Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Magnetisch-induktiv heizbare Hohlfasermembranen für eine effiziente Abtrennung von Wasser aus Gasströmen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von funktionalen Hohlfasermembranen mit Kombination der zwei Funktionen adsorptiver Entfernung und magnetisch-induktiver Beheizung durch die Nutzung der Mixed-Matrix-Membran-Technologie. Die Anwendungen Wasserentfernung und -gewinnung greifen relevante industrielle und globale humanitäre Herausforderungen auf, welche durch die vorgestellte Technologie bewältigt werden können.

Das technische Konzept der magnetisch-induktiv heizbaren Hohlfasern mit funktionalen Adsorbenzien: Die magnetisch heizbaren Hohlfasern bestehen aus einer mikroporösen Mixed-Matrix-Hohlfaser mit eingebetteten magnetischen Nanopartikeln (MNP) und funktionalen Adsorbenspartikeln. An das Adsorbens adsorbiert das zu entfernende Wasser aus dem Trägergasstrom. Zur Regeneration werden die MNP mit einem magnetischen Wechselfeld induktiv angeregt. Dies führt zur Erwärmung der MNP und das Wasser am Adsorbens desorbiert. Dieser zyklische Prozess wird als magnetisch induzierte Temperaturwechseladsorption (MISA) bezeichnet.

Es besteht branchenübergreifendes Interesse an den Forschungsergebnissen. KMU können die Forschungsergebnisse direkt in bestehende Hohlfaser-Produktionsprozesse ohne zusätzliche Schritte integrieren. Die Kombination von Hohlfasern, MNP und Adsorbenzien führt zu neuen Produkten, die für die KMUs neue Marktfelder eröffnen. Ebenfalls profitieren KMUs als Endanwender von der Technologie durch Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung. Universelle Einsetzbarkeit garantiert die Kombination der magnetisch heizbaren Hohlfaser als Technologieplattform mit spezifisch modifizierbaren Adsorbenzien. Gleichzeitig ist das System skalierbar für kleine dezentrale und große integrierte Systeme auszulegen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Hohl- und Vollfasern hergestellt, die durch Integration von Fe3O4 Nanopartikeln magnetisch-induktiv heizbar gemacht wurden. Mittels eines Induktionsheizgerätes war es möglich die Fasern innerhalb von Sekunden auf Temperaturen zu heizen, die für eine Desorption von Wasser im späteren Trocknungsprozess notwendig sind. Durch das lokale Erwärmen der Fasern ohne direkte Erwärmung des Gehäuses der Anlage, konnte so ein effizienter Prozess zum Erreichen der Desorptionstemperatur etabliert werden. Des Weiteren konnten in die Fasern Adsorbenzien integriert werden, die selektiv Wasser aus Prozessgasströmen adsorbieren können. Es wurde gezeigt, dass die innere Oberfläche des Adsorbenz auch innerhalb der Polymermatrix zur Adsorption zur Verfügung steht. Durch Zugabe von Dispergieradditiven wurde es möglich MMM Fasern mit hohen Partikelbeladungen im Nassspinnprozess kontinuierlich herzustellen. Dabei konnten keine negativen Effekte auf die einzelnen Teilfunktionen der Partikel durch die Kombination in einer Faser festgestellt werden. Die Heizbarkeit als auch die Adsorptionsoberfläche werden durch Zugabe der jeweils anderen Partikel nicht negativ beeinflusst.

In einem Versuchsaufbau für magnetisch-induktive Temperatur-Wechseladsorption (MISA) konnten die hergestellten Fasern hinsichtlich ihrer Eignung für die Trocknung von Prozessgasen getestet werden. Neben dieser Anwendung wurde das desorbierte Wasser auch auskondensiert, was die Technologie auch zur Wassergewinnung aus Umgebungsluft unter Wüstenbedingungen zur Trinkwasserversorgung nutzbar macht.

Es wurde gezeigt, dass mit der ausgearbeiteten Technologie eine Trocknung von Prozessgasen auf bis zu 20 % relative Feuchtigkeit möglich ist. Die Desorption mittels MISA ist ebenfalls erfolgreich in nur 45 min durchgeführt worden.