POLINOM – Polyvalente Trennungen durch flexible Integration aktiver Oberflächen in Membranen

Für die Wasserfiltration steht heute bereits eine ganze Reihe unterschiedlicher Membrantypen zur Verfügung. Gemeinsam ist diesen kommerziell eingesetzten Membranen, dass im Wesentlichen die unterschiedlichen Trenngrenzen für den Größenausschluss funktionell genutzt werden. Die darunterliegende poröse Struktur, die eine hohe spezifische Oberfläche bietet, bleibt dagegen ungenutzt. In diesem Vorhaben wurden Materialien und Verfahren entwickelt, um die Membran vollständig räumlich zu nutzen. Hierfür wurden neue Beschichtungsmaterialien und neue partikuläre Additive entwickelt. Diese wurden entweder direkt in den Herstellungsprozess oder in einem Nachbehandlungsschritt in die Membran integriert. Durch diesen Ansatz sind Membranen zugänglich, die zusätzlich zur ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden können.

Durch eine innovative Integration von funktionellen Beschichtungen und oberflächenmodifizierten Partikeln in Membranen wurden Mixed-Matrix‑Membranadsorber mit multifunktionellen inneren Oberflächen entwickelt, die unterschiedliche Stoffgruppen mit hoher Kapazität und Selektivität binden.

In einem ersten Schritt wurden dazu parallel Materialbibliotheken für die Beschichtung und für funktionelle Partikel aufgebaut und Verfahren zur Integration dieser Materialien in Membranen entwickelt. Diese Entwicklungen wurden dann in einem zweiten Schritt zusammengeführt und in einem dritten Schritt in den Pilotmaßstab auf skaliert. Auf jeder Entwicklungsebene wurden Funktionstests durchgeführt (Abtrennung von Mikroschadstoffen und Schwermetallen) und die vielversprechendsten Ansätze selektiert. Zum Abschluss wurden Demonstrator-Module mit bis zu 0,1 m² Membrantrennfläche mit realen Trennproblemen getestet.

Das Projektkonsortium bestand aus dem Lehrstuhl für Technische Chemie II der Universität Duisburg‑Essen, dem Fraunhofer‑Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB sowie den beiden Unternehmen poromembrane und FUMATECH BWT. Die Partner brachten dabei jeweils komplementäres Know‑how in das Projekt ein.

Am IGB konnte eine Vielzahl unterschiedlicher Mixed‑Matrix-Membranen hergestellt werden. Dabei wurden Partikel mit verschiedenen chemischen Oberflächengruppen (Abb. 1) homogen in verschiedene Membranmatrices integriert. So konnte eine Materialdatenbank verschiedener Partikel und Membranen aufgebaut werden. Vor allem Anionen- und Kationenaustauscher stellten sich an dieser Stelle als besonders geeignet heraus. Mit den Mixed‑Matrix‑Membranadsorbern war es möglich, drei Modell-Mikroschadstoffe (Diclofenac, Metoprolol, Sulfamethoxazol) erfolgreich aus verschiedenen Wassermatrices zu entfernen (Abb. 2). Es konnte außerdem gezeigt werden, dass z. B. Diclofenac auch in niedrigen Konzentrationen von 2 μg/L Diclofenac aus realen Trinkwasserwasserproben entfernt werden kann. Vor dem Durchbruch (definiert bei 10 Prozent der Ausgangskonzentration) liegt der Rückhalt von Diclofenac bei über 99 Prozent. Zur Bestimmung der Adsorptionskapazität wurde der letzte Messpunkt vor dem Durchbruch verwendet, womit der Durchbruch bei einem Permeatvolumen von ca. 4,2 Litern erreicht wurde. Daraus ergibt sich in diesem Fall eine Adsorptionskapazität des Mixed‑Matrix‑Membranadsorbers von über 20,4 mg/m² für Diclofenac. Mit einem Mixed‑Matrix‑Membranadsorber dieser Kapazität und einer Membrantrennfläche von 1 m² könnte Diclofenac mit einer Konzentration von 2 μg/L aus ungefähr 10 m³ Wasser abgetrennt werden.

Auch die Abtrennung von Schwermetallen wie Pb, Cu und Cr ist mit diesen Membranadsorbern möglich. Zudem konnte im Projekt sowohl die Skalierbarkeit als auch die Regeneration der Mixed‑Matrix‑Membranadsorber (Abb. 3) gezeigt werden.