Ultrafiltration zur...

Dr. Roman NEUNTEUFEL - BOKU Wien Nov. 2014

Ultrafiltration zur Wasseraufbereitung

Dr. Roman NEUNTEUFEL – Universität für Bodenkultur Wien

Linz 20.11.2014

http://www.wau.boku.ac.at/sig.html



Inhalt

Membranfiltration / ÜberblickMembrantypen Porengrößen & GrößenvergleichProblembereich hinsichtlich Einsatz

Arten und Einsatzgrenzen von IntegritätstestsDirekte MethodenIndirekte Methoden

Fallbeispiel / ErgebnisseVersuchsdurchführungStandard MiBi UntersuchungenIntegritätstests

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Materialien und Module

Kunststoff-CellulosederivatePolysulphone (PSf), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF)

Anorganische Membrane (Keramik)teuer; für chemischen Industrie (aggressive Medien) eingesetzt

ModuleFlächenchmembrane auf Rahmen aufgezogen

Wickelmoduleröhrenförmige Membrane, Innendurchmesser 6-40mm, Röhren in Gehäusen zusammengefasst

Hohlfaser Module (Durchmesser 0,5-2mm), Tausende in zylindrischem Gehäuse zusammengefasstQ

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8

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Membrantypen & Betriebsweisen

Art / Druck / abtrennbare StoffeUmkehrosmose (UO) / Transmembrandruck (TMD) 5-100 bar / EntsalzungNanofiltration (NF) / TMD 4-5 bar / Ionenselektiv (Härte Ca2+ Mg2+)Ultrafiltration (UF) / TMD 0,5-2 bar / Makromoleküle, Mikroorg., TrübeMikrofiltration (MF) / TMD 0,5-2 bar / Partikel, Feinstsand

Cross Flow Filtration & Dead End Filtration

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Porengrößen & Größenvergleich

20 nm

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Problembereich hinsichtlich Einsatz zur Desinfektion

Nominale Porenweite Größere Poren sind möglich

produktionsbedingt oder Prüfverfahren sind gefordert

durch Beschädigungen

Beschädigung / Membranbruch Alterung (Rückspülungen), chemische Reinigungmechanische Beschädigung durch scharfkantige Partikel (z.B. Metallspäne)

Membranfiltrationssysteme im Lebensmittelcodex nicht als Desinfektionsmaßnahme ausgewiesen

… im Falle einer Beschädigung kann es zu einer unbemerkten Kontamination des Filtrates kommen

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Direkte Integritätstests

Überprüfungen werden direkt an der Membran bzw. am Modul durchgeführt

Druckhaltetest - Pressure-decay-test (PDT) [Adham et al., 1995; Johnson, 1997, 1998]

Druck-Diffusionstest - Diffusive air flow test (DAF) [Adham et al., 1995; Johnson, 1997, 1998]

Messung des Luftdurchtrittsdrucks, Blasentest - Bubble point test [Randles, 1997]

Akustik-Sensor Test - Acoustic sensor test [Adham et al., 1995; Lâine et al., 1998]

Flüssigkeitsporosimetrie - Liquid-liquid porosimetry test [DiLeo and Phillips, 1994, 1995;

Phillips and DiLeo, 1996; Gekas and Zhang, 1989]

Binärgas-Test - Binary gas integrity test [Giglia and Krishnan, 2008]

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Indirekte Integritätstests

Qualität des Filtrats erlaubt Rückschluss auf den Zustand der Membran

Partikelzähler - Particle counting [Adham et al., 1995; Landsness, 2001; Panglisch et al., 1998]

Partikelmonitoring - Particle monitoring [Adham et al., 1995]

Trübungsmessung - Turbidity monitoring [Adham et al., 1995; Banerjee et al., 1999, 2001]

Zellzählung - Flowcytometrie

Ersatzstofftests - Surrogate challenge tests: Spiked integrity monitoring system microbial challenge tests (Standard MiBi Untersuchungen)

other new surrogate challenge tests [Van Hoof et al., 2001; Kruithof et al., 2001; Brehant et al., 2008; Gitis et al., 2006a,b; Trimboli et al., 2001; Moulin, 2008; Rajagopalan et al., 2006; Deluhery und Rajagopalan, 2008]

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Untersuchung / Versuchsdurchführung

Membranfiltration:UF Anlage, nominalen Porenweite 0,02 µm (average pore width: 20,1 nm)

Flux: 100 l / h / m² bei 0,7 bis 1 bar

Testmedium:Leitungs bzw. Brunnenwasser + künstliche mikrobiologische Kontamination (frisches Abwasser)

Messprogramm:Dauer rd. 5 Monatelaufend direkte und indirekte Integritätstests4 microbial challenge tests (künstliche Kontamination und Standard MiBi)

künstliche Alterung (durch intensivierte Rückspülung = Membranalterung gesamt 5 Jahre)

mechanische Beschädigung

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Ergebnisse der Standard MiBi Untersuchungen

Proben-bezeichnung

Coliforme MPN bzw. KBE

E. coliMPN bzw. KBE

Enterokokken KBE

Rohwasser <1 (C-18, 100 ml) <1 (C-18, 100 ml) -

Rohwasser beimpft

880 bis 56.000 (C-18, 100 ml), 220 bis 20.000 (CC, KBE/100 ml)

910 bis 3.450 (C-18, 100 ml), 460 bis 3.200 (CC, KBE/100 ml)

150 bis 4.900 (SB, KBE/100 ml)

UF Permeat1. PN

<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)

<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)

0 (SB, KBE/100 ml)

UF Permeat2. PN

<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)

<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)

0 (SB, KBE/100 ml)

UF Permeat3. PN

<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)

<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)

0 (SB, KBE/100 ml)

UF Permeat4. PN

39 (C-18, 100 ml), 18 (CC, KBE/100 ml)

1 (C-18, 100 ml), 2 (CC, KBE/100 ml)

0 (SB, KBE/100 ml)

E. coli und coliforme Bakterien: MPN-Verfahren, 100 ml, Colilert®-18 (C-18), Quanti-TrayTM (IDEXX) und Membranfiltration, 100 bzw. 1.000 ml, Chromocult-Agar (CC), 24h, EN ISO 8199:2007

Enterokokken: Membranfiltration, 100 bzw. 1.000 ml, Slanetz Bartley-Agar (SB), EN ISO 7899-2

PN4: trotz der mechanischen Beschädigung einer Hohlfaser: Reduktion von 99,93 % bzw. 99,73 % (Coliforme bzw. E.coli)

0,5

mm

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Ergebnisse der direkten Integritätstests

DruckhaltetestDruckabfall in 15 Min.Ausgangsdruck 2 barz.B. 50 % Abfall = OK100 % Abfall = DefektACHTUNG: Abhängigkeitvon Speichervolumen fürDruckluft

Druck-DiffusionstestAusgangsdruck 2 barMessdauer: wenige Minuten

Je geringer der Druck,desto geringer die SensitivitätNICHT kontinuierlich messbar

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Ergebnisse der indirekten Integritätstests

Alle Tests: Abhängigkeit von Ausgangskonzentration im Rohwasser

Standard MiBi (als Referenzmethode)

Sensitivität sehr hoch, dauert lange (24 / 48 Stunden)

TrübungsmessungSensitivität eher gering

PartikelzählungSensitivität deutlich höher als Trübungsmessung Vergleichsmessung(PN 4)

Trübung (NTU)

Partikelzahlen(1 µm)

Partikelzahlen(5 µm)

Rohwasser 0,20 60.000 4.000Permeat 0,09 200 3

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Partikelzählung – Problembereiche:z.B. Beeinflussung durch

Ausgasungen(Mitmessen von Gasbläschenaus der Literatur bekannt)

oder

Ablagerungen bzw. Aufwuchs von Biofilm(Reinigungen nötig)

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Partikelzählung – Fazit:Kontinuierliche Messung während Filtration möglichMembranschaden durch Messwertschwankungen nicht gesichert erkanntPartikelzählung vielversprechender als Trübungsmessung Verbesserung der Anwendungspraxis nötig

Zellzählung - Flowcytometriesehr hohe Sensitivität - Membranschaden deutlich erkennbarSemikontinuierlich (Zyklenzeit ca. 1 Stunde)Hohe Kosten, derzeit nur Laborgerät, Automatisierung in Entwicklung

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Eignung der Membranultrafiltration: zum Rückhalt von Partikel inkl. Bakterien und z.T. auch VirenKontamination des Permeats im Falle einer Beschädigung möglichim Lebensmittelcodex nicht als Desinfektionsmaßnahme anerkannt

Integritätstests:

Verfahrenskombination aus direkten diskontinuierlichen und indirekten kontinuierlichen Testmethoden empfohlen (US EPA)

Zusammenfassung

Verfahren Direkt IndirektGeprüft wird: Membran PermeatSensitivität: hoch z.T. geringerKontinuität: nicht möglich möglich

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