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Die Superkraft der Membranen: Wie kann man mit Konzentrationspolarisation umgehen und die Trennleistung verbessern?
Bei der Entwicklung der Membranwissenschaft und -technologie ist die „Konzentrationspolarisation“ ein entscheidendes Konzept. Bei diesem Phänomen handelt es sich um den selektiven Transport bestimmter Spezies durch eine Membran, was zur Bildung eines Konzentrationsgradienten an der Membran/Lösung-Grenzfläche führt. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Funktionalität der Membran, sondern auch auf die Effizienz verschiedener Trennprozesse.
Konzentrationspolarisation ist ein inhärentes Merkmal aller Membrantrennprozesse und beeinflusst die Trennwirkung und die Lebensdauer der Membran.
Auch bei elektrochemischen Prozessen kommt es zu einer Konzentrationspolarisation. Wenn Strom durch die Elektrode/Lösungsschnittstelle fließt, führen Änderungen der Elektrolytkonzentration zum Auftreten einer Polarisation. Unter „Polarisation“ versteht man hier die Veränderung der Potentialdifferenz in einer elektrochemischen Zelle gegenüber dem Gleichgewichtswert. Der dabei entstehende Konzentrationsgradient beeinflusst direkt die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion.
Bei Membrantrennverfahren ist die selektive Durchlässigkeit der Membran für unterschiedliche Stoffe ausschlaggebend für deren Trennleistung. Beispielsweise kommt es bei der Umkehrosmose dazu, dass sich bestimmte Stoffe an der Membranoberfläche konzentrieren, während andere Stoffe durch ihren selektiven Transport an ihrer Konzentration abnehmen. Dies führt zu einer Verdünnung der Konzentration vor der Membran, was das Phänomen der Konzentrationspolarisation weiter verschärft.
Im Verlauf des Membranbetriebs verringert sich die Durchflussrate einer bestimmten Substanz, was sich auf die Trennrate und -wirkung auswirkt.
Bei der Gastrennung oder anderen Membranverfahren wie Nanofiltration, Ultrafiltration und Mikrofiltration führt das Vorhandensein eines Konzentrationsgradienten zu einer Erhöhung des Diffusionsflusses des Lösungsmittels und einer Verringerung des Flusses der Substanz in der Membran. Dieses Ungleichgewicht führt schließlich dazu, dass das System einen stationären Zustand erreicht, in dem der Fluss in der Membran dem Fluss in der Flüssigkeit entspricht, wobei die Effizienz dieses Prozesses durch den äußeren Druck und die Selektivität der Membran beeinflusst wird.
Um die Auswirkungen der Konzentrationspolarisation zu verringern, haben sich die Erhöhung der Durchflussrate der Lösung zwischen den Membranen und die Verwendung von Leitblechen zur Förderung der Turbulenz als wirksame Methoden erwiesen. Mithilfe dieser Technologie lässt sich der Mischungsgrad der Lösung effektiv steigern, die Dicke der Diffusionsgrenzschicht verringern und so die Trennleistung verbessern.
„Durch strominduzierte Konvektion sind Stromdichten in verdünnten Lösungen möglich, die deutlich über der Grenzstromdichte liegen.“
Darüber hinaus kann das Anlegen höherer Spannungen während der Elektrodialyse die Lösungen weiter vermischen, wodurch ein als Elektrokonvektion bekanntes Phänomen entsteht. Dieses Phänomen ist auf den Volumentransport in der geladenen Lösung zurückzuführen, der in Gegenwart eines elektrischen Felds auftritt, wodurch die Gesamttrennleistung effektiv verbessert wird.
Mit der rasanten Entwicklung der Mikrofluidik wurden viele neue Ideen in der Membrantechnologie umgesetzt, insbesondere bei der Wasserentsalzung und anderen Anwendungen. Diese interdisziplinären Konzepte eröffnen immer wieder neue Möglichkeiten für die Zukunft von Membranen.
Wie können wir die Membrantechnologie weiter verbessern, um angesichts der Herausforderung der Konzentrationspolarisation eine höhere Trennleistung zu erreichen? Dies bleibt ein wichtiges Thema und eine Herausforderung in der Membranforschung.
