Nichtstationäre Methoden zur Membrancharakterisierung

Nanofiltration (NF) ist eine relativ neues Membran-Trennverfahren zur Trennung gelöster Substanzen änlichen Molekulargewichtes. Die dieser Technik zugrunde liegenden Trennmechanismen werden nur unzulänglich verstanden, überwiegend dürfte der Prozess auf die elektrostatische Abstossung (Donnan exclusion) gleichnamig geladener Ionen durch stationäre FixIadungen an der Membran zurückzuführen sein. Momentan sind nahezu keine Informationen über die elektrochemischen und/oder elektrokinetischen Eigenschaften der NF-Membranen bekannt da deren Bestimmung wegen des Mehrschichtaufbaues nur sehr schwierig möglich ist. Aus stationären Messungen unter linearen Bedingungen ist die Beurteilung der Membrantransporteigenschaften der Aktivschicht nicht möglich. Man erhält nur Mittelwerte über die Aktivschicht und die Unterstützungsschicht. Informationen betreffend die Aktivschicht sind nur aus nicht stationären und/oder nicht-Iinearen Experimenten zugänglich. Das Ziel dieses Projektes ist es, die linearer, nicht stationärer Untersuchungsmethoden aufzubauen und deren Aussagemöglichkeiten zu beurteilen. Der dazu notwendige Volumsfluss oder die Konzentrationsveränderungen können nicht in so kurzer Zeit (einige Millisekunden) beobachtet werden, solange das System sich weit weg vom stationären Zustand befindet. Daher ist die einzige messtechnisch zugängliche Grösse eine elektrische. Das Membransystem kann auf drei Wege aus dem Gleichgewicht entfernt werden: chemisch (durch Veränderung der Konzentration), hydraulisch (durch erzwungenen Fluss durch die Membran) und elektrisch (durch den Aufbau eines Feldes über die Membran). Als Antwort erhält man entsprechnd das transiente Membranpotential, das transiente Filtrationspotential oder die elektrische Impedanz. Abschätzungen zeigen, dass die dem Phänomen zugrundeliegende Relaxationszeit deutlich länger ist als die klassische Diffiasions - Relaxation. Dennoch dürfte sie nur ca. 0.1 sec betragen. Dies macht den Bau spezieller Messzellen notwendig, die eine entsprechend schnelle Konzentrations- oder Druckänderung möglich machen. Die Konstruktion solcher Zellen wird aus theoretischen Überlegungen basierend auf der Theorie linearer, nicht stationärer Membranphänomene und Messdaten zum transienten Membranpotential abgeleitet. Erste Resultate zu den Ionentransportzahlen in der Aktivschicht mehrerer NF Membranen konnten aus ersten Messungen des transienten Membranpotentials ermittelt werden. Daraus wurde abgeleitet, dass Änderungen des experimetellen Aufbaus notwendig sind, um diese kurzen Messzeiten zu erreichen. Weiters sollen zwei neue Messtechniken - transientes Filtrationspotential und eine modifizierte Hittorf Methode realisiert werden. Drei unterschiedliche NF Membraen sollen mit diesen Techniken und der klassischen Strömungspotential Messung untersucht werden. Ausgehend von diesen Resultaten wird man die Ionen- Transportzahlen, die elektrokinetische Ladungsdichte, die Diffusionspermeabilität und das Zetapotential der Aktivschicht bestimmt werden. Diese Parameter sind die Grundlage zur Verbesserung des Verständnisse und der mathematischen Beschreibung der Funktion von NF Membranen.

Elektrochemische Eigenschaften sind die wichtigsten Einflussgrössen für die Funktion und den Rückhalt von Nanofiltrationsmembranen (NF). Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist für eine Beschreibung der Membranprozesse unerlässlich, , sie sind wegen des immer vorhanden Membransupports jedoch schwierig zu bestimmen und es ist praktisch unmöglich, sie mit stationären Versuchen zugänglich zu machen. Wir haben daher mehrere bisher nicht bekannte Versuchsarten zur Charakterisierung von Membranen entwickelt (Chronopotentiometrie, Elektrokinetik), deren wesentliche Neuerung die nicht-stationäre Versuchsdurchführung ist. An der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht und dem Support von NF Membranen bildet sich beim Durchtritt eines elektrischen Stromes eine Konzentrationspolarisation aus. Wenn dieser Strom abgeschaltet wird, verschwinden die Ohmschen Komponenten sofort, während die Relaxation der diffusionellen Komponenten zeitverzögert stattfindet. Dieser Relaxationsmechanismus wird von beiden, den elektrochemischen Eigenschaften und den Diffusionseigenschaften kontrolliert. Um die Aussagemöglichkeiten der nicht-staionären Untersuchungsmethoden zu überprüfen, wurde der Mechansimus von zwei kommerzielle NF Membranen (PES10 und Desal5 DK) in neutralen KCl Lösungen unterschiedlicher Konzentration untersucht. Von den Chronopotentiogrammen (Spannungsrelaxation als Funktion der Zeit) konnten durch Kombination mit den klassischen Messparametern für NF Membranen die Ionen- Transportzahlen und die Fixladungsdichte der Aktivschicht berechnet werden. Die Fixladungsdichte wurde zur Abschätzung des "Donnan" Salz-Relexionskoeffizienten herangezogen. Aus dem Vergleich mit experimentel ermittelten Daten konnte bestimmt werden, dass der Donnan Ausschluss bei Desal5 Membranen nicht der dominierende Rückhaltemechanism ist, während im Falle von PES10 Membranen der Salzrückhalt wesentlich durch die Fixladungen bestimmt wird.