Herstellung und Charakterisierung beschichteter Membranen mit schaltbaren Trenneigenschaften

Projektziel

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, Membranen mit elektrochemisch schaltbaren, bzw. veränderbaren Trenneigenschaften zu entwickeln, so dass die Trenneigenschaften vor oder auch während eines Trennprozesses gezielt angepasst werden können.

Dies soll durch eine Beschichtung konventioneller Membranen mit leitfähigen Polymeren, wie z.B. Polypyrrol (PPy), erreicht werden. Bei der Polarisation leitfähiger Polymere ändert sich deren Struktur, Volumen, Permselektivität und Benetzbarkeit in Abhängigkeit vom Oxidationsgrad der Polymere.

Mit diesen modifizierten Membranen kann das Trennverhalten der Membranen und damit auch die Durchlässigkeit für bestimmte Stoffe, z.B. Ionen oder auch pharmazeutische Wirkstoffe, gesteuert werden.

Stand der Arbeiten

Es wurden ein Polymerisationsverfahren und eine Beschichtungs-Zelle entwickelt und verschiedene Membranen, wie z.B. Filtrations- und Ionenaustauscher-Membranen mit PPy beschichtet.

Bei der Beschichtung verschiedene Anionen als Gegenionen in das leitfähige Polymer eingebaut. Diese Gegenionen haben auch einen Einfluss auf die Trenneigenschaften.

Die beschichteten Membranen werden mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Cyclovoltammetrie (CV) charakterisiert. Die Permeabilität und die Permselektivität der beschichteten Membranen werden mit verschiedenen Filtrationstests untersucht.

Die PPy-Schichten können an die Membraneigenschaften angepasst werden, so dass die Filtrationseigenschaften der Membranen nicht beeinträchtigt oder sogar verbessert werden.

Die Versuche zur Schaltbarkeit der beschichteten Membranen zeigen, dass eine konventionelle Filtrationsmembran durch eine Beschichtung mit PPy mit PSS-Gegenionen steuerbare permselektive Trenneigenschaften erhält.

Bei kathodischer Polarisation nimmt die beschichtete Membran Ca-Ionen auf und die Ca-Konzentration im Permeat sinkt. Wird die Membran anodisch polarisiert, so werden die zuvor in der Membran zurückgehaltenen Ca-Ionen wieder abgegeben und die Ca-Konzentration im Permeat steigt an.

Zusätzlich kann gezeigt werden, dass die Verblockung bzw. das Scaling von Membranen, z.B. bei der Filtration von Leitungswasser, durch die Polarisation der beschichteten Membranen verringert werden kann.

Auch das Auftreten von Biofouling auf den Membranen kann durch die Polarisation der Beschichtung reduziert werden (Patent EP 1777250).

Zur Zeit wird geprüft, ob die beschichteten Membranen als Ionenpumpen und zur Aufreinigung von ionischen Flüssigkeiten eingesetzt werden können.

Das IGF-Vorhaben Nr. der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.