MOF-Mixed-Matrix-Membranen

Der industrielle Einsatz technischer Trennmembranen ist bisher überwiegend auf die Flüssigfiltration begrenzt. Ursachen sind insbesondere unzureichende Trenneigenschaften und hohe Kosten der Membranen. Dabei bieten Membranen auf Grund ihrer inhärenten Energieeffizienz ein enormes Potenzial auch für die Auftrennung von Gasen.

Mit mikroporösen Gerüstverbindungen (Zeolithe, metal-organic-frameworks (MOFs)), die definierte Porengrößen besitzen und damit für die Trennung von Gasmolekülen über die Größe geeignet sind, haben wir Mixed-Matrix-Membranen entwickelt, die ein großes Potenzial für die Gastrennung besitzen.

Dazu wurden poröse PVDF Hohlfasermembranen mittels Tauchbeschichtung mit entsprechenden Polymerdispersionen beschichtet (Abb. 1). Über die Viskosität der Dispersion und die Beschichtungsgeschwindigkeit konnte dabei die Schichtdicke der Mixed-Matrix-Schicht im Bereich von 500 nm bis 5 µm kontrolliert werden. Durch die Kontrolle der Schichtdicke werden dabei nur geringe Materialmengen für die Beschichtung benötigt. Entscheidend für die Qualität der Schichten ist der Einsatz nanopartikulärer Gerüstverbindungen (<100 nm) (Abb. 2).

Die Mixed-Matrix Membranen zeigen verbesserte Trenneigenschaften im Vergleich zu reinen Polymerbeschichtungen. So konnte die Wasserdampfpermeabilität von Polyvinylalkoholschichten durch Zugabe von SAPO-34 Partikeln um fast 100% auf 7000 Barrer gesteigert werden. Durch Auswahl geeigneter Polymer-MOF Kombinationen können die Trenneigenschaften der Membranen an andere Fragestellungen angepasst werden.

Kontinuierliche Tauchbeschichtung von Hohlfasermembranen.
© Walter Fogel/Fraunhofer IGB
Rolle-zu-Rolle Anlage für die kontinuierliche Beschichtung von Hohlfasermembranen
PVA-Beschichtung gefüllt mit ZIF-8 Nanopartikeln
© Fraunhofer IGB
PVA-Beschichtung gefüllt mit ZIF-8 Nanopartikeln