Impedanz- und elektroakustische Spektroskopie an keramischen Ultra- und Nanofiltrationsmembranen
Final Report Abstract
Bei Ultra- und Nanofiltrationsprozessen sind für das Trennergebnis vor allem geometrische und elektrische Parameter der Membranen maßgebend. Die steigenden Einsatzmöglichkeiten der Ultra- und Nanofiltrationsmembranen (Industrie, Medizin, Umweltschutz) zwingen uns Methoden zu entwickeln, mit deren Hilfe elektrische und geometrische Eigenschaften dieser Membranen zerstörungsfrei charakterisiert werden können. Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Bestimmung der elektrischen und geometrischen Eigenschaften von keramischen Ultra- und Nanofiltrationsmembranen mittels der Impedanz- und elektroakustischen Spektroskopie (EIS und EAS) möglich ist. Die wichtigsten Vorteile der neuen EIS- und EAS-Methoden sind vor allem ihre Zerstörungsfreiheit und Integrierbarkeit. In der zweiten Förderperiode (Berichtszeitraum) wurden in-situ Messungen (auch zusätzlich Strömungspotential) durchgeführt, bei denen die Verfolgung von Foulingerscheinungen und eine Detektierung von Fehlern, wie Risse oder Abplatzungen in der filteraktiven Schicht, während des Filtrationsprozesses möglich waren. Dadurch kann eine Membran nicht nur charakterisiert, sondern mit der EIS- und EAS-Methode auch während des Prozesses überwacht werden. Es wurde ein universell einsetzbarer, vollautomatischer Filtrationsmessplatz entwickelt, der die simultane Messung von Filtrationsparametern bzw. die Durchführung von Impedanz- bzw. elektroakustischer Spektroskopie während der Filtration ermöglicht. Dabei können alle Steuerparameter mittels PC ausgeführt bzw. die Messwerte automatisch empfangen und ausgewertet werden. Weiterhin können beliebige Messabläufe gestaltet und die Ergebnisse zeitecht dargestellt werden. Ein im Rahmen des Projektes geschriebenes universelles Impedanzfittprogramm ermöglicht die Erstellung des Ersatzschaltbildes des Filtrat- Grenzflächen-Membran-Systems. Häufig auftretende Probleme während der Filtrationsprozesse (Fouling, Umladung der Membran, Filterbruch) könnten mit den im Rahmen des Projektes aufgebauten Instrumenten und Erfahrungspotential in situ verfolgt und geklärt werden. In Zukunft sollten diese Laborergebnisse und Erfahrungspotential in Praxis transferiert werden. Dadurch kann mit relativ einfacher Technik, ohne den Filtrationsprozess zu unterbrechen, der Zustand der Membran ermittelt oder Veränderungen registriert werden. So könnte die Leistungsverminderung der Membran rechtzeitlich erkannt und durch einen Reinigungsprozess oder Austausch der Membran die Wirtschaftlichkeit der Anlage verbessert werden. Der Einsatz von leistungsstärkeren Ultraschalls in Filtrationsprozessen als Anti-Fouling- Maßnahme könnte in künftigen Arbeiten mit Permeationsmessungen während der Beschallung untersucht werden. Während der Bearbeitung des Projektes wurden auch viele physikalische Effekte, die in porösen Körpern (Membran) an Fest-Flüssig-Grenzflächen auftreten, untersucht und besser verstanden. Anhand dieser ergeben sich nicht nur das Charakterisieren einer Membran und die Kontrolle eines Filtrationsprozesses als Verwertungsmöglichkeit, sondern es können die Ergebnisse auf andere Disziplinen, wo flüssigkeitsgefüllte Poren eine Rolle spielen (Geologie, Bauchemie usw.), übertragen werden. Bei dem Durchströmen eines porösen Körpers mit Wasser oder eines Elektrolyts entsteht eine Gleichspannung. So wird die mechanische oder hydrostatische Energie in elektrische umgewandelt. Dieser bekannte Effekt (Strömungspotential bzw. -strom) könnte theoretisch, wenn auch mit sehr geringem Wirkungsgrad, als Energiequelle (Batterie) dienen. Der mittels Impedanzspektroskopie gemessene Membranwiderstand ist eine wichtige Größe neben der Oberflächenladung, die über die Effizienz einer solch elekrokinetischen Batterie entscheidet. In großen Filtrationsanlagen könnte diese Art von Energieumwandlung untersucht und vielleicht nach weiterer Optimierung und Forschung genutzt werden. Wird die Membran mit pulsierendem Druck betrieben oder mit Ultraschalldruckwellen beschallt, entsteht Wechselpotential. Ob eine Nutzung dieses Phänomens möglich ist, sollte in der Zukunft geklärt werden. Weiterhin könnte die EAS als Sensor oder Sensorprinzip ihre Verwendung finden. Das elektrische Wechselpotential als Antwort einer Oberfläche auf die Ultraschallanregung beinhaltet Informationen, die für die Ladung oder chemische Natur der Oberfläche (Adsorption) charakteristisch ist.
Publications
- Electrochemical and Electrokinetic Aspects of Ceramic Nano Filtration Membranes, 67th Annual Session of the Indian Ceramic Society at Chennai, Indien
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- Electroacoustic measurement of surface potentials. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 222, 2003, 79-85
R. Herbig, R.E. Bräunig, G. Tomandl
- Ceramic Membranes for Filtration Applications – Preparation and Characterization, Advanced Engineering Materials, 6(7), 495-500, 2004
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- Electrochemical and Electrokinetic Aspects of Ceramic Nanofiltration Membranes, Transactions of the Indian Ceramic Society, Vol. 63 (2), 99-104, June 2004
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- Ringversuche zur Standardisierung der Charakterisierungverfahren keramischer Membranen (2007); 13. Treffen des Arbeitskreises „Keramische Membranen“ der Deutschen Keramischen Gesellschaft (DKG), Frankfurt
P. Arki, G. Tomandl
- Rolle der Oberflächenladung bei keramischen Nanofiltrationsmembranen (2008), 16. Treffen des Arbeitskreises „Keramische Membranen“ der Deutschen Keramischen Gesellschaft (DKG), Frankfurt
P. Arki, G. Tomandl
