Präzise Oberflächenanalytik für Membranschäden – Chlorschädigungen sicher erkennen
Analyse von Membranoberflächen – gezielte Aufklärung von Schadensursachen
Umkehrosmosemembranen (RO-Membranen) sind essenziell in der industriellen Wasseraufbereitung. Gerade ihre aktive Polyamid-Oberfläche ist jedoch extrem empfindlich gegenüber oxidierenden Substanzen wie freiem Chlor. Kommt es zu Belastungen, können die Membranen irreversible Schäden erleiden – mit massiven Auswirkungen auf Rückhalt, Permeabilität und Lebensdauer der Anlagen.
Standardmethoden wie Schnelltests (z.B. Fujiwara-Test) liefern oft keine klaren Ergebnisse. Um Schadensursachen sicher zu identifizieren, setzen wir auf hochauflösende Oberflächenanalyse. Unsere Methoden erlauben die exakte Charakterisierung von oxidativen Schäden an Membranen – auch bei unbekannter Herkunft und Betriebsdokumentation.
Warum Oberflächenanalytik entscheidend ist
Die Oberfläche eines Materials ist die Schnittstelle zur Umwelt – und damit der Ort, an dem chemische Reaktionen, Alterungsprozesse, Verunreinigungen oder Schädigungen zuerst sichtbar werden. Besonders in sensiblen Anwendungen wie der Wasseraufbereitung mit Umkehrosmosemembranen (RO-Membranen) kann bereits eine geringe Belastung mit oxidativen Substanzen wie freies Chlor, Chlordioxid oder Ozon zu irreversiblen Schäden führen.
Typische Fragestellungen:
- Welche chemischen Veränderungen liegen an der Oberfläche vor?
- Ist eine Membran durch oxidatives Chlor geschädigt?
- Welche Reagenzien haben die Oberfläche beeinflusst?
- Wie tief reichen die Schäden in das Material hinein?
- Welche Bindungszustände liegen vor?
Unsere Untersuchungen zeigen: Chlor kann in zwei Formen an der Oberfläche der Membranen auftreten – als frei vorliegendes Chlor und chemisch gebunden an das Polymer. Nur der Nachweis von gebundenem Chlor bestätigt eine tatsächliche oxidative Schädigung der Membran. Durch XPS-Analysen kann sowohl die Chlormenge als auch der Bindungszustand auf der Membranoberfläche quantitativ erfasst werden.
XPS-Analysen offenbaren, dass bei erhöhter oxidativer Chlorbelastung (z.B. durch NaOCl oder ClO2) der Gehalt an gebundenem Chlor deutlich steigert – ein klarer Beleg für eine chemische Veränderung des Materials. Gleichzeitig korrelieren diese Werte mit dem gemessenen Rückhalt und Permeatfluss der Membran – ein direkter Bezug zur Anlagenleistung.
Anwendungsbeispiel: Nachweis von Chlorschäden an RO-Membranen
Die Photoelektronenspektroskopie (XPS) ist dabei die Schlüsseltechnologie zur Detektion chemischer Veränderungen. Sie ist eine der leistungsfähigsten etablierten Methoden zur chemischen Oberflächenanalyse. Sie ermöglicht:
- Elementanalyse aller Elemente (außer H und He)
- Quantitative Bestimmung der Elementzusammensetzung
- Analyse chemischer Bindungszustände
- Tiefenprofilierung durch Sputtern
Mit einer Eindringtiefe von nur 5–10 nm liefert XPS präzise Informationen über die äußerste Schicht eines Materials – dort, wo Korrosion, Oxidation oder chemische Modifikation stattfinden.
In einer Studie aus dem Jahre 2025 wurde die XPS-Analytik eingesetzt, um oxidative Schädigungen durch chlorhaltige Desinfektionsmittel an Polyamid-basierten Umkehrosmosemembranen zu identifizieren. Dabei wurden Membranen gezielt mit Natriumhypochlorit (NaOCl) und Chlordioxid (ClO₂) beaufschlagt.
Ergebnisse:
- Anstieg des Chlorgehalts an der Oberfläche mit zunehmender Dosis
- Differenzierung zwischen freiem Chlor (Cl⁻) und polymergebundenem Chlor (C–Cl)
- Korrelation zwischen chemischer Veränderung und Membranleistung (Flux, Rückhalt)
- Identifikation von drei Schadensbereichen anhand des Anteils gebundenen Chlors
Diese Ergebnisse zeigen, dass XPS nicht nur die Anwesenheit von Chlor, sondern auch dessen chemische Bindung an die Polymerstruktur nachweisen kann – ein entscheidender Schritt zur eindeutigen Schadensdiagnose.
Diese Studie wurde durchgeführt mit finanzieller Unterstützung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Die Untersuchungen erfolgten im Rahmen des Verbundvorhabens MembrOx im Rahmen der ZIM-Förderung der AiF Projekt GmbH.
Ihr Mehrwert – zuverlässige Schadensdiagnostik für maximale Betriebssicherheit
Durch unsere Membran-Autopsie und Oberflächenanalyse erhalten Sie klare Antworten:
- Ursachen für Leistungseinbrüche werden identifiziert.
- Chlor-induzierte Schäden werden sicher erkannt.
- Falsche oder übermäßige Desinfektionseinsätze lassen sich nachweisen.
- Empfehlungen für den Membrantausch oder Anpassungen in der Wasseraufbereitung werden abgeleitet.
Wir analysieren nicht nur Membranen im Schadensfall – auch präventive Zustandsanalysen oder Materialcharakterisierungen für neue Anwendungen gehören zu unserem Portfolio.
Wir setzen Methoden wie REM/EDX, XPS, IR oder ToF-SIMS für unsere Untersuchungen ein. In Zusammenarbeit mit Partnern sind auch noch weitergehende Membran-Autopsien durchführbar.
Anwendung in der Praxis: Oberflächenanalyse für Membrantechnik, Chemie, Pharma, Lebensmittel und Energie
Unsere Dienstleistungen richten sich an:
- Betreiber von Umkehrosmoseanlagen
- Ingenieurbüros für Wasser- und Abwassertechnik
- Hersteller von Membransystemen
- Qualitätsmanagement in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie
- Forschungseinrichtungen im Bereich Polymer- und Oberflächentechnik
