Keramische Hohlfasermembranen

Kommerziell erhältliche Keramikmembranen

Keramische Materialien gelten im Allgemeinen als chemisch, thermisch und mechanisch stabil. So finden Keramikmembranen häufig Anwendung in der Flüssigkeitsfiltration in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie sowie in Bioengineering-Prozessen. Weltweit werden verschiedene Geometrien von Keramikmembranen hergestellt, z. B. Platten, Scheiben, Rohre, Mehrkanäle und Waben. Die im Handel erhältlichen Keramikmembranen sind jedoch relativ schwer und ihre Herstellung ist ziemlich teuer, wobei die Membranflächen selten größer als 1.000 m²/m³ sind. Die am Fraunhofer IGB produzierten Keramikkapillaren zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Vorteile von Keramikmembranen mit hohen Packungsdichten kombinieren und dabei sowohl kompakt als auch leicht sind.

Kosteneffizienter Produktionsprozess

Das Fraunhofer IGB hat ein kosteneffizientes Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von keramischen Kapillaren mithilfe eines Phaseninversionsprozesses entwickelt. Dabei werden keramische Pulver in organischen Bindemittelsystemen dispergiert. Die resultierenden Aufschlämmungen werden durch ringförmige Düsen in wässrige Bäder extrudiert. Auf diese Weise können Kapillaren aus Oxiden, Nitriden, Carbiden oder sogar Metallen geschaffen werden. Die Membraneigenschaften können durch die Aufschlämmungszusammensetzung sowie die Parameter des Spinnprozesses oder des Sinterverfahren abgestimmt werden.

α-Al2O3-Kapillarmembranen

Typische α-Al2O3-Kapillarmembranen haben einen Außendurchmesser von 0,5 bis 2,0 mm, während die Wandstärke zwischen 0,05 und 0,2 mm variiert. Bisher wurden Kapillaren mit einer Porengröße von 0,2 bis 1,0 mm mit einer Porosität von 25 bis 70 Prozent hergestellt. Ein weiteres Merkmal dieser Membranen ist eine gut definierte Porengrößenverteilung. Die Biegefestigkeit der Kapillaren erreicht Werte bis zu 125 MPa, was auf eine ausgezeichnete mechanische Stabilität hinweist. Zusammengenommen machen diese Eigenschaften poröse Kapillaren zum perfekten Grundmaterial für asymmetrische Membranen, die durch die Abscheidung weiterer selektiver Schichten hergestellt werden können. Abb. 1 und Abb. 2 zeigen REM-Aufnahmen von typischen Kapillaren mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Keramische Kapillarmembran.
© Fraunhofer IGB
Abb. 1: Keramische Kapillare, Lyocell-Spinnprozess.
Keramische Kapillarmembran, Polymerspinnverfahren.
© Fraunhofer IGB
Abb. 2: Keramische Kapillare, polyerischer Spinnprozess.

Module mit keramischen Kapillarmembranen

Rein keramische Al2O3-Kapillarmodule (Membranfläche ~ 0,15 m2).
© Fraunhofer IGB
Abb. 3: Rein keramische Al2O3-Kapillarmodule (Membranfläche ~ 0,15 m2).

Module mit unbeschichteten Alpha-Aluminiumoxid-Kapillarmembranen, das heißt Mikrofiltrationsmembranen, können direkt zur Filtration von Lösungen, Emulsionen oder heterogenen Flüssigkeiten verwendet werden. Abb. 3 zeigt ein 0,15-m2-Modul für die Mikrofiltration. Ein solches Modul kann bei bis zu 200 °C und bis zu 8 bar verwendet werden. Die Durchlässigkeit für Wasser liegt im Bereich von 1700 l/m2h bar. Solche Module können mithilfe von Edelstahlverbindern in technische Prozesse integriert werden.

Anwendungen und Ausblick

Keramische Kapillarmodule bieten eine optimale Lösung für Hochtemperaturanwendungen oder für den Fall, dass aggressive Medien müssen behandelt werden. Wir sehen insbesondere in der Automobilindustrie ein breites Anwendungsgebiet für kompakte Kapillarmembranmodule. Ein bisher ungelöstes Problem ist etwa das Herausfiltern von Stickoxiden in der Luft, die durch die Lüftung in den Fahrgastraum eindringt. Ebenso fehlen leistungsstarke katalytische Brenner zur Reduktion von Rußemissionen im Abgas von Dieselmotoren. Eine weitere naheliegende Anwendung ist die organische Nanofiltration.