Ultrafiltrations- (UF) Systeme sind Filtrationstechnologien, die unter Druck arbeiten, ähnlich wie Umkehrosmosemembranen, um Partikel mit höherem Molekulargewicht als Wasser selbst zu trennen. Diese Systeme sind äußerst effektiv bei der Entfernung von Schwebstoffen und Partikeln im Wasser. Ultrafiltrationssysteme können eine Filtrationsleistung von bis zu 5 Nanometern erreichen, was sie präziser macht als Mikrofiltrationssysteme. Aus diesem Grund liegt ihr Betriebsdruck leicht höher im Vergleich zur Mikrofiltration, der typischerweise zwischen 2 und 4 Bar liegt. Die durchschnittliche Durchflusskapazität beträgt etwa 40 bis 120 Liter pro Quadratmeter Membranfläche. Sie werden oft in industriellen Wasseraufbereitungsprojekten anstelle von Multimedia-Sandfiltern eingesetzt.

Eine Ultrafiltrationseinheit kann alle suspendierten Feststoffe auf mikroskopischer Ebene filtern. UF-Membranen verwenden eine spezielle Membrantechnik, die als Hohlfaser bekannt ist, die es ihnen ermöglicht, feste Partikel bis zu etwa 0,025 Mikrometer zu entfernen. Wenn man bedenkt, dass ein menschliches Haar eine Dicke von 70–80 Mikrometern hat, ist es leicht zu erkennen, wie effektiv Ultrafiltrationsgeräte für die Mikrobearbeitung von Wasser sind.

In UF-Systemen wird die Leistung mit einem Parameter namens MWCO (Molekulargewicht cut-off) gemessen. Dieser Parameter wird bestimmt durch die Zeit, die eine UF-Membran benötigt, um mindestens 90% der Substanzen zurückzuhalten, deren Molekulargewicht höher ist als das von Wasser (wie z.B. Proteinen oder Glykolen). Wenn eine UF-Membran beispielsweise mindestens 90% dieser Substanzen für zwei Tage zurückhalten kann, aber diese Rückhaltung nach zwei Tagen auf 89% sinkt, wird das MWCO für diese Membran als 2 angesehen. Da MWCO kein internationaler Standard ist, ist es kein universell anerkanntes Messprinzip, wird jedoch häufig in technischen Bewertungen verwendet.

Häufige Anwendungen von Ultrafiltrationssystemen umfassen:

• Rückgewinnung von Proteinen aus Substanzen wie Milch oder Whey, Konzentration von Zuckern in Fruchtsäften, Entfernen von Bakterien, suspendierten Feststoffen und Organik aus Flaschenwasser.

• Entfettung in Abwassersystemen.

• Entfernen von Bakterien und Viren in kommunalem Wasser, Produktion von nutzbarem Wasser aus Abwasser.

• Dient als Vorbehandlungsschritt in RO-Systemen zur Entfernung von Schwebstoffen.

Unterschiede zwischen UF- und RO-Systemen

UF-Systeme werden im Allgemeinen verwendet, um Schwebstoffe zu trennen, die möglicherweise nicht ausreichen, um gelöste Stoffe im Wasser zu entfernen. Umkehrosmose-Systeme hingegen filtern auf molekularer Ebene, einschließlich gelöster Stoffe. Die Leistung von UF liegt typischerweise zwischen Mikrofiltration und Nanofiltration.

Wie funktioniert es?

Ultrafiltrationssysteme funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Standard-Sedimentfilter. Schwebstoffe werden durch die poröse Struktur der UF-Membranen zurückgehalten. Im Wesentlichen wird Druckwasser durch die Membranen gezwungen, wobei das Wasser mit niedrigem Molekulargewicht passieren kann. Ein typisches Diagramm eines UF-Systems ist unten dargestellt:

Vorteile

UF-Membransysteme bieten fortschrittliche Filtrationsmöglichkeiten mit geringem Energieverbrauch und sind damit sehr effektiv als Vorbehandlungsstufe. Neben der Reduzierung der Trübung filtert ein UF-System Krankheitserreger wie Bakterien und Viren, wodurch es sich von sandbasierten Mehrschichtfiltern unterscheidet. Zusammenfassend bieten UF-Systeme:

• Hohe Filtrationseffizienz bei hohen Durchflussraten.

• Fortschrittliche Pathogenfiltration (Bakterien, Viren usw.).

• Lange Lebensdauer und hohe Leistung dank Rückspülmöglichkeiten.

• Kompakte Designoptionen durch modulare Konfigurationen.

• Hohe chemische und Temperaturbeständigkeit.

Ultrafiltrationsmembranen

UF-Membranen können aus organischen Polymeren oder anorganischen Materialien hergestellt werden. Die Wahl hängt von spezifischen Parametern wie dem Molekulargewicht der zu filternden Substanzen und deren Interaktion mit Polymerketten ab. In der Wasseraufbereitungsindustrie werden überwiegend Hohlfasermembranen verwendet. Die Art des Membranmaterials ist wichtig für die chemische, thermische und mechanische Stabilität, obwohl sie normalerweise keine signifikanten Unterschiede in Flux oder Filtrationsleistung verursacht. 

Ultrafiltrationssystem-Design

Ultrafiltration arbeitet typischerweise bei niedrigen Drücken – normalerweise im Bereich von 0,5 bis 5 bar. Solche niedrigen Betriebsdrücke ermöglichen es, den Prozess mit niederspannungsbetriebene Pumpen oder in manchen Fällen sogar ohne Pumpen durchzuführen, was einen kostengünstigen Betrieb bietet.

UF-Membranen werden in modularer Form auf einer porösen Trägerschicht hergestellt, wobei jede Membraneleinheit als "Modul" bezeichnet wird. Jedes Modul hat einen Eingang für das Zulaufwasser, einen Konzentratausgang und einen Permeatausgang. Es gibt zwei Hauptmodultypen auf dem Markt: spiralgewundene und Hohlfasermembranen. Andere Modultypen – wie Rotationsmodule, Vibrationsmodule oder Dean-Vortex-Module – sind kundenspezifisch für bestimmte Prozesse entworfen.

Jedes Moduldiz design hat einzigartige Vorteile und Nachteile in Bezug auf Reinigung, Betrieb, Druckverlust und Filterleistung. Im Vergleich zu anderen Modultypen sind Hohlfasermodule aufgrund der einfachen Reinigung und der Betriebseffizienz vorteilhaft; spiralgewundene Membranen bieten ebenfalls ähnliche Vorteile. Andere spezialisierte Membrantypen haben höhere Betriebs- und Eigentumskosten, werden aber möglicherweise für spezifische industrielle Anwendungen bevorzugt.