Membranen nach Mass, Hochschule für Life Sciences FHNW

Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz werden oft als Zielkonflikt wahrgenommen. Dabei zeigen Forschungsresultate, dass sich beide Faktoren verbinden lassen, wenn man knappe Ressourcen effizient einsetzt oder Rohstoffe zurückgewinnt. Im Fall des Elements Phosphor sind Forschende der HLS bereits auf dem richtigen Weg – mithilfe einer mehrschichtigen Membran, die sich je nach Bedarf massschneidern lässt. Damit haben sie in Laborversuchen bereits 90 Prozent Phosphor aus sauren Abfalllösungen recycelt. Die neue Technologie soll zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm zum Einsatz kommen.

Als ressourcenarmes Land ist die Schweiz abhängig von Rohstoffimporten. Diese Abhängigkeit lässt sich verringern, indem man Rohstoffe aus Abfallprodukten zurückgewinnt. Ein solches Abfallprodukt ist Klärschlamm. Dieser entsteht bei der Aufbereitung von Wasser in der Kläranlage und enthält neben Phosphor auch reichlich Metalle und Schwermetalle. Da Phosphor durch seinen Einsatz in Düngemitteln eine grosse wirtschaftliche Bedeutung hat, ist die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm ab 2026 in der Schweiz Pflicht. Doch viele der bisherigen Recycling-Technologien sind aufwendig oder wirtschaftlich wenig effizient.

Die Ingenieurin Kirsten Remmen vom Institut für Ecopreneurship der HLS hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich Phosphor mit- tels Nanofiltration über eine schichtweise modifizierte Membran zurückgewinnen lässt, und hat so bestehende Prozesse verbessert. Nanofiltration ist ein erprobtes Verfahren, das bereits in der Pharma- und Lebensmittelindustrie eingesetzt wird. Im Gegensatz zur Mikro- und Ultrafiltration, bei der die Porengrösse darüber entscheidet, welche Partikel die Membran passieren können, funktioniert Nanofiltration über die Ladung der Ionen. «Membranen für die Nanofiltration sind selber geladen. Dadurch unterscheiden sie zwischen mehrwertig und einwertig geladenen Ionen», sagt Remmen. «Einwertig geladene Ionen können die Membran passieren, mehrwertige Ionen werden hingegen zurückgehalten.»

«Bevor aber der Klärschlamm zur Rückgewinnung des Phosphors überhaupt der Nanofiltration zugeführt werden kann, durchläuft er einen mehrstufigen Prozess. Dabei werden unter anderem Metalle, Schwermetalle und Phosphor mittels Säure herausgelöst», erklärt die Forscherin. Anschliessend werden die einzelnen Bestandteile mit einem weiteren Verfahren ganz voneinander getrennt. Für diese Abtrennung gibt es verschiedene Technologien. «In der Schweiz liegt der Fokus auf der sogenannten Flüssig/Flüssig-Extraktion. Man könnte aber ebenfalls eine Nanofiltration als finale Reinigungsstufe einsetzen, um die Qualität des Produkts weiter zu verbessern», führt Remmen aus. Doch handelsübliche Nanofiltrationsmembranen sind zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm erst wenig effizient. Mithilfe der Nanofiltration sollen Metalle zurückgehalten werden und nur der wichtige Phosphor die Membran passieren. Dafür haben Remmen und ihr Team die Eigenschaften der Nanofiltrationsmembran Schicht für Schicht (Engl.: layer-by-layer, kurz LbL) verändert, insbesondere die Ladung der Membran. «Anders als bei einer herkömmlichen, negativ geladenen Nanofiltrationsmembran kann man eine LbL-Membran auch mit einer positiven Ladung versehen und damit die Ladungsstärke beeinflussen», erklärt die Ingenieurin. Je positiver die Ladung der LbL-Membran ist, desto mehr Metalle hält sie zurück.

Die Forschenden beschichteten eine Hohlfasermembran mit entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten, also Polymeren, die eine Ladung tragen. Von diesen gibt es welche mit positiver und mit negativer Ladung. Abwechslungsweise trägt man eine Plus- und eine Minusschicht auf, beide zusammen bilden einen sogenannten Bi-Layer. «Mit der Wahl der Art und Anzahl meiner Bi-Layer kann ich die Eigenschaft der Membran verändern und damit auch ihre Filtereigenschaften beeinflussen», führt Remmen aus. Der grosse Vorteil dieser Membran ist, dass sie viele Parameter besitzt, die sich einzeln einstellen und spezifisch auf eine Anwendung anpassen lassen, so etwa die Konzentration der Lösung oder die verwendeten Polyelektrolyte.

Remmen und ihr Team haben im Labor getestet, wie gut die LbL-Membran für die Rückgewinnung von Phosphor geeignet ist. Ihr Versuch an einer sauren Modelllösung zeigte, dass die Membran 90 Prozent Phosphor passieren lässt, der anschliessend für Düngemittel weiter aufbereitet werden kann. Die unerwünschten Metalle in der Lösung wurden von der Membran zurückgehalten. Die Forscherin freut sich über den Erfolg: «Es gibt auf dem Markt noch keine wirklich befriedigende Lösung. Die LbL-Membran hat ein grosses Potenzial, saure Abfallströme zu reinigen und Rohstoffe zurückzugewinnen. Phosphor ist nur einer davon.» Noch ein weiterer Vorteil spricht für den künftigen Einsatz von LbL-Membranen: ihre Durchflussrate. Diese war bei Remmens Versuchen zur Phosphorrückgewinnung 16 Mal höher als bei einer herkömmlichen Nanofiltrationsmembran. Das macht sie auch für die Wirtschaft interessant. Da herkömmliche Membranen der sauren, viskosen und osmotischen Flüssigkeit aus dem Klärschlamm einen hohen Widerstand entgegensetzen, benötigt man entweder eine Anlage, welche die Flüssigkeit mit hohem Druck durch die Membran presst, oder sehr viel Zeit. Mit der LbL-Membran reichen schon kleinere Anlagen für die Rückgewinnung, sodass die Investitionskosten sinken. Hohe Investitionskosten sind einer der Gründe, weshalb Rückgewinnung aus sauren Abfallprodukten kaum verbreitet ist. Zurzeit ist es noch wirtschaftlicher, die anfallende Säure zu neutralisieren und im Anschluss zu entsorgen.

Remmen ist von der Technologie der massgeschneiderten LbL-Membran überzeugt und entwickelt mit dem Unternehmen Pentair einen Prototyp dafür. Mit ihrem Team arbeitet sie daran, die LbL-Membran nun industrietauglich zu machen.

Methoden

• Nanofiltration
• Layer-by-Layer Modifikation

Infrastruktur

• Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)
• Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS)
• Rasterelektronenmikroskop (REM)

Förderung

• Schweizerischer Nationalfonds
• Innosuisse
• EU H2020

Zusammenarbeit

• RWTH Aachen, DE
• Technische Universität Delft, NL
• Pentair plc, UK
• Sandvik AB, SE
• Schwedisches Umweltforschungs- institut (IVL)