Nanopartikulär stabilisierte polymere Filtermembranen für die Ultrafiltration mit optimierten Eigenschaftsprofil für technische Anwendungen

Projektlaufzeit:

06/2010 - 05/2013

Projektleitung (Organisationseinheit):

Prof. Dr. rer. nat. Hardy Müller (Fakultät Automobil- und Maschinenbau)

Projekttyp:

WHZ-Forschungsprojekt

Kontakt:

Prof. Dr. rer. nat. Hardy Müller

+49 (3765) 5521 37
hardy.muellerfh-zwickaude

Fördermittelgeber:

BMWi

Situation

Ultrafiltrationsmembranen auf Polymerbasis (Polyethersulfon) trennen durch den sogenannten Siebeffekt im Wesentlichen Makromoleküle aus Polymerlösungen, Viren und Bakterien aus Flüssigkeiten sowie Suspensionen oder Emulsionen, deren Teilchengröße größer ist als der mittlere Durchmesser der Membranporen. Dazu werden besonders wässrige Medien bevorzugt. Der Porenbereich von asymmetrischen Ultrafiltrationsmembranen liegt zwischen 0,1 – 0,01 μm, die Arbeitsdrücke im Bereich von 0,5 bis 10 bar.

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Eingesetzt werden die Ultrafiltrationsmembranen im Bereich der Trinkwasseraufbereitung, zur Aufbereitung des Wassers z. B. in Schwimmbädern und in der Abwasserbehandlung. Vorteil dabei ist die nahezu sterile Filtration durch die gewählte Porenweite der trennaktiven Schicht und die dadurch bedingte Abscheidung pathogener Keime.

Aufgabe

In Rahmen des durch das BMBF geförderten Projektes sollen durch das Einbringen von nanoskaligen Partikeln druck- und medienstabilere Ultrafiltrationsmembranen hergestellt werden. Das Einbringen der Partikel kann auf verschiedene Arten realisiert werden:

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Ziel ist es, durch gezielte Membranmodifizierung die mechanische Beständigkeit der Membran zu erhöhen und die Membranoberfläche so zu beeinflussen, dass diese weniger anfällig für so genannte Biofilme ist. Biofilme sind dünne schleimartige Schichten, in denen sich Mikroorganismen befinden, die sich auf Basis der Wasserverunreinigungen ernähren und zu einer Reduzierung der selektiven Permeabilität führen. Zielführend sollen durch das Einbringen der Nanopartikel die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit der Membranen erhöht werden.

Ergebnis

In verschiedenen Versuchsreihen wurden Nanopulver in die Standard-Polymerlösung mit den oben beschriebenen Einarbeitungsmöglichkeiten dispergiert. Die Menge des eingearbeiteten Nanopulver lag in einem Konzentrationsbereich von 0,2 - 5 %. Die Polymerlösung wurde in einem kontinuierlichen Prozess unter Verwendung eines Filmziehgerätes auf ein Vlies gerakelt und anschließend im Koagulationsbad ausgefällt, um sogenannte Flachmembranen zu erzeugen. Die nachfolgend mit Hilfe der typischen embraneigenschaften wie Wasserfluss, Bubble Point und Rückhalt charakterisierten modifizierten Membranen zeigen gegenüber unmodifizierten Membranen, dass keine signifikanten Unterschiede in den Betriebsparametern zu verzeichnen sind.

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Um die Mechanische Stabilität von modifizierten und unmodifizierten Membranen zu beurteilen, wurde in Anlehnung an die mechanische Belastungen im Filterbetrieb ein Test entwickelt bei welchem ein Polymer Granulat auf der Membranoberfläche abrasiv auf der Membranoberfläche bewegt wird.

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Der Zusatz von Nanopartikeln durch geeignete Mischtechniken erlaubt die Herstellung von Membranen mit guten iltrationseigenschaften. Verbesserungen in den Standzeiten, der Einfluss der Oberflächenpolarität und -struktur durch die verschiedenen nanopartikulären Modifizierungen auf die Bildung von Biofilmen und die mechanische Membranstabilität sind Gegenstand laufender Untersuchungen.