Membranen

Klaus Ohlrogge studierte Schiffsbetriebstechnik an der Fachhochschule für Technik in Flensburg und war von 1970 bis 1975 als Projektingenieur in der Abteilung Energietechnik bei den Continental Gummiwerken Hannover tätig. Seit 1975 ist er wissenschaftlich-technischer Mitarbeiter am Institut für Chemie der GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH und seit 1982 Leiter der Abteilung Verfahrenstechnik. Seine Arbeiten umfassen Membranverfahren mit dem Schwerpunkt Gasseperation/Dampfpermeation. Von 1994 bis 2004 war Klaus Ohlrogge stellvertretender Institutsleiter des Instituts für Chemie des GKSS; er war außerdem Mitbegründer der GMT Membrantechnik GmbH, Rheinfelden (1995). Dr. Katrin Ebert studierte Textil- und Polymerchemie an der Technischen Universität Dresden im Fachbereich Polymercharakterisierung bei Prof. G. Glöckner. Ihre Promotion fertigte sie an der Technischen Universität Twente in der Arbeitsgruppe Membrantechnologie von Prof. H. Strathmann an.Seit 1996 ist sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin im Institut für Chemie der GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH tätig und leitet gegenwärtig die Abteilung Polymertechnologie II. Schwerpunkte ihrer Arbeiten sind Membranetwicklungen für verschiedene Trennprozesse und Wirkstofffreisetzung.

"...behandelt die Grundlagen der Membranverfahrenstechnik über Modulkonfigurationen, Flüssig- und Gastrennung bis hin zu Membranen."Process "Das Buch beschreibt den aktuellen Stand der Membrantechnik und ist zur Einarbeitung in das interdisziplinäre Gebiet bestens geeignet."Filtrieren und Separieren

• Vorwort xviiAutorenliste xix1 Polymermembranen 1Klaus-Viktor Peinemann und Suzana Pereira Nunes1.1 Einführung 11.2 Phaseninversions-Prozess zur Herstellung von Membranen 31.3 Membranen für die Umkehrosmose 81.4 Membranen für die Ultrafiltration 111.4.1 Polysulfone und Polyethersulfone 111.4.2 Polyvinylidenfluorid (PVDF) 121.4.3 Polyetherimid 131.4.4 Polyacrylnitril 141.4.5 Cellulose 151.5 Membranen für die Mikrofiltration 161.5.1 Polypropylen und Polytetrafluorethylen 161.5.2 Polycarbonat und Polyethylenterephthalat 181.6 Literatur 182 Molekulare Modellierung des Transports kleiner Moleküle in polymerbasierten Materialien 23Dieter Hofmann und Matthias Heuchel2.1 Einleitung 232.2 Grundlagen von MD Methoden für amorphe Polymere 252.3 Ausgewählte Anwendungen von atomistischen Simulationen 292.3.1 Verwendete Hard- und Software 292.3.2 Beispiele für die Anwendung von Bulkmodellen für amorphe Polymere 292.3.2.1 Validierung von Packungsmodellen 292.3.2.2 Freies Volumen und Transportprozesse in amorphen Polymeren 342.3.2.3 Einfluss von Unterschieden in der Polymerdynamik auf das Permeationsverhalten gummi- und glasartiger Polymere 382.3.3 Beispiele für die Anwendung von Grenzflächenmodellen für amorphe Polymere 392.3.3.1 Polymere in Kontakt mit wässrigen Feedlösungen 392.4 Zusammenfassung 432.5 Danksagung 432.6 Literatur 443 Oberflächenmodifikationen 47Mathias Ulbricht3.1 Einführung – Oberflächen von Membranen 473.2 Motivation und Ziele für Oberflächenmodifikationen von Membranen 493.3 Strategien und Wege zur Oberflächenmodifikation von Membranen 513.3.1 Anforderungen 513.3.2 Grenzschichtchemie, -architektur und -morphologie, Oberflächenbedeckung 523.3.3 Wege zu oberflächenmodifizierten Membranen 553.3.3.1 Modifikation des Membranmaterials 553.3.3.2 Grenzflächenchemisch kontrollierte Modifikationen 553.3.3.2.1 Molekulare Schichten 563.3.3.2.2 Chemische Reaktionen am Basismaterial 583.3.3.2.3 Auf dem Basismaterial aufbauende Funktionalisierungen – Pfropfreaktionen zur Einführung makromolekularer funktionaler Einheiten 603.3.3.3 Beschichtungen 633.3.3.4 Mehrstufige Oberflächenmodifikationen 643.4 Struktur und Funktion oberflächenmodifizierter Membranen 663.4.1 Minimierung von Membranfouling 663.4.2 Biokompatibilität 673.4.3 Verbesserte oder neue Selektivität durch kombinierte Trennmechanismen 683.4.3.1 Erhöhung des Rückhaltes der Membran 693.4.3.2 Erhöhung der Triebkraft für den Membrantransport 703.4.4 Membranadsorber 703.4.5 Katalytisch aktive Membranen 713.4.6 Kommerzielle oberflächenmodifizierte Membranen 723.5 Schlussfolgerungen und Ausblick 733.6 Abkürzungen für Polymere 733.7 Literatur 744 Vliesstoffe für Membranen 77Thomas Beeskow4.1 Einführung 774.2 Vliesstoffe 794.2.1 Herstellungsprozesse 794.2.1.1 Bildung des Flächengebildes 794.2.1.2 Verfestigung des Flächengebildes 834.2.1.3 Optionale abschließende Behandlung des Flächengebildes 854.2.2 Aufrollung 854.2.3 Rohstoffe für die Vliesstoffherstellung 864.3 Stützvliesstoffe für Membranen 874.3.1 Beschichtungsträger mit direkter Membranverankerung 874.3.1.1 Gleichmäßigkeit 914.3.1.2 Defektfreiheit und Fasereinbindung 924.3.1.3 Haftung auf Vliesstoffen 934.3.1.4 Chemikalien- und Temperaturstabilität sowie mechanische Stabilität 954.3.1.5 Einfluss von Umrollung und Konfektionierung 964.3.1.6 Filtrationsproduktrelevante Bestimmungen für Stützvliesstoffe 974.3.1.7 Beschichtungsträger und Membranleistung 974.3.2 Stütz- und Drainageschichten 984.3.2.1 Gleichmäßigkeit, Defektfreiheit und Fasereinbindung 994.4 Ausblick 1004.5 Literatur 1015 Keramische Membranen und Hohlfasern 103Ingolf Voigt und Stefan Tudyka5.1 Keramische Membranen 103Ingolf Voigt5.1.1 Einleitung 1035.1.1.1 Historie der keramischen Membranen 1045.1.1.2 Aufbau keramischer Membranen 1045.1.2 Poröse keramische Träger (Supporte) 1065.1.2.1 Rohrförmige poröse keramische Träger 1075.1.2.2 Platten- und scheibenförmige poröse keramische Träger 1095.1.3 Membranen 1105.1.3.1 Makro- und mesoporöse Membranen 1105.1.3.2 Mikroporöse Membranen 1145.1.3.3 Dichte Membranen 1205.1.4 Module 1225.1.4.1 Rohrmodule 1225.1.4.2 Plattenmodule 1235.1.4.3 Rotationsfilter 1245.1.5 Trends 1255.1.5.1 Kapillaren und Hohlfasern 1255.1.5.2 Kompositmembranen 1265.1.5.3 Mikrofabrikation 1275.1.6 Literatur 1285.2 Keramische Hohlfasern 129Stefan Tudyka5.2.1 Einführung 1295.2.1.1 Markt 1295.2.1.2 Membrangeometrien 1305.2.2 Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten 1315.2.2.1 Angrenzende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten 1335.2.3 Hohlfaserherstellung 1345.2.3.1 Lyocell-/Alceruverfahren 1355.2.3.2 Polysulfonverfahren 1355.2.3.3 Spinnprozess und Hohlfasergeometrie 1375.2.3.4 Formgebung 1395.2.3.5 Trocknen 1395.2.3.6 Sintern 1395.2.4 Charakterisierung 1405.2.4.1 Morphologie und Geometrie 1405.2.4.2 Biegebruchspannung 1405.2.4.3 Vibrationsbeständigkeit 1415.2.4.4 Berstdruck 1415.2.4.5 Wasserpermeation 1415.2.5 Beschichtung 1425.2.6 Modultechnik 1435.2.6.1 Schleuderpotten und Standpotten 1445.2.7 Literatur 1456 Medizintechnik 147Bernd Krause, Hermann Göhl und Frank Wiese6.1 Einleitung 1476.2 Nierenersatztherapie 1486.2.1 Membranen in der Nierenersatztherapie 1496.2.2 Struktureigenschaften von Dialysemembranen 1516.2.3 Transporteigenschaften von Dialysemembranen 1546.2.4 Hämokompatibilität von Dialysemembranen 1566.2.5 Betriebsarten in der Nierenersatztherapie 1576.2.6 Ultrafiltrationsmembranen zur Dialysat- und Infusat- Aufbereitung 1596.3 Blutfraktionierung 1606.3.1 Therapeutische Plasmapherese 1616.3.2 Plasmafraktionierung 1676.3.3 Adsorptive Plasmareinigung 1696.4 Blutoxygenation 1706.4.1 Prinzip des Gastransportes 1716.4.2 Membranen/Membraneigenschaften 1726.4.3 Herstellung von Oxygenationsmembranen 1746.4.4 Betriebsweisen und Membrananordnung im Oxygenator 1776.4.5 Die extrakorporale Zirkulation 1796.5 Großtechnische Herstellung von Membranen und Filtern in der Medizintechnik 1806.5.1 Membranherstellung 1816.5.2 Dialysatormontage 1836.5.3 Integritätstest und Qualitätskontrolle 1866.5.4 Sterilisation 1866.6 Literatur 1877 Membranen für biotechnologische Prozesse 189Ina Pahl, Dieter Melzner und Oscar-W. Reif7.1 Einführung: Biotechnologische Herstellung von Wirkstoffen – Fermentation 1897.2 Filtrationsverfahren 1897.2.1 Statische Filtration 1897.2.2 Dynamische Filtration 1917.3 Membrantypen 1927.3.1 Porengrößen 1947.3.2 Filterformen 1967.3.3 Qualitativer Überblick der Modultypen 1977.4 Ultrafiltration 1977.5 Adsorptionseffekte 1987.6 Membranreinigung 1997.7 Betriebsarten in der Ultrafiltration 2007.8 Durchfluss 2017.9 Membrancharakterisierung 2017.9.1 Rasterelektronenmikroskopie 2037.9.2 Bubble-Point-Test 2037.9.3 Permeabilitätsmessungen 2057.10 Anwendungen der Mikrofiltration 2057.10.1 Anwendungsbeispiel Filtervalidierung 2057.10.2 Virenentfernung 2067.10.3 Beispiel für Cross-Flow 2067.11 Membranchromatografie 2087.11.1 Einführung 2087.11.2 Anwendungen 2137.11.3 Anwendungsbeispiel der Affinitätschromatografie 2137.11.4 Ausblick für Membranadsorber 2157.12 Literatur 2158 Wasseraufbereitung 217Jens Lipnizki, Ulrich Meyer-Blumenroth, Torsten Hackner, Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen8.1 Wasserkreisläufe – Spiralwickelmodule 217Jens Lipnizki und Ulrich Meyer-Blumenroth8.1.1 Einleitung 2178.1.2 Aufbau eines Spiralwickelmoduls 2198.1.3 Fouling in Spiralwickelmodulen 2268.1.4 Spiralwickelmodule in Anlagen 2288.1.5 Beispiele für die Verwendung von Spiralwickelmodulen in Wasserkreisläufen 2298.1.6 Zusammenfassung und Konklusion 2318.1.7 Literatur 2318.2 Vacuum Rotation Membrane (VRM) – das rotierende Membranbelebungsverfahren: Aufbau und Betrieb 232Torsten Hackner8.2.1 Einleitung 2328.2.2 Theorie 2338.2.2.1 Membranbelebungsverfahren nach dem Niederdruckprinzip 2338.2.2.2 VRM-Verfahren 2348.2.3 Betriebserfahrungen mit VRM-Anlagen 2378.2.3.1 Abwasserreinigungsanlage Schwägalp (kommunales Abwasser) 2378.2.3.2 Klarfiltration von Brauereiabwasser (Pilotierung) 2388.3 Prozesswasseraufbereitung mit CR-Filtertechnologiee 240Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen8.3.1 Einleitung 2408.3.2 Technische Beschreibung des CR-Filters 2418.3.2.1 Filteraufbau 2418.3.2.2 Funktionsprinzip des CR-Filters 2428.3.2.3 CR-Filtertypen 2438.3.2.4 Trennbereich des CR-Filters 2448.3.2.5 Anlagenkonzepte 2458.3.3 Anwendungsbeispiele 2468.3.3.1 Aufbereitung von Prozesswasser aus der Textilproduktion 2468.3.3.2 Aufbereitung von Prozesswasser aus der PVC-Produktion 2478.3.3.3 Aufbereitung von Streichfarbenspülwasser 2498.3.4 Zusammenfassung 2518.3.5 Literatur 2519 Verfahrenskonzepte zur Herstellung von Reinstwasser in der pharmazeutischen und Halbleiter-Industrie 253Thomas Menzel9.1 Einführung 2539.2 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 2549.3 Systeme zur Herstellung von Reinwasser in der pharmazeutischen Industrie 2549.3.1 Einsatz der Umkehrosmose bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 2579.3.2 Einsatz der Elektrodeionisation bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 2609.3.2.1 Heißwassersanitation der Elektrodeionisation 2649.4 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinstwasser in der mikroelektronischen Industrie 2689.4.1 Konzeptioneller Aufbau eines Reinstwassersystems 2699.5 Zusammenfassung 2719.6 Literatur 27210 Modellierung und Simulation der Membranverfahren Gaspermeation, Dampfpermeation und Pervaporation 273Torsten Brinkmann10.1 Einführung 27310.2 Modellierung von Membranverfahren 28410.2.1 Modellierung des transmembranen Stofftransports 28610.2.2 Modellierung der sekundären Transportphänomene 29110.2.2.1 Konzentrationsgrenzschichten 29210.2.2.2 Druckverluste und Transportwiderstände in porösen Stützschichten 29610.2.2.3 Temperatureffekte 29810.2.3 Modellierung von Membranmodulen 30010.3 Implementierung 30810.4 Modulverschaltung 31410.5 Verfahrenssimulation 31810.6 Zusammenfassung und Ausblick 32510.7 Danksagungen 32610.8 Symbolverzeichnis 32610.9 Literatur 32911 Pervaporation und Dampfpermeation 335Hartmut E. A. Brüschke11.1 Einleitung 33511.2 Grundlagen 33811.2.1 Definitionen 33811.2.1.1 Pervaporation 33811.2.1.2 Dampfpermeation 33911.2.1.3 Gaspermeation 33911.2.2 Lösungs-Diffusionsmechanismus 34011.2.3 Polarisationseffekte 34411.2.3.1 Konzentrationspolarisation 34411.2.3.2 Temperaturpolarisation 34511.3 Permeatraum 34511.3.1 Absenken des Drucks im Permeatraum 34711.4 Auslegung von Anlagen 35011.5 Charakterisierung von Membranen 35211.6 Membranen 35411.6.1 Polymermembranen 35511.6.1.1 Hydrophile Membranen 35611.6.1.2 Organophile Membranen 35711.6.1.3 Membranen zur Trennung von Organika 35711.6.2 Anorganische Membranen 35811.7 Module 35911.7.1 Plattenmodule 36011.7.2 Spiralwickelmodule 36111.7.3 Taschenmodule (Kissenmodule) 36211.7.4 Tubulare Module 36211.8 Verfahren 36311.8.1 Absatzweiser („Batch“) Betrieb 36411.8.2 Kontinuierlicher Betrieb 36511.8.3 Dampfpermeation 36611.9 Beeinflussung von Reaktionen 36911.10 Zusammenfassung 37211.11 Literatur 37212 Verfahren zur Trennung von Gasen und Dämpfen12.1 Membranverfahren zur Gaspermeation 375Klaus Ohlrogge, Jan Wind, Klaus Viktor Peinemann und Jürgen Stegger12.1.1 Einführung 37512.1.2 Prinzip der selektiven zur Gaspermeation 37612.1.2.1 Definitionen 37912.1.3 Wasserstoffabtrennung 38112.1.4 Heliumrückgewinnung 38312.1.5 Luftzerlegung 38412.1.5.1 Inertgasherstellung 38412.1.5.2 Sauerstoffherstellung 38512.1.6 Drucklufttrocknung 38612.1.7 Erdgasbehandlung 38912.1.7.1 CO2-Abtrennung 38912.1.7.2 Wasserdampf-Taupunkteinstellung 39212.1.7.3 Kohlenwasserstoff-Taupunkteinstellung 39512.1.7.4 Stickstoffabtrennung 40012.1.8 Lösemittelrückgewinnung 40012.1.8.1 Abluftreinigung 40012.1.8.2 Olefinabtrennung 40212.1.9 Ausblick 40712.1.10 Literatur 40812.2 Abtrennung organischer Dämpfe 41012.2.1 Einleitung 41012.2.2 Prozesse zur Abtrennung organischer Dämpfe mittels Membranverfahren 41012.2.2.1 Membranen 41012.2.2.2 Der Druck als Triebkraft 41212.2.2.3 Permeatmanagement 41212.2.2.4 Die Membrantrennstufe 41412.2.3 Industrielle Anwendungen 41512.2.3.1 Gesetzlicher Rahmen als treibende Kraft 41512.2.3.2 Dämpfe leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe aus Lagerung und Umschlag 41612.2.3.3 Resultierende Anforderungen an die Abluftreinigungsanlage 41912.2.3.4 Anwendung: Rückgewinnung organischer Dämpfe durch Gaspermeation/Absorption 42212.2.3.5 Anwendung: Emissionsreduzierung an Tankstellen durch Membrantechnologie 42412.2.4 Zusammenfassung 42612.2.5 Literatur 42713 Elektrodialyse 429Hans-Jürgen Rapp13.1 Einleitung 42913.2 Grundlagen 42913.2.1 Das grundlegende Prinzip 42913.2.2 Die Selektivität von Ionenaustauschermembranen 43013.2.3 Monoselektive und bipolare Ionenaustauschermembranen 43313.2.3.1 Die bipolare Membran 43313.2.3.2 Monoselektive Ionenaustauschermembranen 43413.2.4 Aufbau eines Elektrodialysemoduls 43613.2.5 Auslegung der Elektrodialyse 43913.2.6 Energiebedarf 44113.2.7 Grenzstromdichte 44313.2.8 Elektroden und Elektrodenspülung 44613.2.9 Wassertransport und Konvektion 44713.2.10 Betriebsweisen der Elektrodialyse 44813.3 Säurerückgewinnung mittels Elektrodialyse 44813.4 Formelzeichen 45113.5 Literatur 45214 Membranen für die Brennstoffzelle 453Suzana Pereira Nunes14.1 Einleitung 45314.2 Fluorierte Membranen 45414.3 Sulfonierte nichtfluorierte Membranen 45714.4 Phosphonierte Membranen 45914.5 Polymermembranen für Betrieb mit hohen Temperaturen 46014.6 Organisch-anorganische Membranen 46114.7 Letzte Kommentare 46414.8 Literatur 46515 Anwendungen der Querstrommembranfiltration in der Lebensmittelindustrie 469Frank Lipnizki15.1 Einleitung 46915.2 Milchindustrie 47115.2.1 Übersicht der Milchindustrie 47115.2.2 Hauptanwendungen von Membranen in der Milchindustrie 47215.2.2.1 Herstellung von Milchprodukten 47215.2.2.2 Herstellung von Molkeproteinprodukten 47415.2.2.3 Käseherstellung 47715.3 Fermentierte Lebensmittel 47915.3.1 Bier 47915.3.1.1 Bierrückgewinnung aus Überschusshefe 47915.3.1.2 Klärung von Bier 48115.3.1.3 Entalkoholisierung von Bier 48115.3.2 Wein 48215.3.2.1 Mostkonzentration/-optimierung 48215.3.2.2 Weinklärung/-schönung 48415.3.2.3 Verjüngung von alten Weinen (Lifting) 48415.3.2.4 Entalkoholisierung von Wein 48515.3.3 Essigherstellung 48515.3.3.1 Klärung von Essig 48615.4 Fruchtsäfte 48615.4.1 Klärung von Fruchtsaft 48715.4.2 Konzentration von Fruchtsaft 48715.5 Andere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie 48815.5.1 Membranprozesse in der Lebensmittelproduktion 48915.5.2 Membranprozesse in Prozesswasseraufbereitung und Abwasserbehandlung 48915.6 Ausblick – Zukünftige Trends 48915.6.1 Neue Anwendungen für Membranprozesse 49115.6.2 Neue Membranprozesse 49215.6.2.1 Pervaporation 49215.6.2.2 Elektrodialyse 49315.6.2.3 Membrankontaktoren – Osmotische Destillation 49315.6.3 Integrierte Prozesslösungen: Synergien und Hybridprozesse 49415.7 Danksagungen 49415.8 Literatur 49516 Nicht-wässrige Nanofiltration 497Katrin Ebert, F. Marga J. Dijkstra und Frauke Jordt16.1 Einleitung 49716.2 Membranen für die nicht-wässrige Nanofiltration 49816.3 Mathematische Beschreibung der Transportvorgänge 50116.4 Anwendungen 50616.4.1 Petrochemie 50616.4.2 Homogene Katalyse 50816.4.3 Pharmazeutische Industrie 50916.5 Literatur 50917 Membranreaktoren 515Detlev Fritsch17.1 Einleitung 51517.2 Klassifizierung von Membranreaktoren 51717.3 Ausgewählte Reaktionen mit Membranreaktoren 52017.3.1 Extraktortyp 52017.3.2 Distributortyp 52617.3.3 Kontaktortyp 53317.3.3.1 Kontaktor-MR Typ 1 (Diffusion) 53717.3.3.2 Kontaktor-MR Typ 2 (Durchfluss) 54017.3.4 Modellierung 54417.3.5 Schlussbetrachtung 54517.4 Literatur 545Stichwortverzeichnis 549