Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Unterstützung des Reinigungsprozesses von Membranen durch amphotere Oberflächen

Eine große Einschränkung des Membranprozesses ist, dass es während der Filtration zu der Ablagerung von leistungsmindernden Verschmutzungen auf der Membranoberfläche kommt – dem sogenannten Fouling. Diese müssen durch regelmäßige Spülvorgänge und chemische Reinigung entfernt werden um die Leistungsfähigkeit der Membran zu erhalten. Die Kosten der Chemikalien und die Stillstandzeiten stellen eine beachtliche wirtschaftliche Belastung für den Betreiber dar. Die Lebensdauer der Membranen leidet dabei unter zu harten Reinigungsbedingungen, aber auch unter ungenügender Reinigung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Membranreinigungsprozess durch eine amphotere Gestaltung der Membranoberfläche zu unterstützen. Die Oberflächenladung der Membran ändert sich dann in Abhängigkeit des pH-Wertes des sie umgebenden Mediums. Am isoelektrischen Punkt liegen diese mit nach außen neutralen zwitterionischen Oberflächen vor, je nach pH-Wert können sie jedoch protoniert und somit kationisch geladen oder deprotoniert und somit anionisch geladen vorliegen. Gleichgeladene ionische Verunreinigungen werden jeweils von dieser Oberfläche abgestoßen, was die Reinigung erleichtert. Bei extremer werdenden pH-Werten wird durch zunehmende Ionisierung die Oberfläche zudem hydrophiler und auch ungeladene Verunreinigungen werden von der Oberfläche besser abgelöst.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen Polyethersulfon-Membranen mit amphoter ausgestatteten Oberflächen durch Blenden des Membranpolymers mit einem Blockcopolymer hergestellt werden. Dabei besteht zumindest einer der Blöcke des Blockcopolymers aus einem wasserunlöslichen Polymer, um eine Verankerung und des Blockcopolymers zu erzielen. Weiterhin enthält das Blockcopolymer hydrophile amphotere Blöcke, die sich an der Membranoberfläche anreichern. Das Blockcopolymer soll der Membrangießlösung in einem geringen Prozentsatz zugesetzt werden, so dass eine Funktionalisierung ohne weitere Prozessschritte stattfinden kann.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde das pH-abhängige Adsorptions- und Desorptionsverhalten von Membranen mit Farbstoffen als Modellsubstanz gezeigt. Die Textilindustrie verbraucht sehr viel Wasser und ist der zweitgrößte Wasserverursacher der Welt. Fast 20 % der weltweiten industriellen Wasserverschmutzung stammt aus der Faserproduktion und der Faserverarbeitung, d.h. dem Färben und der Textilveredelung.

Die in diesem Projekt entwickelten Copolymere vermeiden das Abwaschen der Antifouling-Eigenschaften von Membranen mit der Zeit. PES im Copolymer fungierte als Verankerungsblock, um die gesamten Additivketten in der PES-Membran zu verankern, und amphoteres PSBMA im Copolymer fungiert als Lieferant für Hydrophilie und für Fouling-Widerstandseigenschaften, indem es die Energiebarriere einer starken Hydratationsschicht schafft, die die Foulantadsorption energetisch ungünstig macht. Zusätzlich zeigt PSBMA im Copolymer eine bemerkenswerte pH-Wert-Empfindlichkeit aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung von Foulantien zwischen negativ geladenen Sulfobetaingruppen und positiv geladenen Ammoniumgruppen. Um eine ausgezeichnete thermodynamische Kompatibilität und Mischbarkeit zu gewährleisten, wurde PES als Basispolymer verwendet, um den Großteil der Membran und den hydrophoben Teil des Copolymers herzustellen. Dabei wurde keine Schichtablösung durch amphotere Additive festgestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass PSBMA-Blöcke während der

Koagulation in der Lage waren, sich auf der PES-Membranoberfläche und den inneren Porenwänden anzureichern, da die starke Tendenz von hydrophilem PSBMA zur Migration zur Membranoberfläche (Polymer-Wasser-Grenzfläche) besteht. Die Modifikation der Membranen und die Bildung der amphoteren Schicht ohne jeglichen Eingriff, allein durch die Selbstorganisation, ist den Methoden der Postfunktionalisierung überlegen und steht weniger Hindernissen bei der Skalierung und Umsetzung in reale Produkte gegenüber.