Aus Salzwasser wird Trinkwasser: Optimierte Oberflächen bei Umkehrosmose-Modulen führen zu besserer Leistung

Sauberes Trinkwasser ist ein kostbares Gut, das allerdings aufgrund fehlender Süßwasserquellen nicht allen Ländern der Erde in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Eine energieeffiziente Methode, um aus Salz- oder Brackwasser verwendbares Trinkwasser zu gewinnen, ist die sogenannte Membranfiltration im Umkehrosmoseverfahren.

Umkehrosmose Bakterien Biofouling Membran
© Foto Fraunhofer IMWS

Die linke Abbildung zeigt die Biofilmbildung durch Bakterien auf den unbehandelten Folienmaterial. Rechts ist die optimierte Oberfläche zu sehen.

Für die Umkehrosmose werden semipermeable (halbdurchlässige) Keramik- oder Polymermembranen verwendet, durch welche das Wasser hindurchgepresst wird, um das gelöste Salz vom Wasser zu trennen. Ein wesentliches Element in den Reversosmose-Modulen – so heißen die Module zur Süßwassergewinnung, in denen eine Vielzahl von Membranen übereinander angeordnet werden – sind die Membranspacer (auch Nettings genannt). Diese fungieren als Abstandshalter zwischen den einzelnen Membranen und bilden die Fließwege für das hindurchströmende Salzwasser. Diese Membranspacer sind anfällig für die Ablagerung löslicher Schwebstoffe, Salzkristalle und Mikroorganismen (Biofouling). Kommt es zu solchen Ablagerungen, verstopfen die Reversosmose-Module regelrecht und es kommt zu einer geminderten Filtrationsleistung und schließlich zum Ausfall der Module.

In dem bis zum 28. Februar 2019 laufenden Forschungsprojekt »Innovative Membranspacer« arbeiten Experten des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS Halle (Saale) gemeinsam mit der IAB Ionenaustauscher GmbH Bitterfeld (LANXESS AG) an einem Verfahren, den Prozess des Biofoulings bei der Umkehrosmose zu stoppen. »Wir wollen die Membranspacer chemisch so konditionieren, dass keine Schwebstoffe und Bakterien mehr auf den Spacern haften bleiben können«, sagt Magdalena Jablonska, Chemieingenieurin und Mitarbeiterin am Fraunhofer IMWS. Dafür erzeugen die Wissenschaftler unter Anwendung von plasma- und nasschemischen Technologien dünne, hydrophile und ladungsneutrale Beschichtungen auf den Oberflächen der Membranspacer. Durch diese bildet sich eine hydrogelartige Barriereschicht aus, auf der Schwebstoffe und Mikroorganismen nur schwer haften bleiben können (Antifouling-Effekt). Um dieses Vorhaben umzusetzen, müssen zunächst materialwissenschaftliche Bewertungen von antiadhäsiven beziehungsweise antimikrobiellen Eigenschaften der beschichteten Oberfläche vorgenommen werden. Nachdem auf anwendungsnahen Prüfbauten die Anfälligkeit für Biofouling getestet wurde, erfolgt die Umsetzung der entwickelten Beschichtungstechnologien auf einer Rolle-zu-Rolle-Anlage. Die IAB konzipiert dabei die technische Umsetzung der entwickelten Beschichtungsmethoden im industriellen Maßstab am Produktionsstandort in Bitterfeld.

Wenn der Vorgang des Biofoulings reduziert werden kann, wird es weniger Wartungszyklen, Materialschäden und -verschleiß der Module geben. Somit kann ein wesentlich energiesparenderer und kostengünstigerer Betrieb der Membranmodule ermöglicht werden, wovon viele Menschen profitieren«, bewertet Dr. Ulrike Hirsch, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS, das Forschungsvorhaben abschließend.

Reversosmose-Modul Umkehrosmose Fraunhofer IMWS
© Foto Fraunhofer IMWS

Salzwasser wird durch ein Druckverfahren durch Polyamid-Membranen und Membran-Spacer gedrückt, um durch Umkehrosmose Trinkwasser zu erhalten.