Wasser- Nanofiltration:

Nanofiltration Begriffsbeschreibung:

Den Begriff Nanofiltration  findet man mit unterschiedlichen Trenngrenzen belegt.

„In Anlehnung an die ISO (International Organization for Standardization) wird ein Nanopartikel als ein Objekt beschrieben, wo alle 3 Dimensionen  "kleiner"  sind als 100 nm."  (1)

Die am meisten zu findende Angabe für Nanofiltratione ist 10 nm bis 1 nm mitunter auch etwas weiter gefaßt von 50 nm bis 0,5 nm.

Nanofilter Membranen werden typischerweise eher nach der minimalen Molekülmasse definiert (engl. MWCO) welches durch die Membrane zurückgehalten wird, als über die Porengröße.
Gleichwohl gibt die Porengröße ein allgemein verständliches Maß an.  

Die Nanofiltration gewinnt in den letzten Jahren zunehmend bei der zur Wasseraufbereitung und Aufbereitung von Lösungen an Bedeutung.

Verfahren:
Nanofiltration ist ein druckgetriebenes Membranverfahren (3,5 - 10 (30) bar).
Zur Anwendung kommen hier zur Wasseraufbereitung im Cross- Flow- Verfahren (ähnlich wie bei der Ultrafiltration), insbesondere keramische Membranen. Keramische Membranen sind besonders stabil gegen thermische und chemische Belastungen. Sie sind für diesen Bereich stark in der Verbreitung und Weiterentwicklung. (Stand 2013)

Anwendungen der Nanofiltration:
Wasserenthärtung, Entkalkung, Teilentsalzung:
Verbraucher:               Stationäre Klein-Hausgeräteanlagen
Getränkeindustrie:     Bereitung von biologisch einwandfreiem Wasser für Fruchtsäfte und allen Arten von Getränken
Textielindusstrie:       Entfärben von Textilabwässern
Chem. Industrie:        Reinigung von Lösemitteln, Wertstoffrückgewinnung aus Lösungen, Recyling
Abwasserreinigung:   Wertstoffrückgewinnung

Anwendungen sind auch überall dort zu finden, wo keimfreies Wasser notwendig ist. Das schließt den privaten und kommerziellen Einsatz ein.
Wasserenthärtungsanlagen auch für das Eigenheim gibt es auf dem Markt.
Die Nanofiltration unterscheidet sich zur nächst feineren Filtration, der Umkehrosmose, dahingehend, dass die Trenngrenze für die im Wasser gelösiten Stoffe niedriger ist. Das heißt, im Wasser gelöste Ionen werden weniger zurückgehalten als dies bei der Umkehrosmose der Fall ist, die z.B. vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) liefert.

Materialien:
Es gibt Nano-Membranen z.B. auf der Basis von Keramik, Zeolith, Polymer.

Nanofiltermembranen in Form von Polymermembranen sind keine porösen Materialien mit definierter Porenweite, sondern homogene Polymerschichten, die aufgrund ihrer Struktur bestimmte Inhaltsstoffe zurückhalten.

Nachteil von Polymermembranen ist die nicht sehr hohe Beständigkeit gegenüber extremen ph Werten und hohen Temperaturen.
Die mangelnde chemische Stabilität von amorphen SiO2 – Schichten bei Nano- Membranen beschränkt den Einsatz auf etwa 2/3 des PH- Bereiches.

Hier kommen Keramik Membranen zur Anwendung. So gibt  es bereits seit etwa 2005 zur Prxistauglichkeit gelangte Forschungen auf diesem Gebiet, für den Nanobereich.

„Nanokeramikmembranen werden bei Drücken von 15 – 20 bar verwendet, so dass sich Wasserflüsse von 300 – 400 kg/(m2h) erziehlen lassen“.
„Porengrößen von 0,9 nm und einem molekularen Rückhalt von 450 g/mol sind kommerziell verfügbar“.
Whiley Online Library  Humboldt-Universität zu Berlin, Ingolf Voigt. (2005) (2)
 
Spezielle und immer größere Anwendung für spezifische Bereiche finden Zeolithe(*) und Zeolithmembranen (Stand2013).

Zeolithe gelten als Molekularsieb.
Bekannt geworden sind die Zeolithe u.a. durch ihre Eigenschaft, vorher gebundene Wassermoleküle durch Aufheizen auf 300 bis 500 Grad Celsius oder einer Druckminderung auf 0,013 – 0,006 bar wieder abzugeben.

Für die Abtrennung von Wasser eignet sich z.B. besonders gut NaA-Zeolith.
Entwicklungen zur Stofftrennung auf molekularer Basis sind vielfältig, z.B.:
"Auf der Oberfläche der trennaktiven Seite der Membran adsorbiert das im Feedgemisch enthaltene Wasser, auf der anderen Seite desorbiert das Wasser aufgrund des reduzierten Permeatdruckes." (3)

Es gibt etwa 48 natürliche und 150 synthetisch hergestellte Zeolithtypen. (Stand 2013). Molekularsiebe sind in der Lage spezifische Moleküle zu trennen. Die Porenweite der Zeolithe beträgt um 0,3 bis 1 nm. Sie haben eine relativ einheitliche innere Struktur. Durch den relativ einheitlichen inneren molekularen Aufbau ist eine gut definierte Trennung von Stoffen entsprechend der spez. Wirkungsweise des jeweils vorliegenden Zeoliths möglich. Das ist anders als z.B. bei Aktivkohle die größenordnungsmäßig sehr unterschiedliche innere Strukturen aufweist.  Die Trennung und Unterscheidung zwischen Molekülen geschieht bei Z. vorzugsweise durch das starke Adsorptionsvermögen innerhalb der zelolithetyp-spezifisch feinen Kanäle sowie deren speziellen Oberflächenchemie. Letzte Genannte ist u.a. bestimmt durch einen bestimmten Gehalt an Kationen.

Anwendung:
Zeolithe finden (im Zusammenhang zum Thema Wasseraufbereitung) ihre Anwendung in:
-  Trennung und Reinigung von chem. Stoffen im weitesten Sinne.
-  Entkalkung, Wasserenthärtung
-  Lebensmitteltechnologie (Getränke, z.B: Benzolgehalte in Getränke minimieren), Entfernung       
    von organischen Schadstoffen)

Zeolithe und Zeolithe-Membranen haben ein hohes Potential für weitere Forschungen.

(1)  nanoparticle: Encyclopedia Britannica 2012, Ultimate Edition, ISBN 978-3-8032-6628-6
(2)  "Nanofiltration mit keramischen Membranen", Ingolf Voigt, Chemie Ingenieur Technik, 2005, 77, No5
(3) http://www.laborpraxis.vogel.de/forschung-und-entwicklung/analytik/artic..., mit freundlicher Genehmigung von: mycontentfactory.de (03.07.2013)

(*)  Mit Informationen aus:
http://de.wikipedia.org/wiki/Nanofiltration,  (Juli 2013)
http://www.mmch.uni-kiel.de/Zeolithe/zeolithe_folien_4.htm , (01.07.2013)
http://www.dvgw.de/index.php?id=12431 , (01.07.2013)
http://de.wikipedia.org/wiki/Molekularsieb ,  (01.07.2013)