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2025-06-15T10:17:23Z

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{{Quelle| siehe Diskussionsseite}}
{{Dieser Artikel|erläutert Membranen zur Filtration und Stofftrennung; zu anderen Verwendungen von Membranen siehe [[Membran]].}}
Die '''Membrantechnik''' umfasst in der [[Verfahrenstechnik]] Vorrichtungen und Verfahren zum Transport von Stoffen zwischen zwei Fraktionen unter Zuhilfenahme [[Permeabilität (Materie)|permeabler]] [[Membran]]en ([[Membran (Trennschicht)|Trennmembranen]]).

Es handelt sich um mechanische [[Trennen (Verfahrenstechnik)|Trennverfahren]] zur [[Trennen (Verfahrenstechnik)#Mechanische Trennverfahren|Separation]] aus gasförmigen oder flüssigen Stoffströmen.


== Anwendungen ==
[[Datei:Waldsassen Ultrafiltration.JPG|mini|Ultrafiltration im Freibad]]
[[Datei:Ecmo schema-1-.jpg|mini|Venös-arterielle ECMO-Schema beim Neugeborenen]]
Der besondere Vorteil von Membrantrennverfahren ist, dass sie ohne Erhitzen auskommen können und somit meist energetisch günstiger sind als die üblichen thermischen Trennverfahren ([[Destillation]], [[Sublimation (Phasenübergang)|Sublimation]] oder [[Kristallisation]]). Dieses Trennverfahren ist rein mechanisch und ermöglicht durch seine schonende Trennung die Nutzung beider Fraktionen ([[Permeat]] und [[Retentat]]). Deshalb hat sich die kalte Separation mittels Membranverfahren insbesondere in der [[Lebensmitteltechnologie]], der [[Biotechnologie]] und [[Pharmazie]] etabliert. Weiterhin lassen sich mit Hilfe von Membranen Trennungen realisieren, die mit thermischen Verfahren nicht möglich sind, zum Beispiel, weil [[azeotrop]]e oder [[Isomorphie (Kristall)|isomorphe]] Kristallisationen eine Trennung durch Destillation oder [[Umkristallisation]] unmöglich machen. Je nach Art der verwendeten Membrane ist die selektive Abtrennung einzelner Stoffe oder bestimmter Stoffgemische möglich.
Wichtige technische Anwendungen sind die Trinkwassergewinnung durch [[Umkehrosmose]] (weltweit etwa 7 Mio. Kubikmeter jährlich), Filtrationen in der [[Lebensmittelindustrie]], die Rückgewinnung von organischen Dämpfen, beispielsweise die Benzindampfrückgewinnung, und die [[Chloralkali-Elektrolyse|Elektrolyse]] zur Chlorgewinnung. Aber auch in der [[Abwasserreinigung]] wird die Membrantechnologie immer wichtiger. Mit Hilfe der UF und MF (Ultra-/Mikrofiltration) ist es möglich, Partikel, [[Kolloid]]e und [[Makromolekül]]e zu entfernen, so dass Abwasser auf diesem Wege desinfiziert werden kann. Dies ist nötig, falls Abwasser in besonders sensible [[Vorfluter]] oder in [[Badesee]]n eingeleitet werden soll.

Etwa die Hälfte des Marktes hat Anwendungen in der Medizin. Als künstliche Niere zur Entfernung giftiger Stoffe durch [[Dialyse|Blutwäsche]] und als [[Extrakorporale Membranoxygenierung|künstliche Lunge]] durch blasenfreies Zuführen von Sauerstoff in das [[Blut]]. Auch bei modernen Energiegewinnungstechniken kommen Membranen immer häufiger zum Einsatz, so zum Beispiel in der [[Brennstoffzelle]] und im [[Osmosekraftwerk]].

== Stofftransport ==
Für den Stofftransport an der Membran werden zwei grundlegende Modelle unterschieden: Das ''Lösungs-Diffusions-Modell'' und das ''hydrodynamische Modell''. Bei realen Membranen können diese beiden Transportmechanismen durchaus nebeneinander auftreten, insbesondere bei der Ultrafiltration.

=== Lösungs-Diffusions-Modell ===
Der Transport erfolgt durch [[Diffusion]], wozu die zu transportierende Komponente zunächst in der Membran gelöst sein muss. Dieses Prinzip überwiegt bei ''dichten Membranen'' ohne echte [[Pore]]n, wie sie bei der [[Umkehrosmose]] und der Gastrennung eingesetzt werden. Während des [[Filtration (Trennverfahren)|Filtrationsvorgangs]] bildet sich an der Membran eine [[Grenzschicht]] aus. Dieses [[Konzentrationsgefälle]] entsteht durch [[Molekül]]e, die die Membran nicht passieren können. Dieser Effekt wird als [[Konzentrationspolarisation]]<ref name="suf" /> bezeichnet; tritt er während der Filtration auf, wird der Transmembranfluss ([[Wasserwert#Membrantechnik|Flux]]) reduziert. Die Konzentrationspolarisation ist grundsätzlich umkehrbar – wird die Membran gewaschen, so kann der ursprüngliche Flux nahezu wiederhergestellt werden. Auch das Anlegen eines Querstroms an die Membran ([[Tangentialflussfiltration]]) minimiert die Konzentrationspolarisation.

=== Hydrodynamisches Modell ===
Transport durch Poren – im einfachsten Fall erfolgt der Transport rein [[Konvektion|konvektiv]]. Dafür muss die Größe der [[Pore]]n kleiner sein als der Durchmesser der abzutrennenden Bestandteile. Membranen, die nach diesem Prinzip funktionieren, werden hauptsächlich bei der Mikro- und Ultrafiltration verwendet; sie werden vor allem eingesetzt, um [[Makromolekül]]e aus einer [[Lösung (Chemie)|Lösung]], [[Kolloid]]e aus einer [[Dispersion (Chemie)|Dispersion]] oder Bakterien abzutrennen. Dabei werden die nicht passierenden Teilchen oder Moleküle auf der Membran in einer mehr oder weniger breiartigen Masse ([[Filterkuchen]]) konzentriert ([[Kuchenfiltration]]). Wird durch das Zusetzen der Membran die Filtration behindert, kann das sogenannte Querstromverfahren ([[Tangentialflussfiltration]]) Abhilfe schaffen. Hierbei strömt die zu filtrierende Flüssigkeit an der Vorderseite der Membran entlang und wird durch die Druckdifferenz zwischen ihrer Vorder- und Rückseite in die Fraktionen [[Retentat]] (abströmendes Konzentrat) und [[Permeat]] (Filtrat) zerlegt. Dabei entsteht eine Schubspannung, die die Filterkuchenbildung (Deckschichtbildung oder das [[Fouling (Membrantechnik)|Fouling]]) stark einschränkt.

== Membrangeometrien und Herstellung ==
[[Datei:Spiral flow membrane module-de.svg|mini|Schematische Darstellung des Stofftransports durch ein Wickelmodul]]
[[Datei:Spinnstand.PNG|mini|Skizze zur Erläuterung des Nassspinnverfahrens von Hohlfasermembranen]]
Es werden je nach Anwendung unterschiedliche Filtermembrangeometrien verwendet. Die klassische Form stellt dabei die Flachmembran dar. Dies sind poröse [[Folie]]n aus Polymer oder keramische Scheiben, die [[Rakel|gerakelt]] oder gegossen werden. Sie werden konstruktionsbedingt meist [[Dead-End-Filtration|Dead-End]] angeströmt. Daneben kommt die kapillarartige [[Hohlfaser]]membran sehr oft zum Einsatz, wie sie zum Beispiel im [[Dialysator]] verbaut wird. Sie wird meist im [[Nassspinnen|Nassspinnverfahren]] hergestellt. Obwohl es sich bei ihr anbietet, sie im Querstrom-Prinzip – [[Tangentialflussfiltration|Cross-Flow]] – anzuströmen, wird sie immer häufiger auch Dead-End angeströmt. Von Bedeutung sind die Wickelmodule, wie sie oft bei der Umkehrosmose oder der Nanofiltration verwendet werden. Dies sind zwei Flachmembranlagen, die durch Gewebe voneinander getrennt sind und spiralförmig aufgewickelt werden. Außerdem gibt es Multikanalelemente – [[Extrusion (Verfahrenstechnik)|extrudierte]], keramische Zylinder (oder Platten) – , die durch innen beschichtete Kanäle durchströmt werden.
Bei der sogenannten Composite-Membran wird auf eine poröse Trägerschicht (z. B. MF-Membran) eine aktive Membranschicht aufgetragen. Somit kann die Dicke der aktiven Schicht bei gleich bleibender mechanischer Stabilität verringert werden.
Um eine höhere Trennleistung bei Filtern zu erzielen, werden diese mit einer feinporigeren Membranschicht versehen. Bei Polymersystemen verwendet man dafür oft eine Beschichtung mit Silikon, bei keramischen Systemen den [[Sol-Gel-Prozess]].
Andere Herstellungsverfahren sind die Grenzflächenkondensation (aromatisches Polyamid auf Träger) oder die [[Ionenspur|Kernspurätzung]] (Beschuss dünner Filme aus Polycarbonat mit schweren Teilchen eines Beschleunigers).

=== Polymermembranen ===
Der überwiegende Teil der kommerziellen Membranen besteht aus Polymeren. Dabei kommt eine Vielzahl verschiedener Kunststoffe zum Einsatz, an die je nach Anwendungsgebiet sehr unterschiedliche Ansprüche gestellt werden. Die beiden verbreitetsten Formen stellen die Wickelmembranen und Hohlfasern dar.

Durch Extrudieren von sehr dünnen Polymerschichten ist es möglich, sehr dünne Schichten (10 Mikrometer) herzustellen.
Durch nachfolgendes Aufbringen von chemisch anders gestalteten Polymeren und Wiederholung des Prozesses können verschiedene alternierende Polymerschichten erzeugt werden.

Durch bestimmte Verfahren lassen sich nun sehr kleine Mikrorisse in die Polymerschicht einbringen, wobei die Schicht beispielsweise für Bakterien unpassierbar bleibt.<ref name="Baer">Eric Baer: Hochentwickelte Polymere, Spektrum der Wissenschaften, 12/1986, S. 150.</ref>
Solche Polymere können für Membranen zur [[Mikrofiltration]] verwendet werden.

[[Lipophilie|Lipophile]] Polymermembranen können den Durchtritt einiger Gase oder organischen Stoffe gestatten, sind jedoch unpassierbar für Wasser und wässrige Lösungen. Derartige Polymere werden beispielsweise in wasserabweisender Regenkleidung, bei medizinischen Geräten oder bei applizierten Arzneimitteln verwendet.<ref name="Baer" />

Statt Mikrorissen in Polymerschichten können jedoch auch ionische Gruppen in einem Polymer die Passage von Ionen durch die Membran verhindern. Derartige Membranen werden beispielsweise in der [[Elektrodialyse]] eingesetzt.

Andere Membranen sind nur für Wasser und bestimmte Gase durchlässig. Solche Membranen können in der [[Meerwasserentsalzung#Etablierte Techniken|Meerwasserentsalzung]] oder zur Abtrennung des Sauerstoffs aus der Luft ([[Gastrennung#Membranverfahren|Gastrennung]]) eingesetzt werden.<ref name="Baer" />

=== Keramische Membranen ===
Neben den einfachen Gießlingen aus Schlicker finden hauptsächlich Multikanalelemente Anwendung. Diese extrudierten Elemente finden vor allem in Bereichen Anwendung, die entweder hohe chemische oder thermische Ansprüche an den Filter stellen. Allerdings finden keramische Membranen zunehmend Einzug in die Wasserfiltration, da die hohe Lebenserwartung und die gesunkenen Herstellungskosten ihren Einsatz zunehmend wirtschaftlich gestalten.

<gallery>
Datei:Kunstnier.JPG|Hohlfasermodul (Dialysator)
Datei:Reverse osmosis membrane coil.jpg|Wickelmodul für die Umkehrosmose
Datei:Reverse osmosis membrane element layers.jpg|Aufgeschnittenes Wickelmodul
Datei:Ceramic membrane (crossflow filtration).jpg|Keramische Multikanalelemente
Datei:Goretex photo.png|[[Rasterelektronenmikroskop|SEM]]-Aufnahme einer gestreckten PTFE-Membran ([[Gore-Tex]]). Größe der Inseln ca. 10 µm
Datei:Perforated membranes with different channel angles.gif|Durch Kernspurätzung hergestellte Membran
Datei:Syringe filter-0,22-um-Millex-GV-03.jpg|0,22 µm [[Spritzenvorsatzfilter|Spritzenfilter]]
</gallery>

=== Häufig verwendete Membranwerkstoffe ===
Häufig verwendet werden: [[Polysulfone]], [[Polyethersulfon]] (PES) [[Cellulose]], [[Celluloseester]] ([[Celluloseacetat]], [[Cellulosenitrat]]), Regenerierte Cellulose (RC), [[Silikone]], [[Polyamide]] („Nylon“, genauer: PA 6, PA 6.6, PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12), [[Polyamidimid]], [[Polyamide|Polyamid]] [[Harnstoff]], [[Polycarbonate]], [[Keramik]], [[Edelstahl]], [[Silber]], [[Silizium]], [[Zeolithe (Stoffgruppe)|Zeolithe]] ([[Alumosilicate]]), [[Polyacrylnitril]] (PAN), [[Polyethylen]] (PE), [[Polypropylen]] (PP), [[Polytetrafluorethylen]] (PTFE), [[Polyvinylidenfluorid]] (PVDF), [[Polyvinylchlorid]] (PVC), Poly[[piperazin]][[Säureamide|amid]].

Kombinationen aus diesen Werkstoffen werden verwendet, um Dünnschichtmembranen („TF“, englisch „thin film“), häufig aus einer Stützschicht (z. B. [[Celluloseacetat]]) und einem Überzug (z. B. [[Polyamid]]<ref>[[GE Healthcare]], [[Evonik]], [http://www.kochmembrane.com/ Koch], [http://www.microdyn-nadir.de/ Mycrodin Nadir],[http://www.toraywater.com/ Toray], {{Webarchiv|url=http://www.alfalaval.com/Pages/default.aspx |wayback=20130606122823 |text=Alfa Laval }}, [http://www.sterlitech.com/ Sterlitech].</ref>) herzustellen.

Die Werkstoffwahl hängt von der Trenn- oder Konzentrieraufgabe und dem gewünschten [[Wasserwert|Durchfluss]] pro Membranfläche und Stunde [l/(m²·h·bar)], sowie der nötigen [[Ausbeute (Chemie)|Ausbeute]] oder dem maximalen Verlust ab. Auch das zu verwendende Lösungsmittel nimmt Einfluss auf die Trennleistung der Membran. Hydrophile Membranen stoßen tendenziell hydrophobe Stoffe ab und umgekehrt. Allerdings retardieren die hydrophilen Membranen die polaren Bestandteile in der Membran, und zwar umso stärker, je größer der Transmembrandruck (der mittlere Druck über die gesamte Membranfläche entlang des Stoffstroms) ist. (Un)Polare Lösungsmittel waschen (un)polare Stoffe aus der Membran aus.

Beschichtete Membranen bieten neue Anwendungsmöglichkeiten der Membranfiltration, z. B. die [[Chromatographie#Einteilung nach den verwendeten Phasen|Membranchromatographie]]. Die Membranen werden chemisch (z. B. mit C18, C8, ''n''-Hexan, oder Sulfonsäureresten) beschichtet. Die dadurch veränderte Membranchemie soll die Membranen mit den Eigenschaften der Säulen aus der Chromatographie verbinden.<ref>Handbook of Membrane Separations, Edited by Anil K.Pabby, Syed S.H.Rizvi, Ana aria Sastre, CRC Press, ISBN 978-0-8493-9549-9.</ref>

== Trennprinzip ==
Man unterscheidet die Membrantrennverfahren nach der treibenden Kraft, die der Trennung zugrunde liegt.

=== Druckgetriebene Prozesse ===
[[Datei:UebersichtMF1.png|mini|hochkant=2.0|Übersicht über die verschiedenen druckgetriebenen Membranfiltrations-Verfahren]]
[[Datei:Trenngrenzen der verschiedenen flüssig Filtrationstechniken.png|mini|hochkant=2.0|Trenngrenzen der verschiedenen flüssig Filtrationstechniken]]
# [[Mikrofiltration]]
#* kalte [[Sterilisation#Sterilfiltration|Sterilisation]]
#* Entkeimung von [[Fruchtsaft|Fruchtsäften]], [[Wein]] und [[Bier]]
#* Herstellung von aufgereinigtem Wasser
#* Abtrennung von [[kolloidal]]en [[Oxid]]en oder [[Hydroxide]]n
#* Trennung von Öl-Wasser-[[Emulsion]]en
#* Entwässerung von Latices
#* [[Abwasser#Abwasserbehandlung|Abwasserbehandlung]]
#* [[Biotechnologie]] (''Ernten von Zellen'')
# [[Ultrafiltration]]<ref name="suf">Skript-TC4-Ultrafiltration Uni-Paderborn ({{Webarchiv|url=http://chemie.uni-paderborn.de/fileadmin/chemie/fachgebiete/tc/ak-warnecke/Lehre/TC34P/Skript-TC4-Ultrafiltration.pdf |wayback=20150402015059 |text=PDF }}).</ref>
#* Abtrennung von [[Protein]]en (beispielsweise aus Milch)
#* kalte [[Sterilisation#Sterilfiltration|Sterilisation]] in der [[Pharmazie]] (Antibiotikaproduktion)<ref name="Ebel">S. Ebel und H. J. Roth (Herausgeber): ''Lexikon der Pharmazie'', Georg Thieme Verlag, 1987, S. 421, ISBN 3-13-672201-9.</ref>
#* Metall-Rückgewinnung und Abwasserreinigung in der [[Metallurgie]]
#* Lebensmittelbehandlung (Produktion von „PRO-CAL“ einem Milchprodukt, das wenig Fett, aber viel Protein und Calcium enthält)
#* Abtrennung von Partikeln, Mikroorganismen, [[Trubstoff]]en bei der [[Wasseraufbereitung]] aus Quellwässern oder Oberflächenwässern
#* [[Membranreaktor]]
#* [[Membranbelebungsreaktor]] (MBR)
# [[Nanofiltration]]
#* [[Trinkwasseraufbereitung]]
# [[Hyperfiltration]] = [[Umkehrosmose]]
#* Wasser-[[Entsalzung]] (Trinkwassergewinnung aus [[Meerwasser]] oder [[Brackwasser]])
#* Aufkonzentrierung von Säften oder Milch
#* Herstellung von ultra-reinem Wasser
#* [[Einengen]] bei großtechnischen Prozessen

Eine Sonderform der druckgetriebenen Prozesse stellt die [[Diafiltration]] dar.

=== Konzentrationsgetriebene Prozesse ===
# [[Gastrennung#Membranverfahren|Gastrennung]]
# [[Pervaporation]]
# [[Dialyse]]
# selektive Trennungen mit [[Emulsion#Multiple Emulsion|Flüssigmembranen]]
# [[Extrakorporale Membranoxygenierung|Künstliche Lunge]]

=== Thermisch getriebene Prozesse ===
# [[Membrandestillation]]
# [[Thermoosmose]] ([[Thermodiffusion]] über Membranen)

=== Elektrisch getriebene Prozesse ===
# Elektrodialyse (siehe [[Dialyse (Chemie)]])
# [[Elektrodeionisation]]
# [[Chloralkali-Elektrolyse]]
# Natronlauge-Schwefelsäure Prozess
# [[Elektrofiltration]]
# [[Brennstoffzelle]]

== Porengröße und Selektivität ==
[[Datei:Porengrösse und Verteilung.png|mini|Porenverteilung einer fiktiven Ultrafiltrationsmembran mit der nominalen Porengröße und dem D90]]
Die Porengrößen technischer Membranen werden je nach Hersteller sehr unterschiedlich angegeben. Eine gängige Form ist die ''Nominale Porengröße''. Sie beschreibt das Maximum in der Porengrößenverteilung<ref>TU Berlin Skript – 2 Grundlagen der Membranprozesse ({{Webarchiv|url=http://www.verfahrenstechnik.tu-berlin.de/fileadmin/fg158/Dokumente/Skripte_Loesungen/MembranVL/K02_Grundlagen.pdf |wayback=20140416210417 |text=Archivierte Kopie }}; PDF-Datei; 6,85 MB) Seite 6.</ref> und trifft nur eine ungenaue Aussage über das Rückhaltevermögen einer Membran.
Die Ausschlussgrenze oder auch „''Cut-off''“ der Membran wird üblicherweise in Form des ''NMWC'' (englisch: Nominal Molecular Weight Cut-Off, auch ''MWCO'', Molecular Weight Cut Off, Einheit: [[Atomare Masseneinheit|Dalton]]) angegeben. Er wird definiert als die minimale [[Molekülmasse]] eines globulären Moleküls, welches durch die Membran zu 90 % zurückgehalten wird. Der Cut-off kann je nach Bestimmungsmethode in den sogenannten ''D90'' umgerechnet werden, der dann in einer metrischen Einheit angegeben wird. In der Praxis sollte der NMWC mindestens 20 % niedriger sein als die Molmasse des abzutrennenden Moleküls.

Filtermembranen werden nach ihrer Porengröße in vier Klassen eingeteilt:

{| class="wikitable"
!Porengröße || Molekülmasse || Verfahren || Filtrationsdruck || abgetrennt werden
|-
| > 10 µm || || [[Filter (Fluidtechnik)|Filter]] || ||
|-
| > 0,1 µm || >5000 kDa || [[Mikrofiltration]] || < 2 bar || Bakterien, Hefen, Partikel
|-
| 100–2 nm || 5–5000 kDa || [[Ultrafiltration]] || 1–10 bar || Makromoleküle, Proteine
|-
| 2–1 nm || 0,1–5 kDa || [[Nanofiltration]] || 3–20 bar || Viren, 2-wertige Ionen<ref name="enf">Erfahrungen und Anwendungspotential der Nanofiltration – Uni Linz ({{Webarchiv|url=http://www.ivt.uni-linz.ac.at/Forschung/Publikationen/pdf/Membrantechnik%20in%20der%20Prozessindustrie.pdf |wayback=20130405101223 |text=PDF }}).</ref>
|-
| < 1 nm || < 100 Da || [[Umkehrosmose]] || 10–80 bar || Salze, kleine organische Moleküle
|}

Form und Gestalt der Membranporen hängen sehr vom Herstellungsverfahren ab und sind oft nur schwer spezifizierbar. Zur Charakterisierung führt man daher Testfiltrationen durch und bezeichnet als Porendurchmesser die Durchmesser der kleinsten Teilchen, welche die Membran nicht passieren konnten.

Der Rückhalt kann auf verschiedene Weisen bestimmt werden und stellt immer eine indirekte Messung der Porengröße dar. Eine Möglichkeit ist die Filtration von Makromolekülen (oft [[Dextrane|Dextran]], [[Polyethylenglycol]] oder [[Albumin]]) und die Messung des Cut-offs mittels [[Gel-Permeations-Chromatographie]]. Diese Verfahren finden vor allem bei der Vermessung von Ultrafiltrationsmembranen Anwendung. Eine weitere Methode sind Testfiltrationen mit Partikeln definierter Größe und deren Messung mit [[Partikelmesstechnik|Partikel Sizern]] oder [[Laser induzierte Breakdown Detektion]] (LIBD). Eine sehr anschauliche Charakterisierung ist die Messung des Rückhalts von [[Dextranblau]] oder anderen farbigen Molekülen. Auch der Rückhalt von [[Bakteriophage]]n oder [[Bakterien]] kann mit dem sogenannten „Bacteria-Challenge-Test“ Aussagen über die Porengröße liefern.

{| class="wikitable"
!Nominale Porengröße || Mikroorganismus || [[American Type Culture Collection|ATCC]]-Stamm Nummer
|-
| 0,1 µm || ''Acholeplasma laidlawii'' || 23206
|-
| 0,3 µm || ''Bacillus Subtilis Sporen (!)'' || 82
|-
| 0,5 µm || ''[[Pseudomonas|Pseudomonas diminuta]]'' || 19146
|-
| 0,45 µm || ''[[Serratia marcescens]]'' || 14756
|-
| 0,65 µm || ''[[Lactobacillus brevis]]'' ||
|}

Zur Bestimmung des Porendurchmessers gibt es [[physik]]alische Methoden wie die [[Quecksilberporosimetrie]], [[Flüssig-Flüssig-Porosimetrie]] und [[Bubble-Point-Test|Blaspunkt-Messung]], die jedoch eine bestimmte Form der Poren (wie [[Zylinder (Geometrie)|zylinderförmig]] oder aneinandergereihte [[Sphäre|sphärische]] Löcher) voraussetzen. Werden solche Verfahren für Membranen verwendet, deren Porengeometrie nicht den Idealvorstellungen entspricht, erhält man „nominelle“ Porendurchmesser, welche die Membran zwar charakterisieren, aber nicht notwendigerweise ihr tatsächliches Filtrationsverhalten und ihre Selektivität widerspiegeln.

Die Selektivität ist neben der Porengröße sehr stark abhängig von dem Trennverfahren, der Zusammensetzung der Membran und ihren elektrochemischen Eigenschaften. Durch eine hohe Selektivität können in der Kerntechnik Isotope angereichert [[Uran-Anreicherung#Diffusionsmethoden|(Uran-Anreicherung)]] und in der Industrie gasförmiger Stickstoff gewonnen [[Gastrennung#Membranverfahren|(Gastrennung)]] werden. Im Idealfall können mit einer geeigneten Membran sogar [[Racemat]]e angereichert werden.

Bei der Auswahl der Membran hat ihre Selektivität grundsätzlich Vorrang vor einer hohen Permeabilität, da sich niedrige Flüsse bei modularem Aufbau leicht durch Vergrößern der Filterfläche ausgleichen lassen. Für die Gasphase ist zu beachten, dass in einem Filtrationsprozess unterschiedliche [[Filter (Fluidtechnik)#Funktionsprinzip|Abscheidemechanismen]] wirken, so dass auch Partikel mit Größen weit unterhalb der Porengröße der Membran zurückgehalten werden können.

== Auswahl und Auslegung einer Membrananlage ==
Die Auswahl der Membranen für eine gezielte Trennung basiert in der Regel auf einer Reihe von Anforderungen. Membranenanlagen müssen ausreichend Filterfläche bieten, um genügend große Mengen Feedlösung zu verarbeiten. Die ausgewählten Membranen müssen nicht nur hohe selektive Eigenschaften für die abzutrennenden Teilchen haben, sondern auch widerstandsfähig gegenüber [[Fouling (Membrantechnik)|Fouling]] sein und eine hohe mechanische Stabilität besitzen. Außerdem muss sie reproduzierbare Ergebnisse liefern und niedrige Herstellungskosten haben. Die Gleichung für die Modellierung der Dead-End Filtration bei konstantem Druckverlust wird durch das [[Darcy-Gesetz]] beschrieben.

:<math>\frac{\mathrm dV_p}{\mathrm dt}=Q=\frac{\Delta p}{\eta_F}\ A\left(\frac{1}{R_m + R_p} \right)</math>

Mit
:''Vp'' – Permeiertes Volumen; [''Vp''] = m³
:''t'' – Zeit; [''t''] = s
:''Q'' – [[Volumenstrom]]; [''Q''] = m³/s
:'' Δp '' – Druckdifferenz;
: '' <math>\eta_\mathrm{F}</math>'' – [[Dynamische Viskosität]] des permeierenden Fluids; [<math>\eta_\mathrm{F}</math>] = Ns/m²
:''A'' – durchströmte Fläche; [''A''] = m²
:'' Rm'' – membraneigener Widerstand;
:'' Rp'' – Gelpolarisationswiderstand;

Während Rm als reiner Übergangswiderstand zwischen Membran und Permeat als konstant angenommen werden kann, verändert sich Rp und nimmt mit wachsender Deckschicht zu. Das Darcy-Gesetz ermöglicht die Berechnung der Membraneigenschaften für eine gezielte Trennung zu bestimmten Bedingungen. Der [[Siebkoeffizient]] (oder [[Trennfaktor]]) ist definiert durch die Gleichung:

:<math>S=\frac{C_p} {C_f}</math>

Cf und Cp sind die Konzentrationen in Feed und Permeat. Die hydraulische Durchlässigkeit ist definiert als der Kehrwert des Widerstands und wird vertreten durch die Gleichung:

:<math>L_p=\frac{J} {\Delta p}</math>

wobei J der Permeat-Volumenstrom pro Einheit Membranfläche ist. Der Siebkoeffizient und die hydraulische Durchlässigkeit ermöglichen die schnelle Beurteilung der Membranleistung.

== Geschichte ==
* 1748 erfolgten die ersten belegten Beobachtungen zur [[Selektive Permeabilität|selektiven Permeabilität]] von Membranen durch [[Jean-Antoine Nollet]], als er mit einer Schweinsblase als Trennmedium zwischen Wasser und Wein experimentierte. Er beobachtete dabei, wie sich die Blase unter dem Ausgleich des [[Osmotischer Druck|osmotischen Drucks]] langsam aufblähte, bis sie schließlich platzte.
* 1828 beschrieb [[Henri Dutrochet]] als erster das [[Osmometer]].
* 1861 entdeckte [[Thomas Graham (Chemiker)|Thomas Graham]] die chemische [[Dialyse (Chemie)|Dialyse]]: Während gelöste Stoffe die Membranen durchwandern, werden die [[Kolloide]] aufgehalten.
* 1864 stellte [[Moritz Traube#Pflanzenphysiologie und Entdeckung semipermeabler Membranen|Moritz Traube]] erstmals künstliche, [[semipermeable Membran]]en dar, die er als Molekülsiebe erkannte. Sie wurden von [[Wilhelm Pfeffer]] und [[Jacobus Henricus van ’t Hoff]] für ihre Versuche verwendet
* 1916 erfand [[Richard Zsigmondy]] gemeinsam mit [[Wilhelm Bachmann (Chemiker)|Wilhelm Bachmann]] den Membranfilter und Ultrafeinfilter. Diese Filter wurden zuerst ab 1917 von der Firma ''de Haën'' (später [[Riedel-de Haën]]) in [[Seelze]] produziert, später von der Göttinger ''Membranfiltergesellschaft mbH'' (heute Teil der [[Sartorius AG]]).
* 1924 führte [[Georg Haas (Mediziner)|Georg Haas]] die erste Blutwäsche außerhalb des Körpers durch.
* 1945 wurde der erste Mensch mit der von [[Willem Kolff]] entwickelten künstlichen Niere gerettet.
* 1949 entwickelten [[Sidney Loeb]] und [[Srinivasa Sourirajan]] an der [[University of California, Los Angeles]] die erste Umkehrosmose Membran, und brachten das Prinzip nach 8-jähriger Entwicklung zur Produktreife.

== Membranentwicklung ==
Wichtigste Forschungszentren auf dem Gebiet der Stofftrennung mit Membranen in Europa sind das [[GKSS-Forschungszentrum]] Geesthacht, die Universitäten [[Universität Twente|Twente-Enschede]], [[RWTH Aachen|Aachen]] und [[Universität Kalabrien|Kalabrien]] und das ''Institut Européen des Membranes'' (IEM), eine gemeinsam vom ''[[Centre national de la recherche scientifique]]'' (CNRS), der ''[[École nationale supérieure de chimie de Montpellier]]'' und der [[Universität Montpellier]] betriebene ''[[Unité mixte de recherche]]'' (UMR).

== Siehe auch ==
* [[Tontopffilter]]
== Literatur ==
* {{Literatur|Autor=Munir Cheryan|Titel=Handbuch Ultrafiltration|Verlag=Behr|ISBN=3-925673-87-3|Jahr=1990}}
* {{Literatur|Autor=Eberhard Staude|Titel=Membranen und Membranprozesse|Verlag=VCH|ISBN=3-527-28041-3|Jahr=1992}}
* {{Literatur|Autor=Marcel Mulder|Titel=Basic Principles of Membrane Technology|Verlag=Kluwer Academic Publishers|ISBN=978-0-7923-4248-9|Jahr=1996}}
* {{Literatur|Autor=Thomas Melin, Robert Rautenbach|Titel=Membranverfahren|Verlag=Springer|ISBN=3-540-00071-2|Jahr=2007}}

== Einzelnachweise ==
<references />


{{Normdaten|TYP=s|GND=4231727-7}}

[[Kategorie:Membrantechnik| ]]
[[Kategorie:Filtration]]
[[Kategorie:Verfahrenstechnik]]
[[Kategorie:Wasseraufbereitung]]
[[Kategorie:Abwasserbehandlung]]
[[Kategorie:Pharmazeutische Technologie]]

Membrantechnik - Versionsgeschichte

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