Arbeitsausschuss Membrantechnik

Vorsitzende: Dipl.-Ing. Eva-Maria Maus, Winterthur/CH

I. Ziele

Für die Entwicklung des Arbeitsgebietes Membrantechnik ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den Schwerpunkten Materialentwicklung, Chemie und Verfahrenstechnik von entscheidender Bedeutung. Der Arbeitsausschuss erkennt an, dass auch auf diesem Arbeitsgebiet die internationale Zusammenarbeit notwendig ist. So setzt er sich besonders stark für den Erhalt der nationalen wissenschaftlichen Szene ein, die durch das Abwandern von Forschern weiterhin erhebliche Verluste erleidet. Die Gründung der DECHEMA-Fachsektion Membrantechnik im Jahr 1994 wird als wichtiges Signal in dieser Richtung angesehen.
Da die Membrantechnik überwiegend von mittelständischen Firmen in den Markt gebracht wird, ist es nach wie vor erforderlich, das Innovationsklima am Standort Deutschland zu stärken. Die Konkurrenz, vor allem in USA und Japan, ist seit Jahren ein Gegenstand der jeweiligen nationalen Förderung. Es ist positiv zu bemerken, dass durch öffentlich geförderte Projekte beachtliche Erfolge auch in Deutschland erzielt worden sind.

II. Schnittstellen zu anderen Gremien

Die Membrantechnik hat als breit anwendbare Technik Überschneidungen mit einer Viel-zahl von Gebieten, in denen Trennprobleme zu lösen sind: Umweltschutz, Rohstoffe und Energie (produktionsintegrierte Wasser- und Abwassertechnik, Wertstoffrückgewinnung, Bodenschutz, Gasreinigung, Energieverfahrenstechnik), Partikeltechnik (Flüssigabtrennung, grenzflächenbestimmte Systeme und Prozesse, Lebensmittelverfahrenstechnik, Trocknungstechnik) und chemische Reaktionstechnik (Technische Reaktionen, elektrochemische Prozesse, alternative Lösungsmittel).
Andererseits benötigt eine erfolgreiche Umsetzung membrantechnischer Konzepte die Nutzung von Wissen aus vielfältigen Gebieten: Werkstoffauswahl, Konstruktion und Lebensdauer sind entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Verfahren. Die Entwicklung von polymeren und anorganischen Membranmaterialien ist Ausgangspunkt neuer Prozesse. Fluidverfahrenstechnik, fluiddynamische und thermodynamische Modellierung zur Wärme- und Stoffübertragung werden zur Auslegung von Trennmodulen benötigt. Deren Produktion ist nur durch Fügetechniken zur Verbindung von polymeren, anorganischen, metallischen und Verbundmaterialien möglich. Simulation und Auslegungsverfahren binden die Membrantechnik in die Prozess- und Anlagentechnik ein.
Aufgrund des stark interdisziplinären Charakters der Membrantechnik sind Fragen der Aus- und Weiterbildung für erfolgreiche Forschung, Entwicklung und Anwendung sehr wichtig. Der Arbeitsausschuss fördert im Rahmen seiner Möglichkeiten den Hochschulnachwuchs und die interdisziplinäre Zusammenarbeit auf seinen Arbeitsgebieten.
Er bemüht sich, die Möglichkeiten der Membrantechnik in der Öffentlichkeit wirksam darzustellen und auf die Bedeutung der Forschungsförderung auf diesem Gebiet hinzuweisen.

III. Arbeitsschwerpunkte

Die aktuellen Forschungsschwerpunkte auf diesem Arbeitsgebiet liegen in der Membranentwicklung, der Theorie der Membranprozesse, der Modul- und insbesondere der Verfahrensentwicklung.

• Membranentwicklung:
  Die Membranentwicklung ist das Herzstück der Bemühungen, um bestehende Trennaufgaben energieeffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Die wichtigsten Bereiche sind Gas- und Flüssigkeitstrennung sowie Elektrodialyse und reaktive Membranen.

• Gastrennung:
  Existierende Membranverfahren in der Gastrennung sind die Wasserstoffabtrennung aus Synthesegasen, die CO ₂ -Entfernung aus Erdgasen und die Luftzerlegung. Höhere Selektivitäten und Permeabilitäten könnten die Anwendungen auf den oben genannten Gebieten stark ausweiten.

• Pervaporation:
  Nachdem die Entwässerung organischer Lösungsmittel mittels Pervaporation bereits Stand der Technik ist, fehlt der Durchbruch noch für die Trennung organischer Gemische, um auf breiter Front in die Chemische Technik einzudringen.

• Umkehrosmose:
  Für die Umkehrosmosemembranen ist das wichtigste Forschungsziel die Entwicklung von Membranen, die stabil gegen Oxidations- und Lösungsmittel sind.

• Druck getriebene Membranprozesse:
  Für Druck getriebene Membranprozesse wie Mikro-, Ultra- und Nanofiltration, Reversosmose , Pervaporation und Dampfpermeation sind höhere thermische und chemische Stabilitäten sowie Foulingresistenz wichtig.

• Anorganische Membranen:
  Es ist erforderlich, anorganische Membranen gezielt weiter zu entwickeln.. Zusätzliche Einsatzmöglichkeiten werden im Bereich der Energiegewinnung und Speiche-rung erwartet

• Ultrafiltration:
  Für die Ultrafiltration zielen die Bemühungen auf schärfere Trenngrenzen im Molekulargewichtsbereich 300 bis 500. Insbesondere wäre es wichtig, dies mit anorganischen Materialien zu erreichen.

• Bipolare Membranen:
  Die Salzspaltung aus chemischen Synthesen und die elektrochemische Regenerierung von Ionenaustauschern erfordern verbesserte bipolare Membranen.

• Reaktive Membranen:
  Falls es gelingt, reaktive Membranen wie Carriermembranen oder katalysatorimprägnierte Membranen ausreichend stabil herzustellen, würde das Arbeitsgebiet ungemein profitieren.

• Theorie:
  Bezüglich der theoretischen Beschreibung des Stofftransports durch synthetische Membranen muss man zwischen grobporigen, feinporigen und dichten (porenfreien) Membranen unterscheiden. Für den Stofftransport durch grobporige Membranen existiert bis heute keine geschlossene Theorie, während Stofftransport durch feinporige und dichte Membranen bis zu einem gewissen Grade mit Hilfe der erweiterten Nernst-Planck’schen Bewegungsgleichungen an die Verwendung von Membranmodellen gebunden ist. Fortführende theoretische Arbeiten müssten sich mit der Beschreibung des Stoff-transports auf molekularer Ebene beschäftigen. Im Rahmen der bestehenden Theorien steht eine Ausarbeitung des Stofftransports durch Polymere und damit auch durch Membranen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den transportierten Stoffen und der Membranmatrix an.

• Modulentwicklung:
  Die technische Anordnung zum Einbau einer Membran in eine Trennanlage, der Membranmodul, erlaubt es, quasi nach dem Baukastensystem die Prozessströme (Zulauf, Retentat und Permeat) voneinander zu trennen. Die an Labormustern ausgewiesene, maximale Leistungsfähigkeit einer Membran kann nur dann voll zur Geltung kommen, wenn die Modulkonfiguration auf Membran, Strömungsführung und Prozessparameter abgestimmt ist. Da die Membran nur einen geringen Teil der Modulkosten ausmacht, liegt in der Verbesserung der Modulkonfirguration ein besonders hohes Entwicklungspotential. Anwendungen, die bisher aus Kostengründen nicht erschlossen worden sind, werden möglich.
  
  
• Verfahrenstechnische Entwicklungen:
  Membranverfahren werden sehr häufig nur in Kombination mit anderen Trennoperationen zum Einsatz kommen. Insbesondere deshalb fordert ihre Einführung in die industrielle Praxis umfangreiche verfahrenstechnische Studien. Dabei erfolgt ein Wechselspiel zwischen Experiment und rechnerischer Modellierung die Entwicklung im Labor über den Betrieb von Pilotanlagen in den Produktionsmaßstab. Jedes Trennproblem muss individuell behandelt werden, so dass diese Entwick-lungsstufe immer wieder Arbeiten in verfahrenstechnischen Hochschulinstituten oder in Entwicklungsabteilungen von Industrieunternehmen auslösen wird.

Prof. Dr. Harald Helmrich, Langelsheim, April 2007

  Fachgruppe Membrantechnik 

Vorsitzender: Dr. Dieter Melzner, Göttingen

I. Ziele

  Aufgabe der Fachgruppe ist, die Fachöffentlichkeit im Rahmen von Veranstaltungen über neueste Ergebnisse aus Forschung, Entwicklung und Anwendung zu informieren, den wissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern und die Rahmenbedingungen für Membrantechnik günstig zu beeinflussen. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Dialog mit anderen Fachgebieten.

II. Schnittstellen zu anderen Gremien

Membranverfahren werden heute zunehmend in den verschiedensten Bereichen der industriellen Produktion genutzt, entsprechend vielfältig sind die Schnittstellen zu anderen Fachgebieten, wie z.B. Reaktionstechnik, Biotechnologie und Prozessintensivierung. Gerade hier besteht noch eine erhebliches Entwicklungspotential. Weitere Themengebiete sind die Aufbereitung nachwachsender, synthetischer und fossiler Energieträger. Im Bereich Umweltschutz ist besonders die produktionsintegrierte Wasser- und Abwassertechnik mit Schließung von Prozesskreisläufen und der Abtrennung von Rest- und Wertstoffen von Bedeutung.

III. Arbeitsschwerpunkte

Veranstaltungen:

  Die Fachgruppe beteiligt sich an der Gestaltung von Fachtreffen im Rahmen der ProcessNet-Jahrestagung. Darüber hinaus greift sie aus dem Kreis ihrer Mitglieder Vorschläge für Veranstaltungen zu speziellen Themen der Membranforschung auf. Weiterhin werden in Zusammenarbeit mit internationalen Organisationen und Gremien Veranstaltungen durchgeführt.

Kooperationen:
  Die ProcessNet-Fachgruppe Membrantechnik ist Mitglied der  European Membrane Society – EMS .
Die Fachgruppe pflegt Kontakte zur Deutschen Gesellschaft für Membrantechnik e.V. – DGMT
und der ‘Working Party on Membranes’ der Europäischen Föderation für Chemieingenieurwesen – EFCE

Internetkatalog Membrantechnik:
Der Internetkatalog gibt einen umfassenden Überblick zu Institutionen und Anbietern von Membranen, Modulen, Anlagen und Membranprozessen in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Der Katalog enthält aktuell über 180 Einträge und kann nach verschiedenen Themen wie Organisationen, Prozess-, Membran- und Modulentwicklung, Versuchs- und Demonstrationseinrichtungen oder Anwendungsfeldern durchsucht werden.
Den Internetkatalog der Membrantechnik finden Sie unter:

• www.dechema.de/membrankatalog

IV. FuE-Schwerpunkte

FuE-Schwerpunkte werden in folgenden Bereichen gesehen:

• Membrancharakterisierung
• Membranmodifizierung/Membranentwicklung
• Modellierung
• Modulentwicklung
• Einsatz von Membranen in Hybridsystemen
• Membranen als Träger / zur Immobilisierung von Enzymen und Mikroorganismen
• Optimierung und Entwicklung neuer Membranprozesse
• Reinigung von Membranen und Membrananlagen