Keramische Kapillarmembranen

Keramische Materialien weisen im Allgemeinen eine sehr gute chemische, thermische und mechanische Stabilität auf. Deshalb werden keramische Membranen vielfach zur Filtration von Flüssigkeiten in der Lebensmittelindustrie, der chemischen und pharmazeutischen Industrie und in der Bioverfahrenstechnik eingesetzt. Keramische Membranen sind in verschiedenen Geometrien erhältlich, z. B. als Platten, Rotationsscheiben, Röhren oder Multikanalelemente. Diese kommerziell verfügbaren Membranen sind allerdings relativ schwer und ihre Herstellung ist kostenaufwändig. Die Flächendichte der Elemente liegt vielfach weit unter 1 000 m2/m3.

In vielerlei Hinsicht stellt die Hohlfaser (Außendurchmesser < 0,5 mm) bzw. Kapillare (Außendurchmesser > 0,5 mm) die optimale Membrangeometrie dar. Sie besitzt im Verhältnis zum Volumen eine sehr große Oberfläche bei gleichzeitig niedrigem Materialbedarf. Mit ihr können daher ebenso leichte wie kompakte Module mit großen Membranflächen realisiert werden. Polymere Hohlfasermembranen werden z. B. als Massenprodukt in der künstlichen Niere eingesetzt. Keramische Hohlfaser- oder Kapillarmembranen sind noch nicht am Markt verfügbar, obwohl absehbar ist, dass diese zu attraktiveren Kosten als die heutigen Keramikmembranen gefertigt werden können.

Das Fraunhofer IGB hat ein Kosten sparendes Verfahren für die kontinuierliche Produktion von keramischen Kapillarmembranen entwickelt. Keramische Pulver werden in einem organischen System dispergiert und die so gewonnene Spinnmasse durch einen Phaseninversionsprozess geformt. So werden Kapillaren aus Oxid-, Nitrid- und Carbidkeramik oder auch aus Metallen einfach verfügbar. Die Membraneigenschaften können durch die Spinnmassenzusammensetzung, die Verfahrensparameter beim Spinnen und die Wahl der Temperatur bei der anschließenden Sinterung gezielt eingestellt werden.

Mit diesem Verfahren werden am Fraunhofer IGB Kapillaren aus α -Al2O3 mit Außendurchmessern von 0,5 bis 2 mm und Wandstärken von 0,05 bis 0,2 mm hergestellt. Dabei kann die Porengröße zwischen 0,2 und 1 mm und die Porosität zwischen 25 und 70 Prozent variiert werden. Die Kapillaren zeigen dabei eine enge Porengrößenverteilung. Ihre mechanische Stabilität ist gut, mit Biegebruchspannungen (Dreipunkt-Biegebruchtest) bis zu 125 MPa. Diese Eigenschaften machen die Kapillaren zu einem hervorragenden Basismaterial für Kompositmembranen, die durch das Aufbringen selektiver Schichten auf den α-Al2O3-Träger hergestellt werden. Die Bilder 1 und 2 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen unterschiedlicher Kapillaren.

Module mit α-Al2O3-Kapillarmembranen ohne Beschichtung, d. h. Mikrofiltrationsmembranen, können direkt zur Filtration von Lösungen, Emulsionen oder heterogenen Flüssigkeiten eingesetzt werden. Bild 3 zeigt ein 0,15 m2 großes Modul für Mikrofiltrationsanwendungen. Ein solches Modul ist bis 200 °C einsetzbar und druckstabil bis 8 bar (Feed). Die Permeabilität für Wasser beträgt 1 700 l/m2 h bar. Ein solches Modul ist über Edelstahl-Anschlussstücke einfach in einen Prozess integrierbar.

Keramische Kapillarmembranen, die am Fraunhofer IGB hergestellt werden, verbinden die Vorteile keramischer Werkstoffe mit hohen Flächendichten bei gleichzeitig erheblich reduziertem Gewicht. Die Module eignen sich für die Mikrofiltration von aggresiven Medien oder für die Anwendung bei höheren Temperaturen, bei denen Polymermembranen versagen.

Die Membranen können leicht durch eine Oberflächenmodifikation für andere Trennbereiche angepasst werden (Ultra-, Nanofiltration). Die Einsatzbereiche reichen von den Life Sciences bis zu Hochtemperaturanwendungen in der chemischen Industrie. So bieten sich die Membranen auch als Träger von Katalysatoren für die verschiedensten Anwendungen in der chemischen Synthese oder der katalytischen Gasreinigung, beispielsweise in der Automobilindustrie, an.