Membranverfahren (eBook)

Autor der dritten Auflage ist Prof. Thomas Melin. Nach dem Studium der Physik und Promotion zum Dr.-Ing. am Aachener Institut von Prof. Rautenbach war er 20 Jahre lang Mitarbeiter der Bayer AG und überwiegend in der Verfahrensentwicklung tätig. Seine Aufgaben reichten von der Planung einer Fabrik in Korea bis zur Leitung eines Fachbereichs, der neben Umweltschutz und Bioverfahrenstechnik auch die Membrantechnik umfasste. 1996 übernahm er von Professor Rautenbach die Leitung des Instituts für Verfahrenstechnik der RWTH Aachen, dessen traditioneller Forschungsschwerpunkt Membrantechnik durch reaktionstechnische und umwelttechnische Themen ergänzt wird.

Vorwort 5
Danksagung 6
Inhaltsverzeichnis 7
1 Membranprozesse - Triebkräfte und Transportwiderstände 14
1.1 Einleitung: Membranen, Module, Membranverfahren 14
1.2 Grundbegriffe – Selektivität, Fluss, Rückhalt 17
1.3 Triebkräfte und Widerstände 20
1.4 Universelle Triebkraft: Differenz des chemischen Potenzials 21
1.5 Transportwiderstände an der Membran 27
1.6 Zusammenfassung 29
Formelzeichen und Indizierung 30
2 Membranen – Strukturen, Werkstoffe und Herstellung 31
2.1 Einleitung 31
2.2 Klassifizierung von Membranen 32
2.3 Organische Membranen 34
2.4 Anorganische Membranen 59
2.5 Flüssige Membranen, Membranen mit Carrier 75
2.6 Erleichterter Stofftransport durch Membranen 77
Literatur 78
3 Modellierung des Stofftransportes in Membranen 82
3.1 Einleitung 82
3.2 Porenmodell für Filtrationsanwendungen 86
3.3 Lösungs-Diffusions-Modell für porenfreie Membranen 89
3.4 Modelle für den Gas- und Dampftransport in porösen Materialien 107
3.5 Transport in Membranen mit Oberflächenladungen 117
3.6 Zusammenfassung 118
3.7 Berechnungsbeispiele 119
Formelzeichen und Indizierung 123
Literatur 125
4 Stoffaustausch an Membranen 127
4.1 Triebkraftmindernde Effekte 127
4.2 Einfluss der Einbaurichtung asymmetrischer Membranen 148
4.3 Maßnahmen zur Verbesserung des Stoffübergangs an der Membran 152
Formelzeichen und Indizierung 157
Literatur 159
5 Modulkonstruktionen 161
5.1 Einleitung 161
5.2 Strömungsführung im Modul 162
5.3 Anforderungen an Modulkonstruktionen 165
5.4 Module mit Schlauchmembranen 167
5.5 Module mit Flachmembranen 177
5.6 Getauchte Module für die Wasseraufbereitung 185
5.7 Moduloptimierung 194
5.8 Zusammenfassung 210
Formelzeichen und Indizierung 211
Literatur 212
6 Anlagenentwurf und Modulanordnung 215
6.1 Einleitung 215
6.2 Parallel- und Reihenschaltung 216
6.3 Modulanordnung innerhalb einer Stufe 217
6.4 Mehrstufige Anlagenverschaltung 221
6.5 Anlagenauslegung – Näherungsrechnungen 229
Formelzeichen und Indizierung 235
Literatur 236
7 Kosten 237
7.1 Investitionskosten - Methoden zur Kostenschätzung 237
7.2 Laufende Kosten – Wirtschaftlichkeit 244
7.3 Spezifische Kosten 249
Formelzeichen und Indizierung 253
Literatur 253
8 Umkehrosmose 255
8.1 Einleitung 255
8.2 Membranbeständigkeit 257
8.3 Osmotischer Druck 262
8.5 Membranverblockung infolge von Kristallisation ( Scaling) 265
8.6 Membranverblockung infolge Verschmutzungen ( Fouling) 269
8.7 Membranflächen-, Leistungs- und spezifischer Energiebedarf 273
8.8 Beispiele für den Einsatz der Umkehrosmose 276
8.9 Aufgabe: Auslegung einer Meerwasserentsalzungsan-lage 285
8.10 Zusammenfassung 290
Formelzeichen und Indizierung 292
Literatur 293
9 Nanofiltration 295
9.1 Abgrenzung zur Umkehrosmose und Ultrafiltration 295
9.2 Kommerzielle NF-Membranen, Einsatzgebiete 297
9.3 Berechnung des Trennverhaltens von NF-Membranen 300
9.4 Donnan-Effekt 300
9.5 Druck- und konzentrationsabhängiger Rückhalt 304
9.6 Vergleich von NF und RO 310
9.7 Zusammenfassung 315
Formelzeichen und Indizierung 316
Literatur 317
10 Ultrafiltration und Mikrofiltration 319
10.1 Verfahrensbeschreibung 319
10.2 Membranen in der Ultra- und Mikrofiltration 321
10.3 Prozessführung und Modulsysteme 325
10.4 Modellierung des Stofftransportes bei der Ultra- und Mikrofiltration 333
10.5 Membranfouling 346
10.6 Chemische Reinigung 354
10.7 Anwendungen in der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung 358
10.8 Berechnungsbeispiel 368
Formelzeichen und Indizierung 373
Literatur 376
11 Elektrodialyse 379
11.1 Verfahrensbeschreibung 379
11.2 Ionenaustauschermembranen: Prinzip, Eigenschaften und Herstellung 381
11.3 Aufbau und Betriebsweisen von Elektrodialyseanlagen 387
11.4 Auslegung von ED-Anlagen 393
11.5 Kosten und Anwendung des Verfahrens 403
11.6 Verfahrensvarianten 406
11.7 Berechnungsbeispiel: Auslegung einer Brackwasserelektrodialyse 412
Formelzeichen und Indizierung 419
Literatur 421
12 Pervaporation / Dampfpermeation 424
12.1 Verfahrensbeschreibung 424
12.2 Membranen und Module 426
12.3 Diskussion der leistungsbestimmenden Parameter 429
12.4 Verfahrensauslegung 434
12.5 Anwendungsbeispiele 438
12.6 Zusammenfassung und Ausblick 450
Formelzeichen und Indizierung 451
Literatur 453
13 Gaspermeation 455
13.1 Einleitung 455
13.2 Trennmechanismen von GP-Membranen 456
13.3 Membranwerkstoffe 459
13.4 Modulkonstruktionen 477
13.5 Lokale Trenncharakteristik 480
13.6 Modul- und Anlagenauslegung 490
13.7 Anwendungsbeispiele 492
13.8 Berechnungsbeispiele 508
Formelzeichen und Indizierung 510
Literatur 512
14 Membrankontaktoren 515
14.1 Einleitung 515
14.2 Verfahrensprinzip 515
14.3 Membranen 519
14.4 Modulkonstruktionen 519
14.5 Auslegung von Membrankontaktoren 521
14.6 Anwendungen 534
14.7 Zusammenfassung und Ausblick 545
Anhang A: Herleitung der allgemeinen Transportgleichung 546
Anhang B: Beschreibung des Stoffdurchgangs 549
Formelzeichen und Indizierung 552
Literatur 554
15 Membranreaktoren 556
15.1 Einleitung 556
15.2 Extraktorprinzip 557
15.3 Distributorprinzip 563
15.4 Kontaktorprinzip 566
15.5 Membranbioreaktoren 570
15.6 Zusammenfassung 576
Formelzeichen und Indizierung 576
Literatur 577
Sachverzeichnis 579