Polymerwerkstoffe für membranbasierte Prozesse
Die Balance zwischen Durchlässigkeit und Selektivität eines Membranmaterials gegenüber bestimmten Zusammensetzungen der zu trennenden Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten in gewissen Anwendungen mit erheblichem Marktpotenzial, wie z. B. der Erdgasreinigung oder dem CO2-Management, bedarf einer sehr weitgehenden Optimierung, die mit den traditionellen Homopolymeren oft nicht erreicht werden kann. Deshalb werden auch mehrkomponentige Polymere entwickelt, über deren Topologie-Eigenschaftsrelationen bisher noch wenig bekannt ist.
Ebenfalls eine Herausforderung ist die Stabilisierung der Struktur von Polymeren mit intrinsischer Mikroporosität, die für Anwendungen im Bereich der Gas- und Dampftrennung eine große Rolle spielen könnten (z.B. Stickstoff-Sauerstoff-Trennung), aber auch sehr interessante Eigenschaften bei der Separation von flüssigen Stoffgemischen zeigen.
Die Entwicklung neuer Materialien wird durch verfahrenstechnische Entwicklungen begleitet. Das Ziel dabei ist das optimale Design von Trennprozessen.
Die Aktivitäten in diesem Bereich lassen sich in drei Gruppen unterteilen: Polymere Mehrkomponentensysteme, organisch-anorganische Hybridmaterialien und Prozessdesign. Im Einzelnen gestalten sich diese Arbeitsbereiche wie folgt:
Polymere Mehrkomponentensysteme:
integral-asymmetrische Blockcopolymermembran
Eine ausgesprochen faszinierende Strategie zur Bildung nanostrukturierter Membranmaterialien ist die molekulare Selbstorganisation von Blockcopolymeren unterschiedlicher Topologie. Hierbei handelt es sich um die spontane Anordnung von Molekülen zu hoch geordneten Strukturen, die von intermolekularen Bindungen zusammengehalten werden. Synthetische Membranen sind viel einfacher strukturiert und weisen eine viel geringere Funktionalität im Vergleich zu biologischen Membranen auf, die Strukturbildungsmechanismen sind dennoch ähnlich.
Mittels kontrollierter Polymerisationsverfahren werden maßgeschneiderte Blockcopolymere unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung synthetisiert und morphologisch charakterisiert. Durch Einbau von stimulisensitiven Blöcken kann eine weitere Funktionalisierung zu schaltbaren Membranen erfolgen. Ebenfalls spielt der Strukturbildungsprozess während der Membranherstellung eine große Rolle.
Neben reinen Blockcopolymeren werden auch Gemische aus verschiedenen Polymeren untersucht, welche in der Regel kommerziell verfügbar sind. In all diesen Systemen sollte mindestens eine Komponente semipermeabel sein, während andere, nicht lösliche und nicht quellfähige Komponenten dazu dienen, die Membran zu stabilisieren. Ein Teil dieser Arbeiten findet im EU-Projekt SELFMEM (Self-Assembled Polymer Membranes) statt.
Abteilung für Nanostrukturierte Materialien
Organisch-anorganische Hybridmaterialien:
Polymermembran mit Silber-Nanopartikeln
Zu unseren Zielen gehört die Herstellung von Membranen mit sehr guter Gasselektivität, die zur Abtrennung kondensierbarer Kohlenwasserstoffe von z.B. Erdgas, Biogas oder Luft eingesetzt werden können.
Für Anwendungen im Bereich der Gastrennung sind glasartige Polymere mit großem freiem Volumen ausgesprochen vielversprechend. Hierbei werden Polymere mit intrinsischer Mikroporosität untersucht, wie z. B. funktionalisierte Polyacetylene oder Teflon® AF 2400 bzw. 1600.
Zu den größten Herausforderungen gehört neben der mechanischen Stabilität die Optimierung der langfristigen Aufrechterhaltung von Selektivität und Permeabilität der Membranen, wodurch ein industrieller Einsatz erst möglich wird. Zur Stabilisierung der Membranleistung werden den Polymeren anorganische Nanopartikel z.B. in Form von Aktivkohle, Kohlenstoffnanoröhrchen, metallischen oder keramischen Nanopartikeln zugesetzt. Die daraus hergestellten Hybridmembranen werden in Langzeitversuchen in eigenen Pilotanlagen sowie unter realen Industriebedingungen auf ihre Trenneigenschaften untersucht.
Ein Teil dieser Arbeiten erfolgt im Verbund mit Projektpartnern im Rahmen der vom BMBF geförderten CNT-Initiative sowie im Rahmen des EU-Projektes HARCANA.
Voraussichtlich wird diese Entwicklung zu neuen industriellen Anwendungen im Bereich der Gastrennung und zur Trennung von Flüssigkeiten führen. Ein Beispiel ist die Anreicherung von Sauerstoff aus der Luft zur Optimierung von Verbrennungsprozessen, ebenfalls ist der Einsatz in der chemischen Prozesstechnik bei der Herstellung von Feinchemikalien (organophile Nanofiltration) ein mögliches Anwendungsgebiet.
Abteilung für Nanostrukturierte Materialien
Prozessdesign:
Membran-Modul (Querschnitt)
Die neuartigen Membranmaterialien dienen der Verbesserung bestehender Membranprozesse und der Erschließung neuer Anwendungen. Dabei konzentrieren sich die FuE-Arbeiten auf Flachmembranen. Das Permeationsverhalten dieser Membranen wird im Labormaßstab für Reinstoffe und Stoffgemische als Funktion von Druck und Temperatur untersucht. Dabei kommen im Helmholtz-Zentrum Geesthacht entwickelte Apparaturen zum Einsatz.
Ein weiterer Fokus der Arbeiten ist die Herstellung von Kompositmembranen im halbtechnischen Maßstab für Pilotanwendungen. Die so hergestellte Membran muss in ein Membranmodul integriert werden, welches dann ein zentraler Baustein der gesamten Trennanlage ist.
Wir benutzen Computer Aided Engineering Werkzeuge für die Modulentwicklung mit dem Ziel, die intrinsischen Membraneigenschaften möglichst verlustarm in den technischen Maßstab zu überführen. Die Leistungsfähigkeit der Membranwerkstoffe und der Module wird unter realitätsnahen Bedingungen in Pilotanlagen untersucht. Die Ergebnisse der Pilotierungsphase werden ebenfalls benutzt, um die Genauigkeit unserer Prozesssimulationen zu überprüfen. Die hierfür verwendeten Modelle für Membranmodule werden ebenfalls im Helmholtz-Zentrum Geesthacht entwickelt.
Pilotanlage Dampfpermeation
Ein wichtiger Aspekt ist die Beschreibung des Permeationsverhaltens von Mehrstoffsystemen in polymerbasierten Membranen als Funktion der Eigenschaften des Polymers und der permeierenden Komponenten sowie von Temperatur und Druck. Diese Simulationswerkzeuge erlauben auch die Vorhersage des Betriebsverhaltens von Prozessen, die sich aus Membranstufen und konventionellen Grundoperationen zusammensetzen.
Unser Ziel besteht darin, diese Prozesse in enger Zusammenarbeit mit den Lizenznehmern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und anderen Partnern in industriellen Anwendungen zu etablieren. Bei den untersuchten Membranprozessen handelt es sich um Gas- und Dampfpermeation sowie nicht-wässrige Nanofiltration auf Basis von Membranen, die im Helmholtz-Zentrum Geesthacht entwickelt wurden.
Abteilung für Polymertechnologie
