Raman Microspectroscopy for in-situ Measurement of Concentration Polarization in Nanofiltration

Konzentrationspolarisation (CP) beschreibt ein Phanomen des Stofftransports geloster Teilchen an der Membranoberflache druckbetriebener Membrananlagen. Die sich bildende Grenzschicht hat eine Dicke in der Grosenordnung von Mikrometern. Daher ist CP experimentell nur schwer zuganglich, weshalb das Phanomen in der allgemeinen Forschung meist mit indirekten Methoden untersucht wird. Diese Arbeit verfolgt jedoch einen direkten Ansatz und stellt ein neues Messkonzept fur die non-invasive Untersuchung der CP in-situ vor. Mittels Raman-Mikrospektroskopie (RM) wurde die Konzentrationspolarisationsgrenzschicht (CPL) von Sulfat im Labor in-situ gemessen. Dafur wurde eigens eine Nanofiltrations-(NF)-Flachkanalzelle entwickelt, die es erlaubt die CPL in einer Umgebung zu messen, welche reprasentativ fur in der Praxis verwendete Wickelmodule ist (Kanalhohe 0.7 mm, ausstattbar mit kommerziellen Spacern). Ziel dieser Arbeit ist es, RM als neue Messtechnik fur die ortsaufgeloste Untersuchung von Konzentrationsgradienten in der NF und Umkehrosmose (RO) vorzustellen. Die NF-Membrananlage wurde mit einer Modelllosung (Magnesiumsulfat gelost in demineralisiertem Wasser) bei einem konstanten Systemdruck von 10 bar betrieben. Ubliche Messparameter zur Bestimmung der Filtrationsleistung, u.a. Ausbeute, Leitfahigkeit im Permeat etc., wurden aufgezeichnet. Der Membranruckhalt betrug mindestens 96%. Konzentrationsprofile wurden mit und ohne Spacer fur Sulfatkonzentrationen von 10 und 20 g∙L-1 im Zulauf an mehreren Positionen entlang des Membrankanals gemessen. Die Stromungsgeschwindigkeit wurde im Bereich 0,004 bis 0,2 m∙s-1 variiert, wodurch eine Ausbeute zwischen 0.5 und 31% erreicht wurde. Es wurden sowohl 1D-Tiefenprofile als auch 3D-Scans durchgefuhrt. Die Messergebnisse zeigten ubereinstimmend, dass eine hohere Ausbeute zu einer Konzentrationserhohung an der Membranoberflache fuhrt. Zudem wurde bei Stromungsgeschwindigkeiten in der Grosenordnung mm∙s-1, ein Einfluss der Membran-orientierung beobachtet. Filtration entgegen der Schwerkraft hatte eine hohere Ausbeute und Permeatqualitat zur Folge. Die RM Messungen zeigten, dass dafur ein verbesserter Stofftransport an der Membranoberflache durch naturliche Konvektion (Rayleigh-Taylor-Instabilitat, RTI) verantwortlich ist. Damit wurde hierin auch erstmals RTI in einem NF-System in-situ gemessen. Bei den RM Messungen mit Spacer zeigte sich bei geringen Stromungsgeschwindigkeiten eine charakteristische Konzentrationsverteilung. Der Vergleich mit simulierten Stromungsprofilen in der Fachliteratur zeigte eine grose Ahnlichkeit zwischen Simulations- und Messergebnissen. Inwieweit RM auch auf die Untersuchung komplexer Foulingphanomene in der Membran-filtration angewendet werden kann, wurde anhand von Biofouling untersucht. Dazu wurde die NF-Anlage mit einer Nahrlosung betrieben, welcher Kulturen von Bacillus subtilis zugesetzt wurden. Ziel war es, den Einfluss eines Biofilms an der Membranoberflache auf die CPL zu untersuchen. Zur Analyse des Biofilms wurde die optische Koharenztomographie (OCT) verwendet. Dabei wurde festgestellt, dass die mechanischen Eigenschaften des Biofilms mit den Betriebsparametern der Membranfiltration zusammenhangen. Insbesondere fuhrten Anderungen des Permeatflusses zu Anderungen der Biofilmdicke durch Kompression und Relaxation. Es wurden Konzentrationsprofile fur vier Biofilme unterschiedlicher Dicke im Bereich von 20 bis 100 µm gemessen. Die Ergebnisse bestatigten, dass Biofilme zu einer Erhohung der Salzkonzentration an der Membranoberflache fuhren und damit weitere Foulingtypen, insbesondere Scaling, gefordert werden. Die Moglichkeiten und Schwierigkeiten der Messmethode werden durchgangig kritisch diskutiert. Spharische Aberration aufgrund der Lichtbrechung beim Durchgang durch verschiedene Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes stellt eine der grosten Herausforderungen fur das Messprinzip dar. Sie fuhrt zu Verlust von Signalintensitat und hat eine Verminderung der Tiefenscharfe zur Folge. Komplexe Stromungsfelder, welche eine Schichtung von Salzlosung unterschiedlicher Brechkraft zur Folge haben, fuhren zu einer Unterbewertung der Salzkonzentration an der Membranoberflache. Die beobachtete Komprimierbarkeit der Biofilme stellt eine weitere Problematik fur die Messmethodik dar und hat bei groseren Filmdicken eine deutliche Uberbewertung der Salzkonzentration an der Membranoberflache zur Folge. In dieser Arbeit wurden Konzentrationsprofile in der Grenzschicht uber einer NF Membran direkt, non-invasiv und ortsaufgelost gemessen. Das vorgeschlagene Messkonzept ist praktisch nutzbar, benutzerfreundlich und erlaubt daruber hinaus die Nutzung von Spacern, sowie die Untersuchung komplexer Foulingphanomene.