Herstellung von Multi-Channel-Kapillarmembranen

Neben den klassischen verfahrenstechnischen Stofftrennoperationen wie Destillation, Extraktion oder Absorption hat sich die Membranfiltration zu einem Trennverfahren entwickelt, das im Prinzip für alle fluiden Medien einsetzbar ist. Dabei wurden von der Blutreinigung über Wertstoffrückgewinnung bis hin zur Trinkwasseraufbereitung Membranverfahren eingesetzt.

Ziel des vorliegenden Projektes war die Fertigung eines neuen Spinndüsensystems für die Herstellung von Multi-Channel-Kapillarmembranen, welche eine Spezialform von Membranen darstellte. Die Spinndüse formte ein vorgemischtes, in „Nonsolvent“ (z. B. Wasser) erhärtbares Kunststoffpolymer zu einer Kapillarmembran mit Poren und leitete gleichzeitig z. B. Wasser in das Innere dieser Poren zur Aushärtung ein. Die Außenseite der Membran wurde durch Einleitung in ein externes Koagulationsbad zur Aushärtung gebracht. Dieser Prozess wurde auch als Phaseninversionsprozess bezeichnet. Kapillarmembrane (mit ungefähr 1-2 mm Außendurchmesser) sind nur mit einer Pore ausgeführt, was sie sehr dünn und daher mechanisch instabil und schwer handhabbar macht. Multi-Channel-Kapillarmembrane sind derzeit mit bis zu sieben Poren pro Membran ausgestattet, was eine schnellere und effizientere Produktion bei geringerem Materialeinsatz sowie eine leichtere Verarbeitung zu einem Membranmodul verspricht. Auch die Durchflusswerte einer solchen Membran sind dadurch signifikant erhöht.

Technisch hergestellte Multi-Channel-Kapillarmembranen wurden z. B. aus Keramiken wie Aluminiumoxid gefertigt. Diese weisen zwar eine hohe chemische Stabilität auf, sind allerdings aufgrund des Verarbeitungsprozesses teuer und - insbesondere bei Temperaturschwankungen - mechanisch instabil.

Durch die Herstellung und Anwendung der geplanten Spinndüse soll es möglich sein, den Phaseninversionsprozess und die damit verbundenen Vorteile der Materialvielfalt auf diese spezielle Membranart anzuwenden. Aus der Kombination des Phaseninversionsverfahrens und der Multi- Channel-Technologie sind selektive, chemisch stabile Membrane möglich, die hohe Durchsatzraten bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität aufweisen können. Letztendlich sind Hochleistungsmembrane bei geringen Herstellungs- und Betriebskosten zu erwarten.

Das Projekt soll den beteiligten Schüler/innen einen Einblick in angewandte Forschung und Entwicklung im Bereich der Verfahrenstechnik geben. Dabei wurden in mehreren Schüler/innendiplomarbeiten die Entwicklung des Düsen- und Fördersystems selbständig erarbeitet und auf die gegebenen Erfordernisse wie chemische Stabilität, Förderung hochviskoser Fluide, Druckbeständigkeit etc. untersucht.