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Ernst & Sohn

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  Inhaltsverzeichnis  
 
  Vorwort XVII
  Autorenliste XIX
1 Polymermembranen
Klaus-Viktor Peinemann und Suzana Pereira Nunes 		1
1.1 Einführung 1
1.2 Phaseninversions-Prozess zur Herstellung von Membranen 3
1.3 Membranen für die Umkehrosmose 8
1.4 Membranen für die Ultrafiltration 11
1.4.1 Polysulfone und Polyethersulfone 11
1.4.2 Polyvinylidenfluorid (PVDF) 12
1.4.3 Polyetherimid 13
1.4.4 Polyacrylnitril 14
1.4.5 Cellulose 15
1.5 Membranen für die Mikrofiltration 16
1.5.1 Polypropylen und Polytetrafluorethylen 16
1.5.2 Polycarbonat und Polyethylenterephthalat 18
1.6 Literatur 18
2 Molekulare Modellierung des Transports kleiner Moleküle in polymerbasierten Materialien
Dieter Hofmann und Matthias Heuchel 		23
2.1 Einleitung 23
2.2 Grundlagen von MD Methoden für amorphe Polymere 25
2.3 Ausgewählte Anwendungen von atomistischen Simulationen 29
2.3.1 Verwendete Hard- und Software 29
2.3.2 Beispiele für die Anwendung von Bulkmodellen für amorphe Polymere 29
2.3.2.1 Validierung von Packungsmodellen 29
2.3.2.2 Freies Volumen und Transportprozesse in amorphen Polymeren 34
2.3.2.3 Einfluss von Unterschieden in der Polymerdynamik auf das Permeationsverhalten gummi- und glasartiger Polymere 38
2.3.3 Beispiele für die Anwendung von Grenzflächenmodellen für amorphe Polymere 39
2.3.3.1 Polymere in Kontakt mit wässrigen Feedlösungen 39
2.4 Zusammenfassung 43
2.5 Danksagung 43
2.6 Literatur 44
3 Oberflächenmodifikationen
Mathias Ulbricht 		47
3.1 Einführung -- Oberflächen von Membranen 47
3.2 Motivation und Ziele für Oberflächenmodifikationen von Membranen 49
3.3 Strategien und Wege zur Oberflächenmodifikation von Membranen 51
3.3.1 Anforderungen 51
3.3.2 Grenzschichtchemie, -architektur und -morphologie, Oberflächenbedeckung 52
3.3.3 Wege zu oberflächenmodifizierten Membranen 55
3.3.3.1 Modifikation des Membranmaterials 55
3.3.3.2 Grenzflächenchemisch kontrollierte Modifikationen 55
3.3.3.2.1 Molekulare Schichten 56
3.3.3.2.2 Chemische Reaktionen am Basismaterial 58
3.3.3.2.3 Auf dem Basismaterial aufbauende Funktionalisierungen -- Pfropfreaktionen zur Einführung makromolekularer funktionaler Einheiten 60
3.3.3.3 Beschichtungen 63
3.3.3.4 Mehrstufige Oberflächenmodifikationen 64
3.4 Struktur und Funktion oberflächenmodifizierter Membranen 66
3.4.1 Minimierung von Membranfouling 66
3.4.2 Biokompatibilität 67
3.4.3 Verbesserte oder neue Selektivität durch kombinierte Trennmechanismen 68
3.4.3.1 Erhöhung des Rückhaltes der Membran 69
3.4.3.2 Erhöhung der Triebkraft für den Membrantransport 70
3.4.4 Membranadsorber 70
3.4.5 Katalytisch aktive Membranen 71
3.4.6 Kommerzielle oberflächenmodifizierte Membranen 72
3.5 Schlussfolgerungen und Ausblick 73
3.6 Abkürzungen für Polymere 73
3.7 Literatur 74
4 Vliesstoffe für Membranen
Thomas Beeskow 		77
4.1 Einführung 77
4.2 Vliesstoffe 79
4.2.1 Herstellungsprozesse 79
4.2.1.1 Bildung des Flächengebildes 79
4.2.1.2 Verfestigung des Flächengebildes 83
4.2.1.3 Optionale abschließende Behandlung des Flächengebildes 85
4.2.2 Aufrollung 85
4.2.3 Rohstoffe für die Vliesstoffherstellung 86
4.3 Stützvliesstoffe für Membranen 87
4.3.1 Beschichtungsträger mit direkter Membranverankerung 87
4.3.1.1 Gleichmäßigkeit 91
4.3.1.2 Defektfreiheit und Fasereinbindung 92
4.3.1.3 Haftung auf Vliesstoffen 93
4.3.1.4 Chemikalien- und Temperaturstabilität sowie mechanische Stabilität 95
4.3.1.5 Einfluss von Umrollung und Konfektionierung 96
4.3.1.6 Filtrationsproduktrelevante Bestimmungen für Stützvliesstoffe 97
4.3.1.7 Beschichtungsträger und Membranleistung 97
4.3.2 Stütz- und Drainageschichten 98
4.3.2.1 Gleichmäßigkeit, Defektfreiheit und Fasereinbindung 99
4.4 Ausblick 100
4.5 Literatur 101
5 Keramische Membranen und Hohlfasern
Ingolf Voigt und Stefan Tudyka 		103
5.1 Keramische Membranen
Ingolf Voigt 		103
5.1.1 Einleitung 103
5.1.1.1 Historie der keramischen Membranen 104
5.1.1.2 Aufbau keramischer Membranen 104
5.1.2 Poröse keramische Träger (Supporte) 106
5.1.2.1 Rohrförmige poröse keramische Träger 107
5.1.2.2 Platten- und scheibenförmige poröse keramische Träger 109
5.1.3 Membranen 110
5.1.3.1 Makro- und mesoporöse Membranen 110
5.1.3.2 Mikroporöse Membranen 114
5.1.3.3 Dichte Membranen 120
5.1.4 Module 122
5.1.4.1 Rohrmodule 122
5.1.4.2 Plattenmodule 123
5.1.4.3 Rotationsfilter 124
5.1.5 Trends 125
5.1.5.1 Kapillaren und Hohlfasern 125
5.1.5.2 Kompositmembranen 126
5.1.5.3 Mikrofabrikation 127
5.1.6 Literatur 128
5.2 Keramische Hohlfasern
Stefan Tudyka 		129
5.2.1 Einführung 129
5.2.1.1 Markt 129
5.2.1.2 Membrangeometrien 130
5.2.2 Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten 131
5.2.2.1 Angrenzende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten 133
5.2.3 Hohlfaserherstellung 134
5.2.3.1 Lyocell-/Alceruverfahren 135
5.2.3.2 Polysulfonverfahren 135
5.2.3.3 Spinnprozess und Hohlfasergeometrie 137
5.2.3.4 Formgebung 139
5.2.3.5 Trocknen 139
5.2.3.6 Sintern 139
5.2.4 Charakterisierung 140
5.2.4.1 Morphologie und Geometrie 140
5.2.4.2 Biegebruchspannung 140
5.2.4.3 Vibrationsbeständigkeit 141
5.2.4.4 Berstdruck 141
5.2.4.5 Wasserpermeation 141
5.2.5 Beschichtung 142
5.2.6 Modultechnik 143
5.2.6.1 Schleuderpotten und Standpotten 144
5.2.7 Literatur 145
6 Medizintechnik
Bernd Krause, Hermann Göhl und Frank Wiese 		147
6.1 Einleitung 147
6.2 Nierenersatztherapie 148
6.2.1 Membranen in der Nierenersatztherapie 149
6.2.2 Struktureigenschaften von Dialysemembranen 151
6.2.3 Transporteigenschaften von Dialysemembranen 154
6.2.4 Hämokompatibilität von Dialysemembranen 156
6.2.5 Betriebsarten in der Nierenersatztherapie 157
6.2.6 Ultrafiltrationsmembranen zur Dialysat- und Infusat-Aufbereitung 159
6.3 Blutfraktionierung 160
6.3.1 Therapeutische Plasmapherese 161
6.3.2 Plasmafraktionierung 167
6.3.3 Adsorptive Plasmareinigung 169
6.4 Blutoxygenation 170
6.4.1 Prinzip des Gastransportes 171
6.4.2 Membranen/Membraneigenschaften 172
6.4.3 Herstellung von Oxygenationsmembranen 174
6.4.4 Betriebsweisen und Membrananordnung im Oxygenator 177
6.4.5 Die extrakorporale Zirkulation 179
6.5 Großtechnische Herstellung von Membranen und Filtern in der Medizintechnik 180
6.5.1 Membranherstellung 181
6.5.2 Dialysatormontage 183
6.5.3 Integritätstest und Qualitätskontrolle 186
6.5.4 Sterilisation 186
6.6 Literatur 187
7 Membranen für biotechnologische Prozesse
Ina Pahl, Dieter Melzner und Oscar-W. Reif 		189
7.1 Einführung: Biotechnologische Herstellung von Wirkstoffen -- Fermentation 189
7.2 Filtrationsverfahren 189
7.2.1 Statische Filtration 189
7.2.2 Dynamische Filtration 191
7.3 Membrantypen 192
7.3.1 Porengrößen 194
7.3.2 Filterformen 196
7.3.3 Qualitativer Überblick der Modultypen 197
7.4 Ultrafiltration 197
7.5 Adsorptionseffekte 198
7.6 Membranreinigung 199
7.7 Betriebsarten in der Ultrafiltration 200
7.8 Durchfluss 201
7.9 Membrancharakterisierung 201
7.9.1 Rasterelektronenmikroskopie 203
7.9.2 Bubble-Point-Test 203
7.9.3 Permeabilitätsmessungen 205
7.10 Anwendungen der Mikrofiltration 205
7.10.1 Anwendungsbeispiel Filtervalidierung 205
7.10.2 Virenentfernung 206
7.10.3 Beispiel für Cross-Flow 206
7.11 Membranchromatografie 208
7.11.1 Einführung 208
7.11.2 Anwendungen 213
7.11.3 Anwendungsbeispiel der Affinitätschromatografie 213
7.11.4 Ausblick für Membranadsorber 215
7.12 Literatur 215
8 Wasseraufbereitung
Jens Lipnizki, Ulrich Meyer-Blumenroth, Torsten Hackner, Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen 		217
8.1 Wasserkreisläufe -- Spiralwickelmodule
Jens Lipnizki und Ulrich Meyer-Blumenroth 		217
8.1.1 Einleitung 217
8.1.2 Aufbau eines Spiralwickelmoduls 219
8.1.3 Fouling in Spiralwickelmodulen 226
8.1.4 Spiralwickelmodule in Anlagen 228
8.1.5 Beispiele für die Verwendung von Spiralwickelmodulen in Wasserkreisläufen 229
8.1.6 Zusammenfassung und Konklusion 231
8.1.7 Literatur 231
8.2 Vacuum Rotation Membrane (VRM) -- das rotierende Membranbelebungsverfahren: Aufbau und Betrieb
Torsten Hackner 		232
8.2.1 Einleitung 232
8.2.2 Theorie 233
8.2.2.1 Membranbelebungsverfahren nach dem Niederdruckprinzip 233
8.2.2.2 VRM-Verfahren 234
8.2.3 Betriebserfahrungen mit VRM-Anlagen 237
8.2.3.1 Abwasserreinigungsanlage Schwägalp (kommunales Abwasser) 237
8.2.3.2 Klarfiltration von Brauereiabwasser (Pilotierung) 238
8.3 Prozesswasseraufbereitung mit CR-Filtertechnologiee
Eugen Reinhardt und Pasi Nurminen 		240
8.3.1 Einleitung 240
8.3.2 Technische Beschreibung des CR-Filters 241
8.3.2.1 Filteraufbau 241
8.3.2.2 Funktionsprinzip des CR-Filters 242
8.3.2.3 CR-Filtertypen 243
8.3.2.4 Trennbereich des CR-Filters 244
8.3.2.5 Anlagenkonzepte 245
8.3.3 Anwendungsbeispiele 246
8.3.3.1 Aufbereitung von Prozesswasser aus der Textilproduktion 246
8.3.3.2 Aufbereitung von Prozesswasser aus der PVC-Produktion 247
8.3.3.3 Aufbereitung von Streichfarbenspülwasser 249
8.3.4 Zusammenfassung 251
8.3.5 Literatur 251
9 Verfahrenskonzepte zur Herstellung von Reinstwasser in der pharmazeutischen und Halbleiter-Industrie
Thomas Menzel 		253
9.1 Einführung 253
9.2 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 254
9.3 Systeme zur Herstellung von Reinwasser in der pharmazeutischen Industrie 254
9.3.1 Einsatz der Umkehrosmose bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 257
9.3.2 Einsatz der Elektrodeionisation bei Systemen zur Herstellung von Reinwasser der pharmazeutischen Industrie 260
9.3.2.1 Heißwassersanitation der Elektrodeionisation 264
9.4 Anforderungen an Systeme zur Herstellung von Reinstwasser in der mikroelektronischen Industrie 268
9.4.1 Konzeptioneller Aufbau eines Reinstwassersystems 269
9.5 Zusammenfassung 271
9.6 Literatur 272
10 Modellierung und Simulation der Membranverfahren Gaspermeation, Dampfpermeation und Pervaporation
Torsten Brinkmann 		273
10.1 Einführung 273
10.2 Modellierung von Membranverfahren 284
10.2.1 Modellierung des transmembranen Stofftransports 286
10.2.2 Modellierung der sekundären Transportphänomene 291
10.2.2.1 Konzentrationsgrenzschichten 292
10.2.2.2 Druckverluste und Transportwiderstände in porösen Stützschichten 296
10.2.2.3 Temperatureffekte 298
10.2.3 Modellierung von Membranmodulen 300
10.3 Implementierung 308
10.4 Modulverschaltung 314
10.5 Verfahrenssimulation 318
10.6 Zusammenfassung und Ausblick 325
10.7 Danksagungen 326
10.8 Symbolverzeichnis 326
10.9 Literatur 329
11 Pervaporation und Dampfpermeation
Hartmut E.A. Brüschke 		335
11.1 Einleitung 335
11.2 Grundlagen 338
11.2.1 Definitionen 338
11.2.1.1 Pervaporation 338
11.2.1.2 Dampfpermeation 339
11.2.1.3 Gaspermeation 339
11.2.2 Lösungs-Diffusionsmechanismus 340
11.2.3 Polarisationseffekte 344
11.2.3.1 Konzentrationspolarisation 344
11.2.3.2 Temperaturpolarisation 345
11.3 Permeatraum 345
11.3.1 Absenken des Drucks im Permeatraum 347
11.4 Auslegung von Anlagen 350
11.5 Charakterisierung von Membranen 352
11.6 Membranen 354
11.6.1 Polymermembranen 355
11.6.1.1 Hydrophile Membranen 356
11.6.1.2 Organophile Membranen 357
11.6.1.3 Membranen zur Trennung von Organika 357
11.6.2 Anorganische Membranen 358
11.7 Module 359
11.7.1 Plattenmodule 360
11.7.2 Spiralwickelmodule 361
11.7.3 Taschenmodule (Kissenmodule) 362
11.7.4 Tubulare Module 362
11.8 Verfahren 363
11.8.1 Absatzweiser (Batch) Betrieb 364
11.8.2 Kontinuierlicher Betrieb 365
11.8.3 Dampfpermeation 366
11.9 Beeinflussung von Reaktionen 369
11.10 Zusammenfassung 372
11.11 Literatur 372
12 Verfahren zur Trennung von Gasen und Dämpfen 375
12.1 Membranverfahren zur Gaspermeation
Klaus Ohlrogge, Jan Wind, Klaus Viktor Peinemann und Jürgen Stegger 		375
12.1.1 Einführung 375
12.1.2 Prinzip der selektiven zur Gaspermeation 376
12.1.2.1 Definitionen 379
12.1.3 Wasserstoffabtrennung 381
12.1.4 Heliumrückgewinnung 383
12.1.5 Luftzerlegung 384
12.1.5.1 Inertgasherstellung 384
12.1.5.2 Sauerstoffherstellung 385
12.1.6 Drucklufttrocknung 386
12.1.7 Erdgasbehandlung 389
12.1.7.1 CO2-Abtrennung 389
12.1.7.2 Wasserdampf-Taupunkteinstellung 392
12.1.7.3 Kohlenwasserstoff-Taupunkteinstellung 395
12.1.7.4 Stickstoffabtrennung 400
12.1.8 Lösemittelrückgewinnung 400
12.1.8.1 Abluftreinigung 400
12.1.8.2 Olefinabtrennung 402
12.1.9 Ausblick 407
12.1.10 Literatur 408
12.2 Abtrennung organischer Dämpfe 410
12.2.1 Einleitung 410
12.2.2 Prozesse zur Abtrennung organischer Dämpfe mittels Membranverfahren„ 410
12.2.2.1 Membranen 410
12.2.2.2 Der Druck als Triebkraft 412
12.2.2.3 Permeatmanagement 412
12.2.2.4 Die Membrantrennstufe 414
12.2.3 Industrielle Anwendungen 415
12.2.3.1 Gesetzlicher Rahmen als treibende Kraft 415
12.2.3.2 Dämpfe leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe aus Lagerung und Umschlag 416
12.2.3.3 Resultierende Anforderungen an die Abluftreinigungsanlage 419
12.2.3.4 Anwendung: Rückgewinnung organischer Dämpfe durch Gaspermeation/Absorption 422
12.2.3.5 Anwendung: Emissionsreduzierung an Tankstellen durch Membrantechnologie 424
12.2.4 Zusammenfassung 426
12.2.5 Literatur 427
13 Elektrodialyse
Hans-Jürgen Rapp 		429
13.1 Einleitung 429
13.2 Grundlagen 429
13.2.1 Das grundlegende Prinzip 429
13.2.2 Die Selektivität von Ionenaustauschermembranen 430
13.2.3 Monoselektive und bipolare Ionenaustauschermembranen 433
13.2.3.1 Die bipolare Membran 433
13.2.3.2 Monoselektive Ionenaustauschermembranen 434
13.2.4 Aufbau eines Elektrodialysemoduls 436
13.2.5 Auslegung der Elektrodialyse 439
13.2.6 Energiebedarf 441
13.2.7 Grenzstromdichte 443
13.2.8 Elektroden und Elektrodenspülung 446
13.2.9 Wassertransport und Konvektion 447
13.2.10 Betriebsweisen der Elektrodialyse 448
13.3 Säurerückgewinnung mittels Elektrodialyse 448
13.4 Formelzeichen 451
13.5 Literatur 452
14 Membranen für die Brennstoffzelle
Suzana Pereira Nunes 		453
14.1 Einleitung 453
14.2 Fluorierte Membranen 454
14.3 Sulfonierte nichtfluorierte Membranen 457
14.4 Phosphonierte Membranen 459
14.5 Polymermembranen für Betrieb mit hohen Temperaturen 460
14.6 Organisch-anorganische Membranen 461
14.7 Letzte Kommentare 464
14.8 Literatur 465
15 Anwendungen der Querstrommembranfiltration in der Lebensmittelindustrie
Frank Lipnizki 		469
15.1 Einleitung 469
15.2 Milchindustrie 471
15.2.1 Übersicht der Milchindustrie 471
15.2.2 Hauptanwendungen von Membranen in der Milchindustrie 472
15.2.2.1 Herstellung von Milchprodukten 472
15.2.2.2 Herstellung von Molkeproteinprodukten 474
15.2.2.3 Käseherstellung 477
15.3 Fermentierte Lebensmittel 479
15.3.1 Bier 479
15.3.1.1 Bierrückgewinnung aus Überschusshefe 479
15.3.1.2 Klärung von Bier 481
15.3.1.3 Entalkoholisierung von Bier 481
15.3.2 Wein 482
15.3.2.1 Mostkonzentration/-optimierung 482
15.3.2.2 Weinklärung/-schönung 484
15.3.2.3 Verjüngung von alten Weinen (Lifting) 484
15.3.2.4 Entalkoholisierung von Wein 485
15.3.3 Essigherstellung 485
15.3.3.1 Klärung von Essig 486
15.4 Fruchtsäfte 486
15.4.1 Klärung von Fruchtsaft 487
15.4.2 Konzentration von Fruchtsaft 487
15.5 Andere Anwendungen von Membranprozessen in der Lebensmittelindustrie 488
15.5.1 Membranprozesse in der Lebensmittelproduktion 489
15.5.2 Membranprozesse in Prozesswasseraufbereitung und Abwasserbehandlung 489
15.6 Ausblick -- Zukünftige Trends 489
15.6.1 Neue Anwendungen für Membranprozesse 491
15.6.2 Neue Membranprozesse 492
15.6.2.1 Pervaporation 492
15.6.2.2 Elektrodialyse 493
15.6.2.3 Membrankontaktoren -- Osmotische Destillation 493
15.6.3 Integrierte Prozesslösungen: Synergien und Hybridprozesse 494
15.7 Danksagungen 494
15.8 Literatur 495
16 Nicht-wässrige Nanofiltration
Katrin Ebert, F. Marga J. Dijkstra und Frauke Jordt 		497
16.1 Einleitung 497
1„6.2 Membranen für die nicht-wässrige Nanofiltration 498
16.3 Mathematische Beschreibung der Transportvorgänge 501
16.4 Anwendungen 506
16.4.1 Petrochemie 506
16.4.2 Homogene Katalyse 508
16.4.3 Pharmazeutische Industrie 509
16.5 Literatur 509
17 Membranreaktoren
Detlev Fritsch 		515
17.1 Einleitung 515
17.2 Klassifizierung von Membranreaktoren 517
17.3 Ausgewählte Reaktionen mit Membranreaktoren 520
17.3.1 Extraktortyp 520
17.3.2 Distributortyp 526
17.3.3 Kontaktortyp 533
17.3.3.1 Kontaktor-MR Typ 1 (Diffusion) 537
17.3.3.2 Kontaktor-MR Typ 2 (Durchfluss) 540
17.3.4 Modellierung 544
17.3.5 Schlussbetrachtung 545
17.4 Literatur 545
  Stichwortverzeichnis 549

 
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