Schnelle MRI zur Charakterisierung von Filtrationsprozessen
Creators: name: Schuhmann, Sebastian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: NMR
MRI
Compressed Sensing
Filtration
Ultrafiltration

description: Die Anwendbarkeit von schnellen Magnetic Resonance Imaging (MRI) Methoden zur Untersuchung von Separationsprozessen in Form von Ultrafiltrationen steht im Fokus dieser Dissertation. Hohlfasermembranen werden häufig für Ultrafiltrationen verwendet, wobei Ablagerungen mit zunehmender Filtrationszeit zu einer Effizienzminderung führen. Da Hohlfasermembranen in der Regel von innen nach außen filtriert werden, ist eine Beobachtung der Foulingvorgänge mittels gängiger, meist optischer Methoden nur schwer realisierbar. Durch MRI können die mikroskopischen zu Ablagerungen führenden Mechanismen im Detail charakterisiert werden, was zu einem besseren Verständnis des Filtrationsprozesses beiträgt. Da Filtrationsprozesse zeitabhängig sind, werden schnelle MRI-Messungen benötigt, um detaillierte Einblicke adäquat zeitaufgelöst bei hinreichend guter Bildqualität zu erlangen. Deshalb wurden zunächst Compressed Sensing (CS) MRI-Methoden realisiert und die Optimierung der MRI-Parameter durchgeführt. Die „sparseMRI“ lieferte eine gute Bildqualität bei ausreichend kurzen Messzeiten und gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis und wurde daher zur Untersuchung von Filtrationen verwendet. Dabei wurden sowohl Intensitätsmessungen zur Erfassung der Strukturen als auch MRI-Geschwindigkeitsmessungen zur Charakterisierung von Strömungsfeldern durchgeführt. Als Modellsubstanz für extrazelluläre polymere Substanzen wurde eine wässrige Natriumalginatlösung verwendet, um das Foulingverhalten in keramischen Hohlfasermembranen zu untersuchen. Abhängig von der Konzentration zweiwertig positiver Ionen wie Ca2+ ändern sich die Eigenschaften des in Wasser gelösten Polysaccharids. Das Filtrationsverhalten verändert sich von der Konzentrationspolarisation bei cCa2+ = 0 zu einer Gelschichtbildung bei cCa2+ &gt; 0. Die Ablagerungen im Inneren des Membranlumens wurden mit einer CS-RARE-Pulssequenz gemessen, die Foulingmechanismen mit Modellen der Konzentrationspolarisation und der Gelschichtbildung beschrieben. Die Filtration unter Gelschichtbildung zeigte eine geringere Längenabhängigkeit entlang der Membran im Vergleich zur Filtration von wässrigen Natriumalginatlösungen ohne Ca2+, die durch lose, reversibele Konzentrationspolarisation zu beschreiben sind. Auch in polymere Multikanalmembranen bilden sich Ablagerungen und dadurch bestimmte Geschwindigkeitsverteilungen, die mittels schneller MRI zu messen sind. Es zeigte sich eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Ablagerungen in den einzelnen Kanälen von Multikanalmembranen. Auch die Geschwindigkeitsverteilung zeigte nur eine geringe Abweichung zwischen den Kanälen, wobei der innere Kanal etwas schneller durchströmt wurde als die außenliegenden. Rückspülversuche zeigten, dass die Kanäle gleichmäßig gereinigt wurden und auch der innere Kanal von Ablagerungen befreit wurde. Zusätzlich zu Filtrationsvorgängen mit der Modelllösung des Natriumalginats wurde Biofouling über eine Feedlösung einer tryptischen Sojabrühe induziert. Nach einer gewissen Zeit bildet sich durch die umgebenden Mikroorganismen Biomasse, die sich als weiße Flocken in der Feedlösung zeigte. Das Biofouling in den Multikanalmembranen konnte ebenfalls mittels CS-MRI beobachtet werden. Auch die Verteilung der Biomasse innerhalb der Kanäle wurde analysiert. Die Biomasseablagerungen zeigten ein reversibles Verhalten nach dem Stoppen des Filtrationsprozesses und der Entspannung des Filtrationsdruckes. Zusammenfassend eignen sich CS-MRI-Methoden hervorragend, um Ultrafiltrationsprozesse mit einer hohen zeitlichen und örtlichen Auflösung zu messen und qualitativ und quantitativ zu analysieren. Filtrationsmechanismen und Foulingverhalten wurden mikroskopisch untersucht und mit makroskopischen Filtrationsparametern verglichen. CS-MRI ist eine vielversprechende Methode, die sich auch zur Beantwortung vieler anderer verfahrenstechnischer Fragestellungen bei z. B. Sedimentations- und Mischvorgängen anwenden lässt und eine detailliertere orts- und zeitaufgelöste Charakterisierung dieser Prozesse ermöglicht.