Membranfiltration

Definition und Wirk-/Funktionsprinzip

Die Membranfiltration ist ein druckgetriebenes Trennverfahren, bei dem Wasser durch semipermeable Membranen geleitet und Inhaltsstoffe abhängig von Porengröße und Membraneigenschaften selektiv zurückgehalten werden. Die Trennung erfolgt physikalisch ohne Phasenwechsel und basiert auf Sieb-, Diffusions- und Wechselwirkungseffekten. Der Membranfluss wird durch das Darcy-Gesetz beschrieben und hängt von der transmembranen Druckdifferenz und dem hydraulischen Widerstand ab. Für poröse Membranen gilt ergänzend die Hagen-Poiseuille-Gleichung. Bei Nanofiltration und Umkehrosmose beeinflusst zusätzlich der osmotische Druck gemäß van-’t-Hoff-Gesetz den Stofftransport. Zentrale Betriebsparameter sind transmembraner Druck, Permeatfluss, Rückhalterate, Temperatur, pH-Wert und Strömungsgeschwindigkeit. Die Leistungsfähigkeit wird wesentlich durch Membranverschmutzung (Fouling) begrenzt, die regelmäßige Reinigungsmaßnahmen erforderlich macht.

Typen von Membranfiltrationsverfahren:

• Mikrofiltration (MF): Porengröße ca. 0,1–10 µm; Rückhalt von Schwebstoffen, Algen und Bakterien
• Ultrafiltration (UF): Porengröße ca. 0,01–0,1 µm (MWCO ~1–500 kDa); Rückhalt von Makromolekülen, Viren und Bakterien
• Nanofiltration (NF): Effektive Porengröße ca. 0,001 µm (≈ 1 nm); Teilrückhalt gelöster Ionen und organischer Moleküle
• Umkehrosmose (RO): Keine definierte Porengröße; effektive Trennstruktur < 0,001 µm; nahezu vollständiger Rückhalt gelöster Salze

Als Membranmaterialien werden Polymere (z. B. PP, PVDF, PSU, PA, CA) und Keramiken (Al2O3, ZrO2, SiC, TiO2) benutzt. Polymermembranen sind kostengünstig und flexibel, Keramiken extrem chemisch und thermisch beständig. Dünnschicht-Kompositmembranen (TFC) aus Polyamid auf Polysulfon-Trägern werden in NF und RO eingesetzt und bieten hohe Selektivität bei kompakter Bauweise.