Untersuchung von Filtrationsmechanismen in Membranfiltrationsverfahren mittels NMR

Membranfiltrationsverfahren mit Hohlfasermembranen werden sowohl in der Wasserreinigung als auch in der lebensmittelverarbeitenden Technologie als Separationsschritt eingesetzt. Ein Nachteil der Filtration mit Hohlfasermembranen sind die Ablagerungen auf der Membranwand, die einen reduzierten Permeat-fluss und folglich eine geringere Filtrationseffizienz nach sich ziehen. Die Membranen, die meist von innen nach außen filtriert werden, bestehen aus Keramik oder polymeren Materialen, so dass eine Unter-suchung mit optischen Analysemethoden schwer möglich ist. Im Fokus dieser Dissertation steht deshalb die nicht-invasive, zerstörungsfreie Messmethode des „Magnetic Resonance Imaging“ (MRI), die zur Untersuchung von Membranfiltrationen angewendet wird. ... mehrMittels MRI wird die zeitabhängige Bildung der Ablagerungen und folglich die Reinigbarkeit in Form der Reversibilität bei Druckentspannung bei Membranfiltrationen näher untersucht.
Es wurden zwei Modellsysteme zur Untersuchung von Membranfiltrationen verwendet. Zum einen wird Magermilch verwendet, um die Natur und Beschaffenheit der Deckschicht in Abhängigkeit von den Filtrationsmodi und -bedingungen zu untersuchen. Zum anderen wird eine wässrige Lösung des Polysac-charids Natriumalginat, dessen Eigenschaften sich als Funktion der Konzentration zweiwertiger Ionen wie Ca2+ ändern, eingesetzt. Es ist bekannt, dass sich das Filtrationsverhalten cCa2+ = 0 von einem Konzentra-tionsgradienten hin zu einer Gelschicht bei cCa2+ > 0 verändert.
Membranfiltrationen werden je nach Anwendungsfall in verschiedenen Betriebsmodi durchgeführt. Neben dem „direct-flow“ gibt es u. a. auch den „cross-flow“ Filtrationsbetriebsmodus, bei dem der Membrankanal schneller durchströmt wird und sich so weniger Ablagerungen bilden. Zusätzlich kann auch durch den Einbau eines Hindernisses in der Membranwand ein komplexes 3D-Strömungsfeld induziert werden. Mittels MRI-Geschwindigkeits¬messungen werden komplexe 3D-Geschwindigkeits- und folglich auch Scherratenfelder in Hohlfasermembranen gemessen. Da die Bildung und Reversibilität der Ablagerungen bei den Filtrationen zeitabhängig sind, sind ausreichend schnelle MRI-Messungen unab-dingbar. Neben etablierten 2D-MRI-Methoden zur Untersuchung der zeitabhängigen Deckschichtbildung und Reversibilität werden alternative 1D-MRI-Experimente eingesetzt. In dieser Arbeit wird dazu der Sonderfall der Projektionsmessungen bei zylindersymmetrischen Hohlfasermembranen exploriert. Dazu wurde zunächst die inverse Abel-Transformation der Messdaten aus dem Projektionsraum in den 1D-Profilraum realisiert. Die Messung von Projektionen ermöglicht eine sehr schnelle 1D-Messung, da im Vergleich zu konventionellen 2D-MRI keine Phasenkodierungsschritte benötigt werden. Die anschließen-de Transformation der Messdaten setzt jedoch eine Zylindersymmetrie des Messobjekts voraus, die bei vielen Hohlfasermembranen vorliegt. Neben der strukturellen Abbildung der Filtrationsmechanismen wurden so detailliertere Einblicke in das Filtrationsgeschehen mittels MRI gewonnen. Dazu zählen die ortsaufgelöste Messung der Relaxationsraten und Diffusionskoeffizienten während einer Magermilchfilt-ration, die eine Abschätzung der kritischen Übergangskonzentration zu cGes.protein = 125 175 g/L ermög-licht. Die Bildung der Ablagerung bei einer Magermilchfiltration wurde mit einer sigmoidalen Boltzmann-Funktion quantifiziert. Die Ablagerung zeigt dabei zwei Bereiche: Einen lockeren, reversibleren Bereich auf der Innenseite und einen komprimierteren, dichteren Bereich direkt an der Membranwand. Die Reversibilität der Ablagerung bei Entspannen des Drucks konnte ebenfalls mit der Boltzmann-Funktion modelliert werde und weist eine Druckabhängigkeit auf.
Dedizierte MRI-Methoden eignen sich zusammenfassend sehr gut dazu, Membranfiltrationen zu charak-terisieren. Es wurde eine hohe zeitliche und örtliche Auflösung zur Abbildung der Deckschichtbildung und der Reversibilität bei Membranfiltrationen unterschiedlicher Betriebsmodi erreicht. Zusätzlich können die Filtrationsmechanismen durch die dedizierte Bildanalyse und quantitative Modellierung besser und im Detail verstanden werden.

Membrane filtration processes with hollow fiber membranes are used as a separation step in water purification as well as in food processing technology. One disadvantage of filtration with hollow fiber membranes are the deposits on the membrane wall, which result in a reduced permeate flow and conse-quently a lower filtration efficiency. The membranes, which are usually filtered from the inside to the outside, are made of ceramics or polymeric materials, so that it is difficult to study them with optical analysis methods. This dissertation therefore focuses on the non-invasive, non-destructive measurement method of "Magnetic Resonance Imaging" (MRI). ... mehrBy means of MRI, the time-dependent formation of deposits and subsequently the cleanability in the form of its reversibility during pressure relaxation in membrane filtrations is investigated in detail.
Two model substances were used to investigate membrane filtrations. On the one hand, skimmed milk is used to investigate the nature and composition of the deposit layer as a function of filtration modes and conditions. Secondly, an aqueous solution of the polysaccharide sodium alginate, whose properties change as a function of concentration of divalent ions such as Ca2+, is used. It is known that the filtration behavior changes from a concentration gradient (cCa2+ = 0) to a gel layer at cCa2+ > 0.
Membrane filtrations are carried out in different operating modes depending on the application. In addition to direct-flow, cross-flow filtration mode is used, in which the flow through the membrane channel is faster and thus fewer deposits are formed. In addition, a complex 3D flow field can also be induced by installing an obstacle in the membrane wall. MR velocity imaging allowed to measure com-plex 3D velocity fields and consequently shear rate fields in polymeric hollow fiber membranes. Since the formation and reversibility of deposits during filtration are time-dependent, sufficiently fast MRI meas-urements are essential. In addition to established 2D-MRI methods for the investigation of time-dependent deposit layer formation and its reversibility, alternative 1D-MRI experiments are known. In this work, the special case of projection measurements in cylindrically symmetric hollow fiber mem-branes is explored. For this purpose, the inverse Abel-transformation of the measurement data from the projection into the 1D-profile was realized. The measurement of projections enables a very fast 1D measurement, since no phase encoding steps are required compared to conventional 2D-MRI. However, the subsequent transformation of the measurement data requires cylindrical symmetry of the measure-ment object, which is, however, present in hollow fiber membranes. In addition to the structural meas-urement of the filtration mechanisms, more detailed insights into the filtration process were gained by the spatially resolved in situ measurements of relaxation rates and diffusion coefficients during skimmed milk filtrations, which enables an estimation of the critical transition concentration to cGes.protein = 125-175 g/L. The formation of the deposit during skim milk filtration was quantified with a sigmoidal Boltz-mann function. The deposit measured by MRI indicates two areas: A looser, more reversible region towards the inside of the feed channel and a more compressed, denser region directly on the membrane wall. The reversibility of the deposition when the pressure is released could also be modelled with the Boltzmann function and shows a pressure dependence.
In summary, dedicated MRI methods are very well suited to characterize membrane filtrations. Suffi-ciently high time- and spatially resolved measurements of deposit formation and its reversibility in membrane filtrations in different operating modes were achieved. In addition, dedicated image analysis and quantitative modelling by the Boltzmann-function allow a better understanding of the filtration mechanisms in detail.