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:
- Ist eine Membran durch oxidatives Chlor geschädigt?
- Welche chemischen Veränderungen liegen an der Oberfläche vor?
- Welche Reagenzien haben die Oberfläche beeinflusst?
- Wie tief reichen die Schäden in das Material hinein?
- Welche Bindungszustände liegen vor?
Die Photoelektronenspektroskopie (XPS) erlaubt hier eine präzise Fehler- und Schadensanalytik der Membranoberflächen.
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 (vgl. Literaturhinweis unten) 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.
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
Literaturhinweis:
- Blauth, F., Koenen, K., Mallach, D., Reuter, T., Schäfer, A., Schiemann, B. and Schütten, I. (2025),
Photoelektronenspektroskopie-Analytik zur Detektion von oxidativen Chlorschäden an Umkehrosmosemembranen.
Chemie Ingenieur Technik, 97: 697-702.
https://doi.org/10.1002/cite.202500042 - HINWEIS: 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.
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