Abwasser effektiv reinigen

Wass­er ist lebenswichtig – Abwäss­er müssen daher möglichst effizient gere­inigt wer­den. Möglich machen das keramis­che Mem­bra­nen. Forsch­er vom Fraun­hofer-Insti­tut für Keramis­che Tech­nolo­gien und Sys­teme IKTS in Herms­dorf kon­nten die Tren­ngren­ze dieser Mem­bra­nen nun deut­lich her­ab­set­zen und erst­mals auch gelöste organ­is­che Moleküle mit ein­er Molaren Masse von nur 200 Dal­ton zuver­läs­sig abfil­tri­eren. So lassen sich selb­st Indus­trie-Abwäss­er effizient reinigen.

Wer sich im Hochsom­mer schon ein­mal mit zu wenig Wass­er im Gepäck einen son­ni­gen Küstenpfad ent­lang geschleppt hat, weiß: Ohne Wass­er hält man nicht lange durch. Denn Wass­er ist eine der Grund­la­gen des Lebens. Und auch in der Indus­trie ist das küh­le Nass ein Muss: In vie­len Pro­duk­tion­sprozessen dient es als Lösemit­tel, Reini­gungsmit­tel, kühlt oder überträgt Wärme. Da zunehmend mehr Wass­er ver­braucht wird, gilt es, Abwäss­er aufzu­bere­it­en und wiederzu­ver­wen­den. Eine gute Möglichkeit dazu bieten keramis­che Mem­bra­nen: Da sie auf mech­a­nis­che Art und Weise tren­nen – also ähn­lich wie ein Kaf­feefilter – sind sie beson­ders energieef­fizient. Allerd­ings war mit dieser Meth­ode bish­er bei ein­er Molekül­größe von 450 Dal­ton Schluss: Kleinere Moleküle kon­nten mit keramis­chen Mem­bra­nen nicht abge­tren­nt wer­den. Experten zufolge galt es sog­ar als unmöglich, diese Gren­ze zu unterschreiten.

Erstmalig 200 Dalton kleine Moleküle abtrennbar

Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter und Dipl.-Chem. Petra Puhlfürß vom Fraun­hofer IKTS haben das Unmögliche geschafft. “Mit unseren keramis­chen Mem­bra­nen erre­ichen wir erst­mals eine moleku­lare Tren­ngren­ze von 200 Dal­ton – und erzie­len damit eine ganz neue Qual­ität”, freut sich Voigt, stel­lvertre­tender Insti­tut­sleit­er des IKTS und Stan­dortleit­er in Hermsdorf.

Doch wie ist den Forsch­ern das gelun­gen? Auf dem Weg, das Unmögliche möglich zu machen, galt es zunächst ver­schiedene Hin­dernisse zu über­winden. Das erste lag in der Her­stel­lung der Mem­bran selb­st: Möchte man so kleine Moleküle zuver­läs­sig abtren­nen, benötigt man eine Mem­bran mit Poren, die klein­er sind als die Moleküle, die man abtren­nen möchte. Außer­dem müssen alle Poren möglichst gle­ich groß sein, da eine einzelne größere Öff­nung aus­re­icht, um Moleküle hin­durchrutschen zu lassen. Die Her­aus­forderung lag also darin, möglichst kleine Poren zu erzeu­gen, die alle mehr oder weniger gle­ich groß sind. “Über eine Weit­er­en­twick­lung der Sol-Gel-Tech­nik ist uns dies gelun­gen”, sagt Richter, Abteilungsleit­er am IKTS. Die zweite Hürde lag darin, solche Mem­bran­schicht­en defek­t­frei über größere Flächen herzustellen. Auch dies ist den Fraun­hofer-Forsch­ern geglückt. “Während üblicher­weise nur wenige Quadratzen­time­ter große Flächen beschichtet wer­den, haben wir eine Pilotan­lage mit ein­er Mem­bran­fläche von 234 Quadrat­metern aus­gerüstet – unsere Mem­bran ist also mehrere Größenord­nun­gen größer”, verdeut­licht Puhlfürß, Wis­senschaft­lerin am IKTS.

Transfer vom Labor in die Praxis

Die besagte Pilotan­lage wurde im Auf­trag von Shell von der Fir­ma Andreas Jung­hans – Anla­gen­bau und Edel­stahlbear­beitung GmbH & Co. KG in Franken­berg gebaut und ste­ht im kanadis­chen Alber­ta. Hier reinigt sie seit 2016 erfol­gre­ich Abwass­er, das bei der Förderung von Öl aus Ölsand ver­wen­det wird. Derzeit pla­nen die Forsch­er eine erste Pro­duk­tion­san­lage mit ein­er Mem­bran­fläche von mehr als 5000 Quadratmetern.

Auch in indus­triellen Pro­duk­tion­sprozessen brin­gen die neuar­ti­gen keramis­chen Mem­bra­nen Vorteile: Mit ihnen lassen sich Teil­ströme direkt im Prozess reini­gen und das gere­inigte Wass­er im Kreis­lauf führen – das spart Wass­er und Energie.

Für die Entwick­lung der keramis­chen Nanofil­tra­tions­mem­bran erhal­ten Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter und Dipl.-Chem. Petra Puhlfürß den diesjähri­gen Joseph-von-Fraun­hofer-Preis. Die Jury begrün­det die Preisver­gabe unter anderem mit “der erst­ma­li­gen Umset­zung für Fil­tra­tionsan­wen­dun­gen im Rah­men dieser Materialklasse”.