Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung innovativer Glasmembranen auf der Basis von Kapillarsuspensionen

Die steigende Bedeutung von Anwendungen in chemisch aggressiven Medien und/oder bei hohen Temperaturen im Bereich der Mikrofiltration spiegelt sich deutlich in einer erhöhten Nachfrage an anorganischen Filtermaterialien wider.

Deren Vorteile hinsichtlich thermischer, chemischer und mechanischer Beständigkeit resultieren in längeren Stand- und Lebenszeiten im Vergleich zu organischen Filtermaterialien. In dem hier geplanten Forschungsvorhaben sollen über ein kürzlich am KIT ausgearbeitetes Verfahren Glasmembranen mit in vieler Hinsicht einzigartigen Spezifikationen entwickelt werden. Diese Filter zeichnen sich durch bisher unerreichte mechanische Festigkeit, geringen Filtrationswiderstand, besonders hohe Trennschärfe und gutes Rückspülvermögen aus. Porengrößen zwischen 0,1 - 250 μm und offene Porositäten > 50 % sind einstellbar. Damit können die Bereiche Mikrofiltration und Filtration abgedeckt werden.

Diese innovativen Spezifikationen sollen durch gezielte Einstellung der Porenrauigkeit erreicht werden. Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf der Kontrolle des Sinterschrumpfs und der Minimierung von Nachbearbeitungsschritten, um Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz des Herstellverfahrens zu verbessern. Vor allem aber soll das Konzept auf industriell relevante Produktionsverfahren und Filtergeometrien angepasst werden. Daher soll die Herstellung asymmetrischer Membranen und die Extrusion von Hohlrohren ausgearbeitet und evaluiert werden.

Die neuartigen Glasfilter ermöglichen es den KMU Märkte zu erschließen, die bisher primär durch Keramik- oder Polymermembranen abgedeckt werden. Dabei bieten die Glasfilter wirtschaftliche Vorteile, denn sie heben sich sowohl bei den Herstellungs- als auch den Betriebskosten von anderen Membranmaterialien ab. Die teilnehmenden KMU erhalten somit den Zugang zu einer neuartigen Technologie, die zu konkurrenzfähigen Produkten in verschiedensten Anwendungsbereichen führt.

Ergebniszusammenfassung:

Ein Verfahren zur Herstellung homogener, mechanisch stabiler, riss- und defektfreier Glasmembranen wurde entwickelt.

Pasten auf der Basis von Kapillarsuspensionen mit Glaspartikeln als fester Phase wurden formuliert. Trocknungs- und Sinterprozeduren zur Vermeidung von Sinterhaut oder Defekt- und Rissbildung wurden ausgearbeitet. Porengröße und Porosität können durch geeignete Pastenzusammensetzung (Partikelgröße, Zweitphasenanteil) und Prozessbedingungen in weiten Bereichen variiert werden.

Es wurden einfache Glasmembranen sowie asymmetrische Membranen, bestehend aus einer dünnen feinporigen Filtrationsschicht und einer stabilen, grobporigen Trägerschicht hergestellt. Die Extrusion von Hohlrohr-Membranen konnte nicht umgesetzt werden.

In der Druck- und Querstromfiltration von Milchsäurebakterien und Polystyrolkugeln (< 1 μm Durchmesser) zeigten die so hergestellten Membranen höhere Permeabilität und höhere Filtrationsleistung als nach konventionelle Verfahren, aus dem gleichen Glaspulver hergestellte Filter.

Anwendungen für Filter mit Porengrößen zwischen 0,1 – 250 μm liegen u.a. in folgenden Bereichen, die grundsätzlich alle mit den hier entwickelten Membranen adressiert werden können:

• Filtration von Fruchtsäften, Wein und Bier (Hefe) (trüb → klar)

• Trinkwasserfiltration

• Filtration von Lösungsmitteln (Recycling)

• Filtration von Bakterien (z.B. E. coli; Laugen in der Käse- und Fleischherstellung)

• Trennung von Milchproteinen

• Filtration des Abwassers in der chemischen Industrie

• Abscheidung von Staubpartikeln aus Heizgas (Zementherstellung)

• Heizgase, die auf Wärmetauscher geleitet werden, um bspw. Heißdampf zu erzeugen

• Abgase bei der thermischen Reinigung kontaminierter Böden

Weitere Entwicklungsarbeiten wären erforderlich, um extrudierte Membranen oder im extrusionsbasierten 3D Druck herstellbare komplexe Filtergeometrien bereitstellen zu können.