Konzentrationspolarisation

Der Begriff Konzentrationspolarisation bezeichnet i​n der Filter- u​nd Membrantechnik d​ie Ausbildung e​iner Grenzschicht a​n der Membran während d​es Filtrationsvorgangs. Dieses Konzentrationsgefälle w​ird von Makromolekülen gebildet, d​ie die Membran n​icht passieren können. Tritt während e​iner Filtration Konzentrationspolarisation auf, s​o macht s​ich dies d​urch einen reduzierten Transmembranfluss (Flux) bemerkbar. Dieser Effekt i​st reversibel – w​ird die Membran gewaschen, s​o kann d​er ursprüngliche Flux nahezu wiederhergestellt werden. Wird a​n die Membran e​in Querstrom (Tangentialflussfiltration) angelegt, s​o minimiert d​as die Konzentrationspolarisation.

Flux- und Konzentrationsprofile in der Membran und der umgebenden Lösung. In Teil a wird dem sich ursprünglich im Gleichgewicht befindenden System eine Triebkraft (Druckdifferenz, Konzentrationsunterschied …) auferlegt: Durch die Selektivität der Membran ist der Flux des Stoffes 1 in der Membran ${\displaystyle J_{1}^{m}}$ höher als sein Flux in der Lösung davor und dahinter ${\displaystyle J_{1}^{s}}$. Ein höherer Flux in der Membran erzeugt das Konzentrationsgefälle, welches in Teil b dargestellt ist. Dieses Konzentrationsgefälle sorgt für einen diffusiven Stofftransport in der Membran entgegen der Triebkraft und an der Membran (in der Grenzschicht) in Richtung des Fluxes, sodass sich ein stationärer Zustand einstellen kann, bei dem der Flux überall gleich ist: ${\displaystyle J_{1}^{m}=J_{1}^{s}}$.

Ursachen und Wirkung

Betrachtet wird ein Stoff, der sich im Feed (Zulauf einer Membranfiltration oder eines Membranmoduls zur Wasseraufbereitung) befindet und für den die Membran undurchlässig ist: Durch den Fluss wird der Stoff konvektiv zur Membran transportiert und sammelt sich an ihr an. Die Konzentration dieses Stoffes an der Membran würde sich bei ausschließlich konvektiven Transport stetig erhöhen. Da der so entstandene Konzentrationsgradient als Triebkraft eines diffusiven Rücktransports des Stoffs von der Membran weg wirkt, entsteht eine Grenzschicht an der Membran in der sich ein stationärer Konzentrationsgradient einstellt. Konzentrationspolarisation führt zu Flussabfall und einer reduzierten Selektivität der Membran.

Siehe auch

• Fouling (Membrantechnik)