Membranen zur Feuchtigkeitsregulierung

Membranen lassen sich auch zur Befeuchtung oder Entfeuchtung verwenden. Dafür eignen sich Membranen mit hoher Wasserdampfdurchlässigkeit und hoher Selektivität gegenüber Luft. Ein Anwendungsgebiet ist die Dehydrierung von Gasen, zum Beispiel Rauchgas, Erdgas oder Druckluft. Ein weiterer Bereich ist die Klimatisierung von Gebäuden, bei der neben dem Transport von Wasserdampf oft auch eine Wärmeübertragung ebenfalls notwendig ist. Membransysteme, die beides leisten, werden auch als Enthalpietauscher oder Energierückgewinnungsventilatoren bezeichnet. Membranen für die Befeuchtung können ebenfalls ein wichtiger Bestandteil von externen Anfeuchtern sein, einer Komponente von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). Für eine optimale Leistung der PEMFC ist die Anfeuchtung ihrer ionomeren Membran wesentlich. Wenn die ionomere Membran nicht vollständig hydratisiert ist, tritt ein Verlust der Protonenleitfähigkeit auf, was die Leistung und Haltbarkeit verringert.

Hydrophile Beschichtung für Hohlfasermembranen

Wir haben eine Anlage für die kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Beschichtung von Hohlfasermembranen im Tauchverfahren entwickelt. Durch Variation der Konzentration oder Molmasse unserer PVA-Beschichtungslösung können wir die Viskosität kontrollieren und damit die Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 5 μm einstellen (Abb. 1). Die PVA-Schicht wird dann mit einer Glutaraldehydlösung behandelt, wodurch der Grad der Vernetzung und damit die Wasserdampfdurchlässigkeit durch GA-Konzentration und Kontaktzeit gesteuert werden kann (Abb. 2). Die resultierenden Beschichtungen sind selbst bei einer Temperatur von 80 °C langzeitstabil und zeigen eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit (über 400 Barrer bei 80 °C), während die Luftleckage niedrig war (Stickstoffpermeabilität 10 Barrer bei 25 °C).

Wasserdampfpermeabilität als Funktion der Beschichtungsdicke und des Vernetzungsgrades.
© Fraunhofer IGB
Wasserdampfpermeabilität als Funktion der Beschichtungsdicke und des Vernetzungsgrades.
PVDF-Hohlfasermembran mit einer dünnen vernetzten PVA-Beschichtung auf der Oberfläche.
© Fraunhofer IGB
PVDF-Hohlfasermembran mit einer dünnen vernetzten PVA-Beschichtung auf der Oberfläche.

Ausblick

Unser nahezu kontinuierlicher Herstellungsprozess erwies sich als geeignet für die Herstellung von Verbundmembranen zur Befeuchtung. Wir konnten Membranen mit hoher Wasserdampfdurchlässigkeit und Selektivität gegenüber Stickstoff herstellen. Das Beschichtungs- und Vernetzungsverfahren wollen wir direkt mit dem Nassspinnen der Hohlfasern koppeln, mit dem Ziel, einen einfachen und schnellen kontinuierlichen Produktionsprozess mit Kostenreduzierungpotenzial zu entwickeln.

Publikationen

  • I. Jesswein, I.; Hirth, T.; Schiestel, T.
    Continuous dip coating of PVDF hollow fiber membranes with PVA for humidification
    JMS (2017) submitted.