Wasseraufbereitung mit Hohlfasermembranen
Hohlfasermembran Grafik

Im Kampf gegen Bakterien, Viren & Co im Abwasser können Hohlfasermembranen gentutzt werden, welche die Verunreinigungen herausfiltern. Damit sich in diesen Membranen jedoch keine Ablagerungen bilden, können Kunststoff-Additive eingesetzt werden. Mehr dazu: Der Kampf gegen Bakterien, Viren & Co


Institut für Polymerforschung
Funktionale Werkstoffsysteme

Polymerforschung

Wie Membranen für eine effektive Stofftrennung sorgen

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In Geesthacht werden Flachmembranen hergestellt. Foto: HZG/Christian Schmid

Ob in der chemischen Industrie, der Trinkwasserreinigung oder der Abtrennung von CO2 – überall in der industriellen Trenntechnik müssen Stoffe voneinander getrennt werden. Bislang geschieht das oft mit energiefressenden thermischen Methoden: Stoffgemische werden zum Beispiel erhitzt und verdampft. Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht arbeitet an effizienteren, ressourcenschonenden Trennverfahren – etwa an Membranen, die energiesparend Methan im Biogas anreichern oder Arzneimittelrückstände aus dem Wasser filtern.

Um verschiedene Flüssigkeiten voneinander zu trennen, setzen die Fachleute auf überaus feine Membranen. Die teils nanometerkleinen Poren dieser molekularen Siebe sind so dimensioniert, dass im Wesentlichen nur die abzutrennenden Moleküle durch sie hindurchschlüpfen – größere Moleküle oder Teilchen können nicht passieren.

Vom Molekül bis zur Pilotanlage

Was sind Membranen? Woraus bestehen sie? Und wofür werden sie angewendet?


Herstellungsverfahren

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Flüssiges Polymer wird in die Membranziehmaschine gefüllt. Foto: HZG/Christian Schmid

Das aber kann nur funktionieren, wenn die Poren eine möglichst einheitliche, definierte Größe aufweisen. Das schaffen die Wissenschaftler durch raffinierte Herstellungsverfahren: Unter anderem verwenden sie maßgeschneiderte Makromoleküle, sogenannte Blockcopolymere. Diese besitzen ein wasserabweisendes und ein fettabweisendes Ende. Unter geeigneten Bedingungen können sich diese Moleküle in einem Wasserbad so ausrichten, dass sie lauter Ringe von definierter Größe bilden – die Poren der Membran. In der Forschung geht es darum, diese Systeme thermisch, mechanisch und chemisch stabil sowie dauerhaft haltbar zu machen. Verwendung finden sollen sie unter anderem in kleinen, dezentralen Trinkwasseraufbereitungsanlagen und für Trennaufgaben in der Biotechnologie.

Schaltbare Membranen

Schaltbare Membran

Bild: Jule Clodt, aus Adv. Funct. Mat. No.6 Feb 2013

Ist eine Membran über längere Zeit in Betrieb, droht sie durch „Schmutzmoleküle“ zu verstopfen. Hier setzen die Experten auf eine clevere Gegenstrategie: Sie machen die Membran schaltbar. Das Prinzip: Ein Impuls von außen – zum Beispiel Änderungen der Temperatur oder des pH-Wertes – dehnt und weitet die Poren, sodass sich der Schmutz einfach herausspülen lässt. Anschließend verengen sich die Poren wieder und können ihre Siebwirkung erneut aufnehmen. Nach demselben Prinzip lassen sich auch doppelschaltbare Membranen bauen, die mehrere, verschieden große Arzneimittelrückstände aus dem Wasser filtern könnten.

Trennung von Gasen

Duennschichtkomposit

Dünnschichtkompositmembran für die Gasseparation Bild: Sergey Shishatskiy

Zur Trennung von Gasen braucht es andere Membranen. Statt winzige Poren zu besitzen, sind sie dicht. Hier funktioniert der Trennvorgang so, dass das gewünschte Gas gut in der Membran gelöst wird und dann zur anderen Seite diffundiert, sozusagen hindurchsickert. Die unerwünschten Gase dagegen werden schlecht gelöst, können also auch nur bedingt durch die Membran hindurchtreten.

Besonders bei der Abtrennung von CO2 oder bei der Anreicherung von Stickstoff sind die in Geesthacht entwickelten Membrantechniken führend. Sie könnten zum Beispiel den Stickoxidausstoß in Schiffsmotoren mindern. Praktisch erprobt wird ihr Einsatz in der Aufbereitung von Biogas. Eine Biogasanlage erzeugt stets ein Gemisch aus Methan und CO2. Für eine Einspeisung ins Erdgasnetz müsste man einen Großteil des CO2 abtrennen, was durch die Membranen effektiv erfolgt. Dies wird bislang in einer Pilotanlage gezeigt.

Auch aus Abgasen von Kohle- oder Gaskraftwerken lässt sich CO2 per Membran abscheiden. Auf dem HZG-Gelände gibt es eine Pilotanlage, die gespeist wird von Abgasen eines Blockheizkraftwerks. Hier untersuchen die Forscher über mehrere Monate hinweg die Langzeitstabilität und die Trennleistung ihres Systems. Eine originelle Anwendung ist der Hamburger „Algenhaus“-Prototyp, der 2013 im Stadtteil Wilhelmsburg in Betrieb ging. Hier reichern Membranen das Kohlendioxid aus den Heizungsabgasen an, um die in der Hausfassade integrierten Algen zu „füttern“. Sind die Algen „reif“, lassen sie sich unter anderem zur Produktion von Biogas verwenden.

Das perfekte Polymer

Mixen, rühren, erhitzen: Die rund 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Institut für Polymerforschung am Standort Geesthacht kochen selber und probieren neue Rezepte aus. Ihr gemeinsames Ziel: Das perfekte Polymer zu entwickeln für unterschiedliche Anwendungen in der Stofftrennung