Membran-Wissen

Hätten Sie´s gewusst? Beiträge von Dr. Nico Scharnagl aus dem DGMT Ticker.

Membranen retten Leben – Anwendung in der Medizintechnik

Membranen retten Leben – Anwendung in der Medizintechnik

Nachdem in der letzten Ausgabe des TICKER Membranen mit schaltbaren Eigenschaften vorgestellt wurden, soll heute das Thema Membranen in der Medizintechnik angerissen werden. Die Einsatzgebiete der unterschiedlichen Membranen in der Medizintechnik reichen von der Dialyse über Oxygenatoren bis hin zu Drug-Delivery Systemen. Sogar Rückgewinnungssysteme für Narkosegase wie Xenon wurden untersucht. Der größte Anteil der jährlich weltweit produzierten Membranfläche wird heute in der Dialyse eingesetzt, die den größten Markt an technischen Membrananwendungen darstellt. Mehrere hundert Millionen km Hohlfasermembranen werden jährlich für die künstliche Niere produziert und erlauben die Behandlung von weit mehr als 1 Million Dialysepatienten[1].

In einer Herz-Lungen-Maschine wird der Membran als Blutoxygenator eine entscheidende Funktion zuteil. Als Trennung zwischen Blut und Gas kommt es aufgrund des Konzentrationsgefälles zum Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid, gleichzeitig wird der direkte Blutkontakt des Gases vermieden, wodurch der bluttraumatisierende Effekt reduziert wird. Durch den Einsatz der künstlichen Lunge werden Operationen am "offenen Herzen" ermöglicht. Heutzutage werden fast alle Oxygenatoren als Hohlfaden-Membran-Oxygenatoren gebaut.

Abb 1: Skizzierte Funktionsweise einer Herz-Lungen-Maschine (Quelle: www.herz.at)


Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung hat eine neue Art Membran entwickelt, mit der Gase wie Kohlendoxid nach Wunsch in Flüssigkeiten und Gasen angereichert oder aus ihnen herausgelöst werden können. Die Fähigkeiten der Membran beruhen auf einer stark flüssigkeitsabweisenden (superamphiphoben) Beschichtung, die nicht nur den Gasaustausch verbessert sondern gleichzeitig ihre Poren vor Verstopfung schützt.[2]
Wie stimuli-sensitive Membranen in der Medizintechnik eingesetzt werden können, zeigt ein im Mai erschienener Artikel in "Advanced Functional Materials". Schweizerische Forscher haben ein Pflaster entwickelt, dass Wirkstoffe kontinuierlich über eine Membran abgibt, wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird.[3]
Weiterhin werden Membranen in verschiedensten Organunterstützungssystemen eingesetzt, wie z.B. in der künstlichen Leber, Bauchspeicheldrüse, Haut oder Augenlinse. Auch neben eigentlichen Körperfunktionen kommen Membranen zum Einsatz. So wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (dbu) in den Jahren 1993 bis 1996 ein Projekt der Univ. Ulm zur Rückgewinnung von Xenon als Narkosegas gefördert. Xenon hat gegenüber herkömmlichen Narkosegasen einige Vorteile, aber ist erheblich teurer. Das Membran-Rückgewinnungsverfahren hat sich als nicht wirtschaftlich herausgestellt und andere Methoden befinden sich derzeit in der Erprobung. Der Gebrauch halbgeschlossener Niedrigflussnarkosegeräte könnte in Zukunft den ökonomischen Einsatz Xenons signifikant verbessern.[4]
Dies sind nur einige Beispiele, wie Membranen Leben retten bzw. dazu beitragen können, lebensrettende Maßnahmen zu ermöglichen.

Referenzen:
[1] B. Krause, H. Göhl, and F. Wiese, Medizintechnik, in Membranen: Grundlagen, Verfahren und industrielle Anwendungen, K. Ohlrogge and K. Ebert, Editors. 2006, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim.
[2] M. Paven, et al., Super liquid-repellent gas membranes for carbon dioxide capture and heart–lung machines. Nat Commun, 2013. 4.
[3] K. Schöller, et al., From Membrane to Skin: Aqueous Permeation Control Through Light-Responsive Amphiphilic Polymer Co-Networks. Advanced Functional Materials, 2014. 24(33): p. 5194-5201.
[4] A. Brucken, et al., Aktuelle Entwicklungen in der Xenonforschung. Anaesthesist, 2010. 59(10): p. 883-95.

(DGMT-Ticker 2/2014 N. Scharnagl)

Formgedächtnis Polymere

Formgedächtnis Polymere = Polymer-Membranen mit schaltbaren Eigenschaften?

Formgedächtnis Polymere (Shapememory Polymere, SMPs) sind auf einen äußeren Reiz reagierende, formverändernde Materialien. In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Synthese und Charakterisierung von SMPs erzielt [1]. Sie können durch eine temporäre Fixierung zu einer vorgegebene Geometrie programmiert werden, die in den Aussgangszustand zurück geht, sobald ein externer Reiz auftritt. In den meisten Fällen ist der Stimulus Wärme, aber auch andere Reize, wie elektrischer Strom, Luftfeuchtigkeit, Licht oder magnetische Wechselfelder, sind realisiert worden. Der Effekt basiert nicht auf einer intrinsischen Materialeigenschaft sondern auf der Funktionalität des Materials. Es erfordert die Kombination einer geeigneten molekularen Polymer-Netzwerk-Architektur mit einer ausreichend elastische Verformbarkeit und einer maßgeschneiderte "Programmierung". Im Allgemeinen bestehen diese polymeren Netzwerke aus schaltbaren Segmenten, die durch Netzwerkpunkte, welche die permanenete Form bestimmen, miteinander verbunden sind. Die Netzwerkpunkte können chemische (kovalente) Bindungen oder intermolekulare Wechselwirkungen sein. Die meisten der SMPs sind Zwei-Form-Materialien, die einen einfachen Wechsel von einer temporären zu einer permanenten Form ermöglichen. In der jüngsten Vergangenheit wurden Dreifach-Form-Polymere, die zwei Übergänge realisieren, sowie Multi-Form Polymere, mit mehreren Form-Übergängen, vorgestellt [2].

Abb 1: Schema einer "Formgedächtnis-Membran" mit schaltbaren Porengrößen für die Filtration

All diese Vorgänge sind in der Regel aber nicht reversibel, so dass der Schaltvorgang immer nur in einer Richtung abläuft. Mit der Entwicklung von reversiblen, bidirektionalen Formgedächtnis Polymeren eröffnen sich neue Wege für die Membrantechnik [3].

Zum Beispiel steuert u. a. die Größe des in Membranmaterialien verfügbaren freien Volumens die Permeabilität bei Gas-Diffusions-Membranen. Mit diesem Hintergrund wurden aus thermosensitivem Polyurethan (TSPU) Membranen synthetisiert, deren Wasserdampfpermeabilität über die Temperatur steuerbar ist [4]. Auch im Bereich der Filtrationsmembranen wurden in den letzten Jahren Forschungsarbeiten veröffentlicht, bei denen durch Verwendung von Stimuli sensitiven Materialien gezielt die Porengröße beeinflusst wird [5-7].

Referenzen:
[1] A. Lendlein and T. Sauter, Shape-Memory Effect in Polymers. Macromolecular Chemistry and Physics, 2013. 214(11): p. 1175-1177.
[2] Q. Zhao, M. Behl, and A. Lendlein, Shape-memory polymers with multiple transitions: complex actively moving polymers. Soft Matter, 2013. 9(6): p. 1744.
[3] M. Behl, et al., Reversible bidirectional shape-memory polymers. Adv Mater, 2013. 25(32): p. 4466-9.
[4] Y. Chen, et al., The polyurethane membranes with temperature sensitivity for water vapor permeation. Journal of Membrane Science, 2007. 287(2): p. 192-197.
[5] J.I. Clodt, et al., Double Stimuli-Responsive Isoporous Membranes via Post-Modification of pH-Sensitive Self-Assembled Diblock Copolymer Membranes. Advanced Functional Materials, 2013. 23(6): p. 731-738.
[6] T. Sauter, K. Kratz, and A. Lendlein, Pore-Size Distribution Controls Shape-Memory Properties on the Macro- and Microscale of Polymeric Foams. Macromolecular Chemistry and Physics, 2013. 214(11): p. 1184-1188.
[7] F. Schacher, M. Ulbricht, and A.H.E. Müller, Self-Supporting, Double Stimuli-Responsive Porous Membranes From Polystyrene-block-poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) Diblock Copolymers. Advanced Functional Materials, 2009. 19(7): p. 1040-1045.

(DGMT-Ticker 1/2014 N. Scharnagl)

Korrosion bei der Umkehrosmose zur Wasserentsalzung

"Rust Never Sleeps…" – Korrosion bei der Umkehrosmose zur Wasserentsalzung

"Rust Never Sleeps" ist nicht nur der Titel eines von Neil Young und Crazy H orse 1979 veröffentlichten Musik- Albums, sondern auch ein ewig währender Slogan für Materialwissenschaftler. Bei der Auslegung von Umkehrosmose (RO)-Meerwasserentsalzungsanlagen ist grundsätzlich eine besondere Sorgfalt bei der Auswahl der Materialien notwendig. Diese spielt eine besondere Rolle für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlage. Dazu liegt es auch im primären Interesse der Planer und Betreiber, die Korrosion zu verhindern bzw. zu minimieren. Die wichtigsten Einflussparameter für die Korrosion sind der Chloridgehalt und die Sauerstoffkonzentration des Wassers (besonders im Retentat), der hohe Druck und die erhöhte Wassertemperatur, insbesondere in den wärmeren Regionen der Welt. Daher sind hochlegierte Edelstähle bei dieser Anwendung im Einsatz.
In den meisten Korrosionsschadensfällen wurden Stähle verwendet, die für die spezifische Anwendung eine nicht ausreichende Kontaktkorrosions- oder Lochfraßbeständigkeit aufwiesen. Häufig werden nicht nur Pumpen sondern auch Armaturen / Fittings und Rohrleitungs- systeme geschädigt, wobei neben der mangelnden Korrosionsbeständigkeit häufig auch mangelhafte Materialfertigung (Schweißnaht), Design oder Wartung eine entscheidende Ursache sein können.


Abb 1: Die "korrodierte" NS Otto Hahn nach mehrjährigem Einsatz auf See (Archivbild HZG)


Salzgehalt und Wassertemperatur werden bei Fragen zur  Korrosionsbeständigkeit gerne unterschätzt. Während in Mitteleuropa eine Meerwassertemperatur von unter 20°C als normal einzuschätzen ist, liegt die "normale" Meerwasser- temperatur z. B. im Nahen Osten durchaus über 30°C. Dies erhöht die Anfälligkeit des Materials durch die erhöhte Aktivität z. B. der Chloridionen (und deren gleichzeitig höhere Konzentration im Vergleich zu Mitteleuropa) gegen Lochfraß oder Kontaktkorrosion drastisch. Darüber hinaus kann die Bioaktivität des Seewassers von Region zu Region unterschiedlich sein, vermutlich in tropischen Gebieten eher kritischer. Jedoch liegt der pH-Wert selbst in extremen Fällen (tiefen Mündungen oder Küsten mit hoch produktivem / industriellem Umfeld) zwischen 7.3 und 8.6, was für die Verwendung von Edelstählen unter dem Gesichtspunkt der Korrosion a ls unbedenklich anzusehen ist.

Referenzen:
[1]    N. Larche,  P.  Dezerville and F.D. Le, Corrosion and corrosion management investigations in seawater reverse osmosis desalination plants, Desalin. Water Treat. 51 (2013), 1744-1761.
[2]   J.W. Oldfield and B. Todd, Environmental aspects of corrosion in MSF and RO desalination plants, Desalination 108 (1997), 27-36.
[3]    d.B.B. Van and C. Vandecasteele, Distillation vs. membrane filtration: overview of process evolutions in seawater desalination,   Desalination   143   (2002), 207-218.

(DGMT-Ticker 1/2013 N. Scharnagl)

Phasengrenzflächenpolymerisation

Wie man das Prinzip der Nylonherstellung für die Membrantechnik nutzt – Phasengrenzflächenpolymerisation

Durch die Reaktion von Sebacinsäuredichlorid (Sebacoylchlorid) mit Hexa-methylendiamin (1,6-Diaminohexan) bildet sich Nylon 610® (Abb. 1). Die beiden Komponenten werden in zwei Lösungsmitteln unterschiedlicher Dichte gelöst, die sich nicht miteinander mischen, hier Wasser und n-Hexan. Eine Reaktion kann daher nur an der Berührungsfläche der beiden Phasen stattfinden. Durch diese Phasengrenzflächenpolymerisation ist es z. B. möglich, kontinuierlich einen Faden aus einem Becherglas zu ziehen.

Abb 1: Reaktionsgleichung zur Herstellung von Nylon 610

Auf diesem Prinzip basierend wurde von Cadotte (FilmTec Corporation [1]) eine sehr wirkungsvolle Methode entwickelt, um extrem dünne, fehlstellenfreie Polymerfilme (< 50 nm) zu erhalten. Als poröse Stützstruktur wird meist eine polymerbasierte Ultra- oder Mikrofiltrationsmembran eingesetzt. Diese Membran wird zunächst in eine wässrige Lösung des hydrophilen Monomers (z. B. Polyethylenimid, PEI) getaucht und vollständig benetzt. Die so vorbereitete Membran wird im nächsten Verfahrensschritt in eine organische Lösung des hydrophoben Monomers (z. B. Toluoldiisocyanat (TDI) in Hexan) getaucht. Es erfolgt an der Phasengrenze zwischen beiden Flüssigkeiten die Polymerisation, da sich das hydrophile Monomer PEI nicht in der organischen Lösung (n-Hexan), und das hydrophobe Monomer TDI nicht in Wasser lösen und so nicht vermischen können. Der sich kontinuierlich bildende, sehr dünne Film lässt die Reaktion schnell abklingen, da beide Monomere diesen Film nicht passieren und damit auch nicht mehr miteinander reagieren können. Durch Erwärmen kann zum einen die Reaktion beschleunigt und zum anderen die mechanische Stabilität der entstandenen Kompositmembran durch den einsetzenden Schrumpfungsprozess erhöht werden. Durch Variation der Monomerkonzentrationen beider Lösungen lassen sich
heutzutage die Eigenschaften der selektiven Schicht je nach Anwendung der Umkehrosmosemembran gezielt einstellen.


Referenz:
[1] Cadotte J.E., Interfacially synthesized reverse osmosis membrane (1981) US Patent 4,277,344.

(DGMT-Ticker 2/2012 N. Scharnagl)

Wie man mit Umkehrosmose-Membranen Energie erzeugen kann

Wie man mit Umkehrosmose-Membranen Energie erzeugen kann – Das Prinzip der Osmose als Energiequelle (Pressure Retarded Osmosis - PRO)

Sidney Loeb erkannte als erster das physikalische Prinzip der Osmose als Energiequelle (Pressure-Retarded Osmosis - PRO) [1]. Die nach diesem Prinzip erzeugte Energie hat einen nur äußerst geringen Einfluss auf die Umwelt und gilt als erneuerbar, da weder Salz noch Wasser im Prozess "verbraucht" werden. Von Nachteil sind die nicht optimale Effizienz der Membranen und die, unter anderem dadurch entstehenden, hohen Kosten [2,3].

Sind Süß- und Salzwasser durch eine semipermeable Membran getrennt, so permeiert das Süßwasser durch die Membran auf die Salzwasserseite, auf der sich ein Druck aufbaut. Mit diesem Druck kann eine Turbine zur Stromerzeugung angetrieben werden (s. Abb.). Bei einem Salzgehalt von 3,5 % errechnet sich bei einerTemperatur von 10 °C ein osmotischer Druck von etwa 28 bar. Dieser Druck verringert sich jedoch mit zunehmender Verdünnung, so dass ständig Salzwasser nachgeführt  werden muss. Das Prinzip erzielt die höchste Leistung, wenn die statische Druckdifferenz die Hälfte des osmotischen Druckes beträgt und die andere Hälfte zur Überwindung des Membranwiderstandes zur Verfügung steht.

Für den optimalen Betrieb eines Osmose-Kraftwerks ist ein Betriebsdruck von 11-15 bar notwendig, das entspricht einer Wassersäule von 100-145 Metern in einem hydrostatischen Kraftwerk.

Für einen effizienten Betrieb sollte die Leistung der Membranen bei 4-6 Watt/m² liegen [4]. Die technische Realisierung erfordert spezielle Membranen, die Salze effizient zurückhalten, aber gleichzeitig gut durchlässig für Wasser sind. Wegen des Mangels an geeigneten Membranen konnte das Prinzip in den 1970er Jahren nicht realisiert werden. Seit Mitte der 1990er Jahre gibt es neue Ansätze, um geeignete Membranen aus Polymeren zu entwickeln.

Im Jahr 2003 eröffnete ein großes norwegisches Unternehmen, Statkraft, das erste Labor für durch Osmose erzeugte Energie. Statkraft hat errechnet, dass in Norwegen bis zu 25 TWh/a zur Verfügung stehen würden. Als weltweit erster Prototyp eines Osmosekraftwerks wurde am 24. November 2009 im norwegischen Tofte am Oslofjord ein Kleinstkraftwerk von Statkraft in Betrieb genommen [5].
Als weiteren Schritt unterzeichneten im Juni 2011 STATKRAFT (N) und Nitto- Denko/Hydranautics (JPN) einen Kooperationsvertrag zur Weiterentwicklung von Membranen für diePRO[6].

Referenzen:
[1] S. Loeb, “Osmotic Power Plants,” Science, 1975, vol. 189, pp. 654-655.
[2] S. Loeb, “Production of energy from concentrated brines by pressure-retarded osmosis, 1. Preliminary technical and economic correlations,” J. Membrane Science, 1976, vol. 1, pp. 49-63.
[3] S. Loeb, F. Vanhessen and D. Shahaf, “Production of energy from concentrated brines by pressure-retarded osmosis, 2. Experimental results and projected energy costs,” J. Membrane Science, 1976, vol. 3, pp. 249269.
[4] EU-Abschlussbericht "The Salinity Power Project", 2004, http://cordis.europa.eu/documents/documentlibrary/82766661EN6.pdf
[5] www.nordicenergysolutions.org/inspirational/renewable-energy-where-salt-water-meetsfresh-water
[6] www.statkraft.com/presscentre/pressreleases/statkraft_and_nitto_denko_hydranautics.aspx

(DGMT-Ticker 1/2012 N. Scharnagl)

Warum Cut-Off nicht immer gleich Cut-Off ist

Warum Cut-Off nicht immer gleich Cut-Off ist - Die Bestimmung des molekularen Cut-Offs mittels Gel Permeations Chromatografie (GPC)

Für die Auswahl von Membranen in Ultra- und Mikrofiltration sind Eigenschaften wie Rückhaltung und Fluss sowie chemische, thermische und mechanische Stabilität von großer Wichtigkeit. Dabei stellt jede Anwendung ihre eigenen Anforderungen an die Rückhaltung der Membranen. Der Fluss oder die Permeabilität wird definiert als Volumen, das in einer bestimmten Zeit und bei bestimmter Fläche durch die Membran permeiert. In der Regel wird der Fluss in l/m2 h oder m3/m2 h angegeben, aber auch andere nicht SI-konforme Einheiten finden Verwendung.

 

Rückhaltewerte nach (1) liegen in der Regel zwischen 0 und 1, oder anders zwischen 0 und 100%. Der "Molecular-weight-cut-off (MWCO)" einer Membran repräsentiert die Rückhaltung einer bestimmten Spezies eines Sondenmoleküls mit nominalem Molekulargewicht mit einem bestimmten Rückhaltewert, z. B. 90% Rückhaltung für ein Molekulargewicht von 10000 Dalton. Dieser Wert gilt nur für eine spezifische Membran unter spezifischen Testbedingungen.

Die betrachtete MWCO-Bestimmung basiert auf der Rückhaltung der Moleküle wegen ihrer sterischen Beschaffenheit oder ihrer Größe gegenüber den Membranporen. Typischerweise wird eine Lösung von wasserlöslichen Makromolekülen als Feed-Lösung auf die Membran gegeben und filtriert (Abb. 1). Anschließend werden die Molekulargewichtsverteilung von Feed und Permeat via Gel Permeations Chromatografie (GPC, s.u.) bestimmt. Als Ergebnis erhält man eine Rückhaltekurve (Siebkurve (Abb. 2)) aufgetragen gegen das Molekulargewicht. Der MWCO entspricht in der Regel dem Molekulargewicht, bei dem 90% der Substanz zurückgehalten werden. Die Rückhaltekurve gibt auch Informationen über die Porengrößenverteilung. So entspricht eine scharfe Rückhaltekurve einer engen Porengrößenverteilung.

Eine der Hauptursachen für ungenaue Bestimmungen der Rückhaltung ist die Annahme, dass die Rückhaltung eines Moleküls nur von der Größe des Moleküls und von dessen Form allein abhängt. In Wirklichkeit ist das Eindringen von Makromolekülen in die Poren von der Größe, der Form, den energetischen Wechselwirkungen (z. B. elektrostatisch) zwischen dem gelösten Molekül und dem Membranmaterial sowie der Konzentration am Poreneintritt abhängig. All diese Parameter und ihre Wechselwirkung wiederum hängen zusätzlich von den Eigenschaften der gesamten Lösung, wie pH-Wert, Ionenstärke und Temperatur ab. Die Konzentration am Poreneintritt hängt wiederum von den Filtrationsparametern ab, Konzentrationspolarisation ist hier nur ein Stichwort, ebenso Fouling und Scaling. Adsorption der gelösten Makromoleküle an der Oberfläche der Membran kann ebenfalls zu einer Erhöhung des ermittelten Rückhaltewertes führen und das Ergebnis verfälschen. Daher sollten Ergebnisse aus einer MWCO-Bestimmung nie als Absolutwerte angesehen werden, sie stellen lediglich eine Momentaufnahme der Transportcharakteristiken einer Membran unter einem spezifischen Satz an Messbedingungen dar.

In der Regel wird Dextran oder Polyethylenglykol als Sondenmolekül zur Durchführung der Messungen benutzt. Auf Grund der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften und Wechselwirkungen zwischen diesen Molekülen und dem Membranmaterial sowie möglicher Unterschiede in den experimentellen Messbedingungen (Art der Messzelle, Druckdifferenz, Temperatur und Überströmgeschwindigkeit) unterscheiden sich die Ergebnisse für die ermittelten Rückhalteeigenschaften häufig sehr deutlich.

Die Gel Permeations Chromatografie (GPC) ist eine wichtige chromatografische Technik zur Charakterisierung von Makromolekülen (Abb. 3). Bei der GPC werden die Moleküle entsprechend ihres hydrodynamischen Volumens, das mit dem Molekulargewicht korreliert ist, getrennt. Die Detektion erfolgt in der Regel über einen konzentrationsabhängigen Detektor (UV oder Brechungsindex), kann aber auch viskosimetrisch oder via Lichtstreuung erfolgen.

Referenz:

N. Scharnagl and M. Schossig, Chemie Ingenieur Technik, 2005, 77, 517-52

(DGMT-Ticker 2/2011 N. Scharnagl)

Warum große Moleküle schneller sein können als kleine

Warum große Moleküle schneller sein können als kleine – Das Lösungs-Diffusions-Modell bei der Gastrennung

Von porösen Membranen kennt man, dass in der Regel kleine Moleküle die Membran passieren können währen größere Moleküle von der Membran zurückgehalten werden. Für dieses klassische Prinzip der Filtration sind Porengröße, Porengrößenverteilung und die Porosität die entscheidenden Größen, die die Filtrationseigenschaften beschreiben. Bei dichten, nichtporösen Membranen kann ein Molekül nur dann durch die Membran permeieren, wenn es im Membranmaterial gelöst wird. Dies Löslichkeit wird bestimmt durch die Affinität zwischen dem Membranpolymer und der zu permeierenden niedermolekularen Komponente. Durch das Vorhandensein einer Triebkraft (Konzentrationsdifferenz, Druckdifferenz, etc.) wird diese Komponente mittels Diffusion von einer Seite der Membran zur anderen transportiert. Das Produkt aus Löslichkeitskoeffizient S und Diffusionskoeffizient D ergibt den für eine Komponente spezifischen Permeabilitätskoeffizienten P.

Unter Berücksichtigung des Fick'schen Gesetzes ergibt sich, dass z. B. der Transport einer Komponente durch eine Membran proportional zur Druckdifferenz und umgekehrt proportional zur Membrandicke ist.

Die Trennung von Komponentengemischen erfolgt demnach über die unterschiedlichen Flüsse der Komponenten durch die Membran, deren Verhältnis als Selektivität α bezeichnet wird:

Während der Diffusionskoeffizient mit zunehmender Molekülgröße abnimmt, steigt die Löslichkeit einer Komponente mit wachsender Molekülgröße an. Im Falle das die Löslichkeit einer Komponente zur dominanten Größe wird, wird diese Komponente schneller durch eine Membran permeieren als eine Komponente mir geringerer Löslichkeit bei vergleichbaren Diffusionskoeffizienten. So passiert Sauerstoff eine Schicht aus Silikon (PDMS) etwa doppelt so schnell wie Stickstoff, oder aber höhere Kohlenwasserstoffe (n-Butan, Pentan, etc.) die gleiche Membran schneller als Sauerstoff (z.B. bei der Benzindampfrückgewinnung). Die nachfolgende Grafik veranschaulicht die Einflüsse der beiden Kenngrößen in Abhängigkeit vom Molvolumen.

(DGMT-Ticker 1/2011 N. Scharnagl)

Die Bubble-Point Methode (Gas-Flüssigkeits-Porosimetrie)

Die Bubble-Point Methode (Gas-Flüssigkeits-Porosimetrie)

Bei dieser Methode wird die Membran oder der zu messende poröse Körper mit einer Flüssigkeit gefüllt und ein Gasdruck von der Rückseite her angelegt (s. Abbildung). Die Druckdifferenz, die nötig ist um die Flüssigkeit aus einer Pore zu verdrängen wird unter der Annahme, dass es sich um eine zylindrische Porengeometrie handelt, zur Berechnung des Porenradius rp mit Hilfe der LaPlace- Gleichung (1) herangezogen. Die Oberflächenspannung (Gas/Flüssigkeit) γ und der Kontaktwinkel (Flüssigkeit/Gas/Membranmaterial) Θ werden zur Berechnung benötigt. Entstehende Gasblasen, die den Gasdurchtritt signalisieren, werden optisch oder aber mit elektronischen Flusssensoren bestimmt. Während der Gasdruck ∆p erhöht wird, werden immer kleinere Poren entleert. Misst man das gesamte Gasvolumen, das zur Verdrängung der Flüssigkeit benötigt wurde, so kann man die Porengrößenverteilung bestimmen.

Bei der Bestimmung der größten vorhandenen Pore in einem porösen Körper können bei dieser Methode Schwierigkeiten auftreten. Außerdem sind die Ergebnisse von der verwendeten Flüssigkeit (andere Oberflächenspannung) abhängig. Des Weiteren haben die Länge der Pore und die Schritte, in denen die Druckdifferenz erhöht wird Einfluss auf die Messergebnisse. Diese Unzulänglichkeiten werden in der Regel durch ein speziell angepasstes Equipment und empirische Korrekturfaktoren ausgeglichen. Generell findet die Methode Einsatz bei Porendurchmessern > 150 nm, da mit sinkendem Porendurchmesser der Druck stark ansteigt (s. Tabelle).

(DGMT-Ticker 1/2010 N. Scharnagl)

Keramische Membranen
Keramische Membranen

Keramische Membranen

Bislang haben wir in dieser Rubrik nur Membranen vorgestellt, die auf organischem Material bzw. Polymeren basieren. In dieser Ausgabe wollen wir nun kurz auf anorganische Materialien und im speziellen auf Membranen auf keramischer Basis eingehen.

Keramische Membranen haben deutliche Vorteile wenn es um den Einsatz bei höheren Arbeitstemperaturen (>150°C) geht. Gegenüber Polymermaterialien zeichnen sie sich durch hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität aus. Zur Verfügung stehen Rohrmodule ebenso wie Flachmembranen. Als Materialien werden dispergierte Pulver auf Aluminium-, Silicium- oder Borsilikatbasis eingesetzt, die eine homogene, von Schicht zu Schicht reduzierte, Korngröße aufweisen welche in der finalen Schicht letztlich die Trenngrenze bestimmt. Flachmembranen entstehen z.B. durch ein Foliengießverfahren im Mehrschichtaufbau mit selektiven Schichten unterschiedlicher Porengrößen. Nachfolgende Präge- und Laminierprozesse der flexiblen Folien führen zu einem planaren Multikanalelement mit äußerer Membranschicht. Diese Multikanalelement- Einheit wird als Gesamtes in einem einzigen thermischen Prozess im kontinuierlichen Fertigungsprozess gebrannt. Rohr-Membranen mit Mono- oder Multikanal- Geometrie werden in einem Strangpressverfahren vorgeformt, bevor sie schließlich gebrannt werden. Durch spezielle Hydrophobierungsverfahren wird die Benetzbarkeit für organische Lösemittel eingestellt.

Ihr vielfältiges Einsatzgebiet umfasst die Lebensmittel-, Umwelt- und chemische Industrie. Besonderes Anwendungspotential besitzen diese Membranen zur Lösemittelreinigung und Abtrennung von Wertprodukten aus Reaktionsgemischen.

(DGMT-Ticker 2/2009 N. Scharnagl)

Hohlfaden-Membranen
Hohlfaden-Membranen

Hohlfaden-Membranen

Nach dem gleichen Verfahren wie Flachmembranen werden auch Hohlfaden-Membranen aus polymerbasierten Materialien gefertigt. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Spinndüse, die gewährleisten muss, dass der Hohlfaden während des Spinnprozesses nicht kollabiert. Dies wird durch ein sog. Innenlumen sichergestellt. Im einfachsten Fall nutzt man dafür ein Inertgas wie Argon oder Stickstoff. Zusätzlich kann man die Feuchtigkeit des Gases einstellen und damit die Fällung des Materials auch von der Innenseite beeinflussen, während der Faden als solches in ein dafür vorgesehenes Fällbad taucht und es dort zur Phaseninversion kommt. Auf diese Weise lassen sich komplexe Morphologien von Membranen erzeugen. Neuerdings werden aber Hohlfaden-Membranen auch durch Schmelzextrusion erzeugt. Die Porosität wird dabei durch ein beim Austritt aus der Düse sich expandierendes Gas erzeugt.

Hauptanwendungsgebiete von Hohlfaden-Membranen sind, neben der Wasseraufbereitung, der Einsatz als künstliche Niere, Nanofiltration und Umkehrosmose aber auch die blasenfreie Begasung von Flüssigkeiten und Befeuchtungsvorgänge.

(DGMT-Ticker 1/2009 N. Scharnagl)

Phaseninversions Membranen
Phaseninversions Membranen

Phaseninversions Membranen

Phaseninversion ist das am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung kommerzieller Polymer-Membranen. Es ist damit möglich, fast alle Morphologien zu erzeugen. Dabei wird das Polymer von einem flüssigen Zustand (meist in einem Lösemittel gelöst) in einen festen Zustand überführt. Neben der Tauchfällung, bei der in der Regel die Polymerlösung auf einen Träger (z.B. Vlies) aufgebracht und in einem Tauchbad gefällt wird, gibt es noch andere Inversionsmethoden, wie Lösemittel- Verdampfung. Heut zu Tage ist die Tauchfällung die gängigste Methode. Dabei wird der Prozess durch Parameter wie Polymerkonzentration im Lösemittel, Zusammensetzung des Fällbades, Fällbadtemperatur, Luftfeuchtigkeit und Länge der Verfahrenstrecke gesteuert. All diese Parameter beeinflussen den transmembranen Fluss und die Rückhaltungseigenschaften der Membran. Es können sowohl Flachmembranen als auch Hohlfadenmembranen nach diesem Prozess erzeugt werden. In einigen Fällen ist eine Nachbehandlung, z.B. zur Hydrophilisierung, notwendig.

(DGMT-Ticker 2/2008 N. Scharnagl)

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