Ausgangssituation
Sickerwässer aus dem Bergbau enthalten Schad- und Wertstoffe, deren Abtrennung sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht wünschenswert ist. Derartige Wässer können extreme pH-Werte annehmen. Eine Filtration in einer chemisch stärker belasteten Umgebung ist mit den gegenwärtig am Markt vorhandenen Membranen nur eingeschränkt realisierbar.
PVC wird bisher nicht als Membran für die Mikrofiltration verwendet, weist jedoch hinsichtlich seiner Beständigkeit in einem weiten pH-Bereich, der kostengünstigen Herstellung sowie der einfachen Verarbeitung deutliche Vorteile gegenüber anderen Materialien wie PES oder PVDF auf. Die Porenstruktur kann bei dieser Membran durch einen Verstreckprozess von PVC-Streichfolien generiert werden. Bei dem Reckprozess reißt die Kunststoffmatrix von eingearbeiteten Füllstoffpartikeln ab und es werden Hohlräume erzeugt. Da es sich um eine weich-PVC-Folie handelt, werden die Eigenschaften durch die Wahl der Rezepturbestandteile des Plastisols bestimmt. Im Gegensatz zu anderen Verfahren resultiert eine elastische, thermisch verformbare Folie.
Projektziel
Ziel des Projektes war die Entwicklung einer kontinuierlich arbeitenden Membranfilteranlage mit hoher chemischer und mechanischer Stabilität, die sich zur Aufbereitung von Bergbauwässern und insbesondere der innovativen Abtrennung von partikulär gebundenen Schadstoffen, Schwermetallen und Wertstoffen aus Wässern von Altbergwerken und Abraumhalden eignet. Das Teilprojekt I, welches vom Projektpartner FILK bearbeitet wurde, beinhaltete die Entwicklung der mikroporösen Filtermembran auf der Basis von Polyvinylchlorid (PVC).
Abb.1.: Entwicklung, kontinuierliche Herstellung und Kaschierung der mikroprösen PVC-Membran
Lösungsweg
Das Teilprojekt „Entwicklung mikroporöser Membranfilter“ gliederte sich in folgende Entwicklungsschwerpunkte:
• Entwicklung mikroporöser PVC-Membranen mit hoher Durchflussrate im Labormaßstab
• Upscaling des Fertigungsprozesses vom Labor- in den technischen Maßstab
• Verbundherstellung zum textilverstärkten Filtermaterial mittels Punktverklebung
Für den Eignungsnachweis der entwickelten Membran erfolgten Filtrationsversuche mit Klarwasser sowie Bergbauabwasser im Labormaßstab mittels Dead-End-Filtration und an einer Pilotanlage mit getauchtem Membransystem vergleichend zu PES-Alternativmembranen.
Abb.2.: Pilotfilteranlage mit getauchtem Membransystem
Ergebnisse | Nutzen
Es wurde eine PVC-basierte mikroporöse Membran für die Filtration partikelhaltiger Bergbausickerwässer entwickelt. Systematische Untersuchungen zur Evaluierung des Einflusses einzelner Rezepturbestandteile im Plastisol sowie die Optimierung des Fertigungsprozesses ermöglichten eine signifikante Verbesserung der Membran hinsichtlich des Wasserdurchflusses. Dieser lässt sich u. a. durch das Zumischen hochmolekularer Verbindungen mit hydrophilen Gruppen und die Reduktion der Schichtdicke der Membran steigern.
Um eine umfassende Prozessentwicklung zu gewährleisten, wurde parallel zu Rezepturentwicklung die Herstellung im kontinuierlichen Prozess erarbeitet. Dies ermöglichte die systematische Optimierung von Prozessparametern (Heizprofile, Spalteinstellungen, Verstreck- und Konditionierungsbedingungen) und bildete damit die Basis für das Upscaling des Produktionsprozesses. Durch die Fertigung von Rollenware wurde die Skalierbarkeit bis in den industriellen Maßstab belegt sowie Material für Kaschierversuche und die Modulfertigung bereitgestellt.
Als Voraussetzung zur Fertigung stabiler, rückspülbarer Membrantaschen wurde die Fixierung der Membran auf Drainagevlies durch punktuelles Verkleben beider Materialien untersucht. Um eine Schädigung der Membran zu vermeiden, muss der Kaschiervorgang bei niedrigen Temperaturen erfolgen. Im Labormaßstab wurde dies mittels Kontaktklebung und Lochschablonen bei Raumtemperatur umgesetzt; im kontinuierlichen Prozess wurde ein niedrig schmelzender PUR-Hotmelt verwendet, welcher über eine Rasterwalze aufgetragen wurde. Für beide Varianten wurden Optimierungsfelder hinsichtlich der Durchflussraten des Verbundmaterials, der Haftfestigkeiten sowie der beidseitigen Kaschierung eruiert.
Vergleichend zur neu entwickelten PVC-Membran wurden von den Projektpartnern ausgewählte Alternativmembranen auf PES-Basis bezüglich ihrer chemischen und mechanischen Beständigkeit sowie der Klarwasserdurchflussraten vergleichend zur PVC-Membran untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass die PVC-Membran im pH-Bereich von 1 – 11 eine hervorragende Stabilität aufweist, wohingegen die Alternativmembranen höhere Durchflussraten und Festigkeitswerte zeigen.
Die Filtrationsleistung der PVC-Membran sowie der PES-Alternativmembranen wurde mit partikelhaltigem Bergbausickerwasser aus dem Roten Graben, welcher ein Kunstgaben im Freiberger Bergbaurevier ist, bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass sich alle Membranen für eine effektive Partikelabtrennung eignen und sehr klare Filtrate mit Trübungswerten, welche der Trinkwasserqualität entsprechen, erhalten werden. In den Versuchen mit dem Schlammwasser zeigt die PVC-Membran im Vergleich zu Klarwasser deutlich höhere Wasserdurchflüsse. Dies weist auf eine signifikante Steigerung der Permeanz bei elektrolythaltigen Filtriermedien, wozu Bergbausickerwässer zählen, hin.
Die Eignung der PVC- sowie zweier PES-Membranen für die Filtration von Bergbausickerwässern wurde abschließend im Pilotmaßstab an einer von den Projektpartnern entwickelten kontinuierlich arbeitenden Filtrationsanlage nachgewiesen.
Dank
Das Forschungsvorhaben 03WIR1910A des Instituts FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1–5, 09599 Freiberg, wurde im Rahmen des Programms „Wandel durch Innovation in der Region“ (WIR) vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert. Wir sprechen dem BMFTR unseren herzlichen Dank für die Förderung aus. Ebenso gilt unser besonderer Dank allen wissenschaftlichen und industriellen Partnern sowie dem rECOmine-Netzwerk für die vertrauensvolle und produktive Zusammenarbeit.
