Hohe Flux-Leistungen und eine sehr gute chemische und thermische Beständigkeit bewirken, dass sich Anwender weltweit immer häufiger für den Einsatz von keramischen Membranen entscheiden. Allerdings war der Parameter Abrieb- und Abrasionsfestigkeit noch verbesserungswürdig. Für den Einsatz bei stark abrasiven Medien wurden daher die Titanoxid-Keramikmembranen Duratech entwickelt, die dank eines besonderen Beschichtungsverfahrens gegenüber Standardmembranen eine weitaus höhere Abriebfestigkeit aufweisen.
Bei der Filtration abrasiv wirkender Inhaltstoffe mit keramischen Standardmembranen müssen zum Schutz Vorbehandlungen wie Vorfiltration, Zentrifugation oder Sedimentation eingesetzt werden. Wenn keramische Membranen (ohne Bindemittel) ihre Trenncharakteristik verloren haben, dann wurde dies in der Regel durch Abrasion und nicht durch Korrosion verursacht. Diese Membranschädigung ist darauf zurückzuführen, dass die hochporöse Struktur lediglich durch kleine Sinter- hälse zwischen den einzelnen Partikeln der Membranschicht zusammengehalten wird. Im Vergleich zu einer dichten Schicht ist die Abrasionsfestigkeit daher deutlich geringer.
Atech ist es mit der Produktlinie Duratech jetzt gelungen, durch ein spezielles Beschichtungsverfahren, das im wesentlichen auf kontrolliertem Kristallwachstum beruht, die Abriebfestigkeit von Membranen deutlich zu verbessern. Dazu wurden standardisierte Kratzversuche auf den Membranoberflächen unter definierten Bedingungen durchgeführt. Dabei wird eine Nadel unter stetiger, vertikaler Krafterhöhung über die Oberfläche gezogen und deren Eindringtiefe gemessen. Bei gleicher Kraft dringt die Nadel in die Standardmembran etwa doppelt so tief ein wie in die Duratech bzw. man muss bei der Duratech ca. doppelt soviel Kraft aufwenden, um die gleiche Eindringtiefe zu erzielen. Auch für die Duratech-Membranen gilt, dass mit abnehmender Porengröße die Abriebfestigkeit geringer wird, d. h. die Nadel dringt bei gleicher Kraft tiefer in die Membran ein. Durch Testfiltrationen von Modellflüssigkeiten mit sehr abrasiv wirkenden Bestandteilen werden zur Zeit die Grenzen der Abriebfestigkeit ermittelt.
Die verbesserte Abriebfestigkeit wurde bereits in einer industriellen Membranfiltrationsanlage durch Langzeitbetrieb belegt. Ein Stoffgemisch, das durch Verunreinigungen dauerhaft Anteile von Quarzsand enthält, wurde mit Duratech-Membranen (0,05 µm) im Vergleich zu Standardmembranen gleicher Porengröße filtriert. Nach 6-monatigem Dauerbetrieb war die Duratech-Membran vollständig und ohne jeglichen Kratzer, während bei der Standardmembran die aktive Trennschicht abgetragen wurde und die Stützkörperstruktur an der Oberfläche zum Vorschein kam.
An der Duratech-Membran ist besonders bemerkenswert, dass ihre Flux-Leistungen mit denen der Standardmembranen absolut vergleichbar sind.
Hoch reines Trägermaterial
Das Material der Membranträger besteht aus hoch reinem Alpha-Aluminiumoxid. Die Träger werden im Extrusionsverfahren hergestellt und bei bis zu 1800 °C gesintert. Anschließend wird die Filtrationsmembran schichtweise aufgetragen, beginnend mit den größeren bis hin zu feinsten Poren in Durchmessern von wenigen Nanometern. Die Membranen sind anwendungsspezifisch in Alpha-Aluminiumoxid (Standardmembran bis 0,1 µm) oder Titanoxid (Duratech bzw. Standardmembran kleiner 0,1 µm) erhältlich.
Der Einbau der Membranen in Filtrationsanlagen erfolgt in sogenannten Modulen, in denen mehrere Träger in Edelstahlgehäusen zusammengefasst sind. Auch diese Druckgehäuse bietet Atech in unterschiedlichen Stahlqualitäten und Designs an – auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten. Bei der Querstromfiltration mit keramischen Membranen durchströmt das zu filtrierende Medium die Kanäle des Membranträgers. Alle Partikel, die größer sind als der Porendurchmesser der Membran, werden zurückgehalten. Im Konzentrat werden die Partikel angereichert. Das Filtrat durchdringt die Poren und durchläuft, je nach Verfahren, ggf. weitere Stufen im Prozess.
Im Bereich Abwasserbehandlung und Recycling werden Duratech-Membranen zum Beispiel zur Filtration von Reinigungschemikalien, zur Zellseparation nach biologischen Prozessen oder zum Recycling von Farben und Lacken eingesetzt. In chemischen und biotechnischen Anwendungen leisten Keramikmembranen unter anderem Eiweißfiltration, Regeneration von Katalysatorflüssigkeiten oder Filtration von fotochemischen Entwicklerflüssigkeiten.
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Membranen im Überblick
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