oder Hohlfasermembra-
n e n ) u n d
Druckbereiche
sind genauso
wie die ent-
s p re ch enden
Messtechniken
zur Beurteilung
der Membran-
pe r f o rmance
realisierbar.
Newsletter Nr. 10
Neuheit: Automatisierter Teststand für die
Qualitätskontrolle in der Membranproduktion
Juli 2016
SIMA-tec® GmbH
Serviceleistungen für Industrie-, Membran– und Analysetechnik GmbH SI
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Fax 02163 5755138
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Abbildung 2: Der automatische Teststand
untersucht Wasserwert und Rückhalt der ge-
rade produzierten Membran und liefert inner-
halb von 30 Minuten ein Ergebnis
Abbildung 1: Durch die Testzelle mit
pneumatischem Mechanismus gelingt das
Einlegen des Teststreifens sekundenschnell
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bicontinious microemulsion)
basierter Beschichtung wer-
den die Membraneigenschaf-
ten kommerziell erhältlicher
Membranen (Ultrafiltration
(Polyethersulfon)) optimiert.
Hierbei nimmt die Hydrophi-
lie zu, während die Oberflä-
chenrauhigkeit, die Trenn-
grenze, sowie der Poren-
durchmesser abnehmen.
Durch die Einarbeitung eines
Tensids mit einer quaternären
Ammoniumgruppe erlangt die
Membran des Weiteren anti-
mikrobielle Eigenschaften. All
diese Faktoren führen schließ-
lich zu einer Reduktion der
Fouling-Affinität der Membra-
nen.
Zu Beginn der Experimente
wurde die Beschichtung noch
mittels Redox-Init iators
(Radikale werden erzeugt,
welche zur Aushärtung der
Beschichtung führen) durch-
geführt. Dies stellte sich je-
doch als äußerst langsame und
komplexe Methode heraus.
Daher wurde im nächsten
Schritt die Polymerisation
mittels Photoinitiators unter-
sucht, was eine Aushärtung
innerhalb weniger Sekunden
ermöglicht. Die Herausforde-
rung besteht hierbei in der
richtigen Kombination und
Selektion von UV-Quelle,
Wellenlänge, Bestrahlungs-
stärke, Bestrahlungszeit, Tem-
peratur, Initiatorkonzentrati-
on und Initiator-Typ für das
jeweilige Membranmaterial.
Sämtliche Parameter wurden
sowohl unter inerten
(Stickstoff-Atmosphäre, Sau-
erstoffanteil < 1%) als auch
unter nicht inerten Bedingun-
gen untersucht.
Für den direkten Vergleich
zwischen kommerzieller und
PBM beschichteter Membran
Üblicherweise werden Mem-
branbioreaktoren in der Ab-
wasserbehandlung, beispiels-
weise in der Textil- und Oli-
venölindustrie, eingesetzt.
Durch deren kompakte Bau-
weise stellen diese eine echte
Alternative zur herkömmli-
chen Abwasserbehandlung
dar. Bei der Abwasserbehand-
lung mittels Membranbioreak-
tor kann das Fouling auf der
Membranoberfläche zu einer
signifikanten Verminderung
der Permeabilität führen. Um
ein Verblocken der Membra-
nen zu verhindern, werden
daher zusätzlich zu periodi-
schen Rückspülungen chemi-
sche Reinigungen bei Bedarf
vorgesehen. Da diese zwangs-
läufig zu einem Anlagenstill-
stand führen, gilt es diese
möglichst gering zu halten
oder besser komplett zu ver-
meiden.
In Kooperation mit dem Insti-
tut für Membrantechnologie
(ITM-Italien), sowie der Uni-
versität Kalabrien (UNICAL-
Italien), forscht die Hochschu-
le Karlsruhe Technik und
Wirtschaft an einer neuarti-
gen Membranbeschichtung,
welche die Foulingeigenschaf-
ten kommerzieller Membra-
nen wesentlich verbessert.
Mittels PBM (Polymerisable
Seite 2 NEWSLETTER NR. 10
automatisierte
Versuchsanlage
Abbildung 1: SIMA-tec LSta05-2SPS
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Der
Gastbeitrag
Anti-Fouling-Membranbeschichtungen mittels UV Poly-
merisation und deren Anwendung im Membranbioreaktor
Dipl.-Ing. Stefan André Schmidt, Prof. Dr. Jan Hoinkis, Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft
Fortsetzung auf Seite 3
Abbildung 2: PBM beschichtete Membran
Abbildung 3: Kommerzielle Membran
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Seite 3 NEWSLETTER NR. 10
Geringeres Fouling
durch PBM-
Beschichtung
wurde die SIMA-tec LSta05-
2SPS angeschafft. Hierdurch
ist es möglich, zwei Membra-
nen gleichzeitig auf deren Effi-
zienz hin zu untersuchen. Von
der automatischen Proben-
nahme, über die Regelung auf
konstanten TMP/Permeat-
fluss, bis hin zum „Feed and
Bleed“-Modus können zahlrei-
che Einstellungen bequem am
Touchpad vorgenommen
werden.
Zur Beurteilung der anti-
Fouling Charakteristika wer-
den die Membranen mit einer
Huminsäurelösung über einen
längeren Zeitraum bei ver-
schiedenen TMP`s (Trans-
membrandruck) gefahren.
Wie in den Abbildungen 2
und 3 dargestellt, ist der Un-
terschied der PBM Beschich-
tung zur kommerziellen
Membran bereits visuell sicht-
bar.
In Grafik 4 sind die Permeabi-
litäten einer kommerziellen
Ultrafiltrationsmembran im
direkten Vergleich mit einer
PBM beschichteten Membran
abgebildet. Bei Erhöhung des
TMP auf 2.2 bar (ca. 71 h)
sinkt die Permeabilität der
kommerziellen unter die der
PBM beschichteten Membran.
Nach Reduzierung des TMP
auf 0.5 bar steigen beide Per-
meabilitäten wieder an, je-
doch bleibt die der PBM be-
schichteten oberhalb der
kommerziellen Membran.
Drei Spülvorgänge von jeweils
einer Stunde mit deionisier-
tem Wasser führen zu einer
Permeabilitätserhöhung der
PBM beschichteten Membran.
Der neue Wert liegt oberhalb
des zu Beginn des Experi-
ments festgestellten Wertes.
Bei der kommerziellen Memb-
ran wurde dieser nicht er-
reicht.
Durch weitere Charakterisie-
rungsschritte (SEM, AFM,
MWCO, Contact Angle, Pore
Size Distribution) werden
diese Membrane dann weiter-
gehend untersucht, und an-
schließend in einem
Membranbioreaktor
für Langzeitversuche
parallel zur kommer-
ziellen Membran ver-
baut. Mittels Modelab-
wassers, welches typi-
schem Abwasser der
Textilindustrie ent-
spricht, werden beide
Membranen über
mehrere Monate hin-
weg direkt miteinan-
der verglichen (Ab-
bildungen 5+6).
Dieser Versuch hatte
bei einer Redox basier-
ten PBM Beschichtung bereits
deutlich die anti-Fouling Ei-
genschaften bei Erreichen des
kritischen Flux der kommer-
ziellen Membran gezeigt. Wei-
terhin wurden folgende Eigen-
schaften verbessert: CSB-
(+5%) und Farbrückhalt
Anti-Fouling-Membranbeschichtungen mittels UV Poly-
merisation und deren Anwendung im Membranbioreaktor (Fortsetzung von Seite 2)
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(Ramazol Brilliant Blue +10%).
Während des Versuches über
6 Monate musste die kom-
merzielle Membran aufgrund
von Fouling zwei Mal ge-
tauscht werden, während die
PBM beschichtete durchge-
hend im Einsatz war. Bezüg-
lich des Energiebedarfs wurde
gezeigt, dass die PBM be-
schichtete Membran, im Ge-
gensatz zur kommerziellen,
bereits mit halber Belüftung
auskommt.
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Abbildung 4: Permeabilitäten der PBM beschichteten und kom-
merziellen Ultrafiltrationsmembran
Abbildung 5: Membranbio-
reaktor
Abbildung 6:
Parallele Langzeitversuche beider Memb-
ranen
Deutliche Steige-
rung der Leistungs-
performance der
PBM-beschichteten
Membran im
Membranbio-
Reaktor
Dieses Jahr präsentiert sich
die SIMA-tec auf der LAB-
SUPPLY in unterschiedlichen
Orten in ganz Deutschland.
Hier zeigen wir unsere Neu-
heiten aus dem Bereich der
Labortechnik und die Möglich-
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Auf der LAB-SUPPLY finden
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Umwelt-, Lebensmittel- und
Industrie-Analytik, Biochemie,
Biotechnologie, Gentechnolo-
gie, Molekular- und Zellbiolo-
gie, Medizinische Diagnostik
und Pharmakologie relevante
Ansprechpartner und kosten-
losen Expertenrat.
Die weiteren Termine und
Ausstellungsorte der LAB-
SUPPLY finden sie unten in
der Rubrik „Termine in Kür-
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Besuchen Sie uns an unserem
Ausstellungsstand. Dort kön-
nen wir gerne im Gespräch
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Laborbereich erörtern.
www.sima-tec-gmbh.de nicht
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Seite 4 NEWSLETTER NR. 10
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16. Aachener Membran Kolloquium 2016
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