Umkehrosmose- (UO) und Nanofiltrationsmembranen (NF) sind bekannt für ihre hohe Selektivität gegenüber gelösten Stoffen und neu auftretenden Schadstoffen, die in verschiedenen Wassertypen vorhanden sind. Elemente mit spiralförmig gewickelten Membranen sind die am häufigsten verwendete Membrankonfiguration in UO/NF-Anlagen. Sie bestehen aus mehreren Taschen aus Dünnschichtverbundmembranen (TFC), einem Permeatrohr sowie Spacer (Abstandshalter) für Permeat (Produkt) und Feed (Zulauf). Feed-Spacer bilden einen Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Taschen. Sie spielen eine wesentliche Rolle für die Flüssigkeitscharakteristika innerhalb der Feed-Strömungskanäle und folglich bei der Beeinflussung der Querströmungsgeschwindigkeit und des Druckabfalls. Dies beeinflusst Membranverschmutzung (Fouling) und Energieverbrauch und damit die Betriebskosten. Feed-Spacer sind vorteilhaft, um den Massentransport, die Fluidmischung und die Scherrate zu verbessern, was die Konzentrationspolarisation (Ansammlung zurückgehaltener Stoffe in einer Grenzschicht nahe der Membranoberfläche) und das Scaling (Überschreiten des Löslichkeitsgleichgewichts von Salzen) mildern sollte. Es wird jedoch auch beobachtet, dass Spacer zu Zonen mit schlechtem Massentransport führen, in denen dann partikuläres Fouling und Biofouling verstärkt auftreten. Die Nutzung von synergetischen Einflüssen einer Oberflächen-Mikrostrukturierung der Membran (regelmäßiges Muster im Mikro- oder Nanometerbereich auf der aktiven Seite) sowie des Designs und der Ausrichtung der FeedSpacer kann potenziell eine Flüssigkeitsmischung fördern und den Massentransport durch eine erhöhte Scherrate an der Membranoberfläche und in den Feed-Spacer-Strukturen verbessern. Dies mildert die Adhäsion von Partikeln und Biofouling erheblich, reduziert die Konzentrationspolarisation und erhöht somit den durchschnittlichen Permeatfluss und den für das Einsetzen von Fouling kritischen Fluss. Bisher wurden das Partikelablagerungsverhalten und die Neigung zu Biofouling in mit Spacern gefüllten Kanälen oberflächenstrukturierter TFC-Membranen weder in theoretischen (Simulation) noch experimentellen Studien untersucht. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll das Verständnis grundlegender Design- und Betriebsaspekte im Hinblick auf neue und innovative Entwicklungsansätze fördern. Basierend auf experimentell ermittelten räumlichen Verteilungen von Partikeln und Biofoulants in Feed-Spacern soll die Topographie der Membranoberfläche an die Geometrie der Feed-Spacer angepasst und spezifisch gestaltet werden. Dies führt zu einer neuen Generation maßgeschneiderter Membrantaschen, die verbesserte Trennleistung und Antifouling-Eigenschaften aufweisen. Dieses neue Entwicklungskonzept wird eine Erhöhung der Prozesseffizienz und der Modullebensdauer sowie eine Verringerung des Energieverbrauchs bewirken und damit nachhaltigere und kostengünstigere Wasserreinigungsprozesse ermöglichen.
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.
Wir untersuchen, wie Sensorknoten, die als Bodensonden und Blattsensoren in direktem Kontakt mit der Umwelt stehen, gestaltet werden müssen, so dass sie langlebig und stabil sind, indem sie Fouling-Prozesse wie die Ansammlung von Schmutz oder bakterielles Wachstum verhindern. Dies erfordert maßgeschneiderte Oberflächenstrukturen und Antifouling-Beschichtungen, deren Spezifikation stark vom Standort des Sensors abhängt. Im Boden sind sie langen feuchten Phasen ausgesetzt, während sie an der Luft großen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen oder einfach der Ansammlung von Schmutz ausgesetzt sind.
Die Eindämmung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) ist eine der größten zukünftigen Herausforderungen der internationalen Abwasserbehandlung. In der Abwasserreinigung sind Membranbioreaktoren (MBR) zur Entfernung von Bakterien etabliert. ARGs treten jedoch nicht nur im Inneren von Bakterien auf, sondern auch in Form von freier DNA, möglicherweise freigesetzt durch die MBR Belüftung. Transport- und Retentionsmechanismen dieser freien ARGs in MBRs sind noch nicht vollständig verstanden. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Präsenz von Biofouling-Schichten auf der Membran die Retentionseigenschaften von MBRs für diese freien ARGs signifikant verändert. Während Biofouling die allgemeine Filtrationsleistung reduziert, erhöhen dickere Biofilmschichten und Porenverblockung die Wahrscheinlichkeit der Sorption, der Verweilzeit und des biologischen Abbaus von ARGs, wodurch freie ARGs effizienter entfernt werden. Eine weitere Hypothese ist, dass eine erhöhte Scherbeanspruchung zur Kompression und damit zu einer höheren Dichte der Biofoulingschicht und folglich zu einem verbesserten ARG-Rückhalt führt. Es werden Massentransferkoeffizienten für verschiedene Membran- und Schichteigenschaften bestimmt. Zur Überprüfung der Hypothesen wird eine MBR-Foulingsimulatorplattform entwickelt, die die Integration und Interpretation von Experimenten zum ARG-Transport und Rückhalt unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen ermöglicht. Die Plattform besteht im Kern aus einer Scherzelle in der mittels eines einstellbaren Rührers realistische Strömungsbedingungen und Schergradienten realisiert werden, die denen in einem kommerziellen MBR entsprechen. Die Experimente werden mit verschiedenen, kommerziell erhältlichen und zuvor charakterisierten Porenmembranen durchgeführt. ARGs werden dem Feed in Form von freien Plasmiden zugesetzt. Um die ARG-Log-Entfernungsraten zu erhalten, werden die Plasmide vor und nach der Membranpassage durch einen optimierten ddPCR-Multi-Target-Assay quantifiziert, der simultan die Bestimmung der Plasmidintegrität ermöglicht. Um die Auswirkungen des Membranfoulings auf die ARG-Entfernung aufzuklären, werden die MBR-Scherzellen mit einer Modell-Abwassergemeinschaft beimpft. Wir gehen davon aus, dass die vorrangige Art des Membranfoulings (Porenblockierung, Kuchenfiltration) aktiv verändert werden kann, indem physikalisch-chemische Membraneigenschaften und Scherbeanspruchungen verändert werden. Die physikalische Struktur der Foulingschichten wird in verschiedenen Alterungsstadien mit Hilfe eines optischen Kohärenztomographie-Systems (OCT) charakterisiert. Dies ermöglicht die Erzeugung und Prüfung repräsentativer, reproduzierbarer Biofouling-Schichten mit unterschiedlichen, definierten Eigenschaften zur ARG-Entfernung. Um die mit der MBR-Plattform gewonnenen Erkenntnisse zu validieren, werden die in realen MBR-Anlagen gefoulten Membranen charakterisiert, der Massentransfer geprüft und ihre ARG-Rückhalteeffizienz getestet.