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Leistungssteigerung bei der Querstrommikrofiltration durch Dean-Wirbel

Druckgetriebene Filtrationsprozesse, wie z.B. die Querstrommikrofiltration, sind in ihrer Leistungsfaehigkeit durch Effekte wie Fouling und Konzentrationspolarisation bzw. Deckschichtwachstum beschraenkt. Ziel der hier genannten Arbeit ist es, durch eine gezielte Induzierung von Stroemungsinstabilitaeten in Form von Sekundaerstroemungen das Deckschichtwachstum an der Membran zu limitieren, somit hoehere Filtratfluesse zu erzielen und den Filtrationsprozess insgesamt effizienter zu betreiben. Die Stroemungsinstabilitaeten werden durch die Stroemungsfuehrung in maeanderfoermig gekruemmten Kapillarmembranen aufgrund von Zentrifugalkraeften erzeugt. In Technikumsversuchen mit Latex- und Hefesuspensionen konnte nachgewiesen werden, dass sich der Filtratfluss durch den Einsatz von Dean Wirbeln gegenueber der Filtration mit geraden Kapillarmembranen um bis zu 140 Prozent steigern laesst, die Effizienz des Prozesses kann bei gleichem spezifischen Filtratfluss sogar um bis zu 400 Prozent hoeher sein. Neben den experimentellen Untersuchungen erfolgt eine intensive theoretische Betrachtung des Filtrationsprozesses. Mit Hilfe einer CFD-Software werden die hydrodynamischen Vorgaenge untersucht und in Hinblick auf den Deckschichtaufbau analysiert. Die Berechnung mehrphasiger Stroemungen und der Ablagerungsmechanismen von Partikeln soll in Zukunft durch die Simulation des dynamischen Deckschichtaufbaus in maeanderfoermig gekruemmten Kapillarmembranen erfolgen und zur Optimierung von Filtrationsmodulen hinsichtlich der Hydrodynamik herangezogen werden.

Leitende Polymermembranen zur selektiven Trennung und Foulingreduktion; Einfluss des Oberflächenpotentials von leitfähigen Polymermembranen (ZETA-Membran) auf das Fouling- und Trennverhalten in der Wasseraufbereitung

Problemstellung: Membranfiltrationsverfahren erlebten in der Aufbereitungstechnik von Wässern in den vergangenen 20 Jahren einen starken Zuwachs. Trotz des steigenden Einsatzes bleibt ein Problemfeld kommerzieller Membranen die Anhaftung und die Adsorption deckschichtbildender Substanzen (sogenanntes Fouling). Das Fouling wird im Niederdruckbereich (Mikro- bzw. Ultrafiltation) vornehmlich durch Partikeln und Kolloide (kolloidales Fouling), sowie organische Makromoleküle (organisches Fouling) und Mikroorganismen (Biofouling) verursacht. Bei Hochdruckfiltrationsverfahren wie der Nanofiltration kommt es vornehmlich zur Adsorption gelöster organischer Substanzen sowie zu Biofouling. Maßnahmen zur Fouling Kontrolle reichen von der Vorbehandlung von Wässern, über die hydrodynamische Optimierung der Strömung im Membranmodul bis zur physico-chemischen Anpassung der Oberflächeneigenschaften der eingesetzten Materialien (größtenteils Polymere). Im letzteren Handlungsfeld möchte vorliegendes Forschungsvorhaben offene Fragestellungen zu Wirkzusammenhängen zwischen Ladungseigenschaften der Membranoberfläche, den resultierenden Fouling und Rückhalteverhalten aufklären. Vorgehensweise: Mittels ionengestützter Beschichtung, Plasma Immersions Ionenimplantation und Beschichtung (PBII&D) genannt, wird die Oberflächenleitfähigkeit herkömmlicher Polymermembranen gezielt erhöht. Entsprechend behandelte Membranen werden in verschiedenen wässrigen Lösungen durch definiertes Anlegen eines elektrischen Potentials (- 1,5 V bis 1,5 V) auf das resultierende Fouling- und Rückhalteverhalten hin untersucht. Die Versuchsergebnisse werden mit bekannten Transportmodellen (elektrokinetische Modelle) verglichen und ggf. werden Modellanpassungen durchgeführt. Diese Erkenntnisse werden dazu genutzt, ein Modell zu erstellen, das zur Simulation des Trennverhaltens bei verschiedenen Betriebsbedingungen genutzt werden kann. Ein besseres, umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenladung der Membran (Zetapotential) und resultierendem Fouling- bzw. Rückhalteverhalten könnte zur gezielten 'potentialgesteuerten Funktionalisierung' von Membranoberflächen eingesetzt werden.

Optimierung der Membranfiltrationstechnik am Beispiel der Kläranlage Leipzig-Markranstädt

Ziel der Untersuchungen ist die Feststellung möglicher Optimierungsmöglichkeiten des Betriebes der Membranfiltrationsanlage der Kläranlage Leipzig-Markranstädt. Grundlage hierfür bildet eine Bilanzierung der Membrananlage. Diese umfasst Massebilanzen für die CSB-, Stickstoff- und Phosphorfrachten. Aufbauend auf den ermittelten Massebilanzen werden detaillierte Lösungsvorschläge wie z.B. die Variation der Rezirkulation einer eingehenden Prüfung unterzogen. Zur Quantifizierung möglicher Einsparpotenziale werden die Parameter des spezifischen Energieverbrauchs für die Gesamtanlage, für die biologische Stufe und für den Cross-Flow ermittelt.

Ganzheitliches Aufbereitungskonzept für technische Filtrationstextilien zur stofflichen Verwertung und Herstellung neuer Filtrationsmedien, TP: Untersuchung zur Herstellung von Polymermembranen auf Basis von recyceltem Filtertextilien

Pore water data of sediment incubation experiments under anoxic conditions

Enhanced mineral dissolution in the benthic environment is currently discussed as a potential technique for ocean alkalinity enhancement (OAE) to reduce atmospheric carbon dioxide (CO2) levels. This study explores how biogeochemical processes affect the dissolution of alkaline minerals in surface sediments during laboratory incubation experiments. These involved introducing dunite and calcite to organic-rich sediments from the Baltic Sea under controlled conditions in an anoxic to hypoxic environment. The sediment cores were incubated with Baltic Sea bottom water. Eight sediment cores were positioned vertically in a rack. Since the sediment surface was slightly oxidized by the bottom water (∼125 μmol l−1 upon recovery), the cores were left plugged on the top for 13 days to settle after recovery until the sediment surface was anoxic. To achieve chemical conditions that are expected in the natural system, 500l of retrieved sea water were degassed via bubbling with pure dinitrogen gas in batches of 100 l. Afterwards, between 50 and 60 l were transferred into an evacuated gas tight bag. After the transfer, pH and total alkalinity (TA) were measured to determine the dissolved inorganic carbon (DIC) of the water. Afterwards the DIC was increased via adding pure CO2 until a CO2 partial pressure (pCO2 ) of ∼2,300–∼3,300 μatm was established mimicking conditions prevailing in Boknis Eck during summer. Stirring heads were installed on the cores. To prevent the development of oxic conditions, it was ensured that as little gas phase as possible was left in the cores. Elimination of pelagic autotrophs, heterotrophs, and suspended particles was achieved by flushing the cores with modified bottom water for 2 days with a flow rate of 1.5 mml min−1. Afterwards, a continuous throughflow of 700 μl min−1 from the reservoir of modified bottom water was applied, leading to a residence time of ∼2.1 days inside the cores. For the experimental incubations, six cores received additions of alkaline materials, three with calcite (Cal1 - Cal3) and three cores with dunite (Dun1 - Dun3), leading to three replicates per treatment. Two control cores remained untreated (C1, C2). The amount of added substrate was based on the rain rate of particulate organic carbon observed in Boknis Eck (0.5 mmol cm−2 a−). The incubation lasted for 25 days. The volume of water in each core was determined at the end of the experiment via measuring the height of the water column after removing the stirring heads. At the end of the experiments, the bottom water was removed via suction and the cores were sliced for pore water analysis. The pore waters were recovered by centrifuging each respective sediment layer in 50 ml falcon tubes at 3000 rpm for 10 minutes. Afterwards, the supernatant water was transferred to polyethylene (PE) vials in an Ar-filled glove bag to minimize contact with oxygen. All samples were filtered through a 0.2 µm cellulose membrane filter and refrigerated in 25 ml ZinsserTM scintillation vials. TA samples (1 ml) were titrated with 0.02N HCl. For H2S, an aliquot of pore water was diluted. A 5 ml aliquot was frozen directly after the sampling procedure for later nutrient analysis. Nutrient measurements were performed either via manual photometric measurement (NH4) or using a Seal – AnalyticalTM QuAAtro autoanalyzer (PO43-). Samples for TA were analyzed directly after sampling by titration of 1 ml of bottom/pore water with 0.02N HCl. Titration was ended when a stable purple color appeared. During titration, the sample was degassed by continuous bubbling with nitrogen to remove any generated CO2 and H2S. The acid was standardized using an IAPSO seawater standard. Acidified sub-samples (30 μl suprapure HNO3- + 3 ml sample) were prepared for analyses of major and trace elements (Si, Na, K, Li, B, Mg, Ca, Sr, Mn, Ni and Fe) by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES, Varian 720-ES). For H2S, an aliquot of pore water was diluted with appropriate amounts of oxygen-free artificial seawater and the H2S was fixed by immediate addition of zinc acetate gelatin solution

Erweiterung des Wasserrucksacks PAUL (Portable Aqua Unit for Lifesaving) zur keim- und virenfreien Membranfiltration von Wasser in Notsituationen um eine Desinfektionseinheit als PAULInE (Integrated Pathogen Elimination)

Herstellung von asymmetrischen Vernetzungsmembranen aus Polyvinylalkohol und Derivaten des Polyvinylalkohols zur Meerwasserentsalzung und Reinigung von phenolhaltigen Abwaessern durch umgekehrte Osmose

Ziel der geplanten Arbeiten ist die Entwicklung und Herstellung asymmetrischer Vernetzungsmembranen aus Polyvinylalkohol und Derivaten, welche aufgrund der hohen Bestaendigkeit gegenueber Loesungsmitteln und Phenolen, wie auch aufgrund des guten Rueckhaltevermoegens gegenueber Phenolen und anderen organischen und anorganischen Verbindungen zur Reinigung phenol- und loesungsmittelhaltiger industrieller Abwaesser mit Hilfe des Verfahrens der umgekehrten Osmose geeignet sind.

Beseitigung von Phenol aus Abwaessern durch umgekehrte Osmose

Entwicklung semipermeabler Membranen mit hohem Rueckhaltevermoegen fuer Phenole.

Grundlagen des kolloidalen Stofftransports in der biologischen Abwasserreinigung

Ziel des Projektes ist die Charakterisierung von Kolloiden (dp = 0.001-1 mym) in biologischen Kläranlagen. Es existieren derzeit kaum Erkenntnisse über die kolloiden Frachten in solchen Anlagen und deren Einfluß auf die Reinigungsleistung. Neben einer elementanalytischen Bilanzierung der räumlichen und zeitlichen Varianz der Kolloidkonzentration in technischen Anlagen und Identifizierung von spezfischen Partikelquellen über größenselektive elementare 'Fingerabdrücke' sollen Erkenntnisse über den Verbleib und die chemische und strukturelle Modifikation von Kolloiden durch Wechselwirkung mit Biofilmen gewonnen werden. Die Bilanzierung basiert methodisch auf der induktiv-gekoppelten Plasmamassenspektrometie (ICP-MS). Der Eintrag der Kolloide in das ICP-MS erfolgt entweder durch Kopplung mit einer asymmetrischen Fluß-Feldflußfraktionierung (AF4), die eine vorherige größenselektive Auftrennung erlaubt, oder durch Laserablation von Membranfiltern nach einer mehrstufigen Ultrafiltration. In einem weiteren Schritt soll mit natürlichen (d.h. Kolloiden, die spezifischen Quellen zugeordnet werden können) bzw. künstlichen Tracerkolloiden die Dynamik von makroskopischen kolloidalen Transportvorgängen in techenischen Anlagen bzw. die mikroskopische Wechselwirkung mit Biofilmen in einem Laborfließsystem untersucht werden.

(Semi-) dezentrales Abwasserbehandlungssystem, TP1.5: Konzeptionierung der modularen Container-MBR-Systeme

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