Membranen

Technische Membranen können überall dort eingesetzt werden, wo Stoffgemische aufgetrennt werden müssen. Die Kernkompetenzen am IGB liegen in der Formgebung und in der funktionellen Beschichtung von Membranen. Im Innovationsfeld entwickeln wir sowohl Hohlfaser- als auch Flachmembranen über Phaseninversionsprozesse und können diese vom Labor- bis in den Pilotmaßstab herstellen. Zudem haben wir ein breites Spektrum an Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsprozessen (nasschemisch, Plasmaprozesse) etabliert, um die Trenn- oder Fouling-Eigenschaften von Membranen zu optimieren.

Für die Entwicklung neuer Membranen ist darüber hinaus umfangreiches Know-how in der Materialsynthese (Polymere, Keramiken) und der Charakterisierung von Materialien, Oberflächen und Membranen vorhanden. Mit eigenen Testständen führen wir auf den unten genannten Arbeitsgebieten Anwendungsstudien für unsere Partner durch.

 

Feuchtemanagement

Befeuchtermembranen für das Wassermanagement in mobilen Brennstoffzellsystemen

 

Gastrennung

O2-Abtrennung bei hohen Temperaturen mit keramischen Hohlfasermembranen

 

Mikroschadstoffe

Membranadsorber für die Abtrennung von Mikroschadstoffen aus Trinkwasser

 

Wasserstoff-Technologien

Ionomer-Mixed-Matrix-Membranen für die Elektrolyse und Brennstoffzellen

 

Wasserreinigung

Vorwärtsosmose-Membranen für die schonende Aufarbeitung komplexer Gemische

 

Green Membranes

Neue Filtrationsmembranen über Phaseninversionsverfahren mit grünen Lösemitteln

Entwicklung von Membranen aus unterschiedlichen Materialien

Polymermaterialien bieten überzeugende Vorteile wie geringe Kosten, gute Verarbeitbarkeit und eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten. Wir arbeiten sowohl mit handelsüblichen Polymeren als auch mit deren Modifikationen und beispielsweise mittels radikaler Polymerisation selbst hergestellten (Block-Co-)Polymeren.

Polymermembranen lassen sich weiter optimieren: Durch die Integration von Partikeln können maßgeschneiderte Mixed-Matrix-Membranen geschaffen werden.

Für die Anwendung unter extremeren Bedingungen, zum Beispiel bei hohen Temperaturen, entwickeln wir auch keramische Membranen.

Polymermembranen

Mixed-Matrix-Membranen

Keramische Membranen

Herstellung unterschiedlicher Geometrien

Das Fraunhofer IGB nutzt verschiedene Verfahren zur Herstellung unterschiedlicher Membrantypen bis in den Pilotmaßstab.

Hohlfasern, die sich durch eine hohe spezifische Oberfläche auszeichnen, stellen wir mit unterschiedlichen Durchmessern und aus verschiedenen Materialien her, auch asymmetrische Strukturen sind möglich.

Bei den Flachmembranen stellen wir sowohl dichte als auch poröse Strukturen her; ein Schwerpunkt liegt auf Mixed-Matrix-Systemen.

Nassspinnen von Hohlfasermembranen

Rakelverfahren für Flachmembranen

Beschichtung von Membranen

Um die Trenneigenschaften von Membranen weiter zu verbessern, können sie durch verschiedene Beschichtungstechniken modifiziert werden, wie etwa nasschemische Beschichtung, Plasmabehandlung, Grenzflächenpolymerisation, Sol-Gel-Verfahren oder stromlose Abscheidung. Wir verfügen über die Ausstattung zur kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Beschichtung sowohl für Hohlfaser- und Flachmembranen.

Nasschemische Modifikation

Plasmamodifikation

Anlagen zur Membran- und Modulherstellung

  • Nassspinnanlage für Hohlfasermembranen (Eigenentwicklung)
  • Doppelkolbenspinnanlage für Kapillarmembranen (Fa. Fourne)
  • Smartcoater zur Herstellung von Flachmembranen über Phaseninversion und zur nasschemischen Beschichtung von Flachmembranen (Fa. Coatema)
  • Nasschemische Außenbeschichtung von Hohlfasermembranen (R2R, Eigenbau)
  • Plasmabeschichtung von Hohlfasermembranen (R2R, Eigenbau)
  • Elektrospinnanlage (IME EC-CLI)
  • Verschiedene Sinteröfen zur Herstellung keramischer Membranen
  • Equipment für den Modulbau, insbesondere zur statischen und dynamischen Verpottung von Hohlfasermembranen
Nassspinnen von Hohlfasermembranen
© Fraunhofer IGB
Nassspinnen von Hohlfasermembranen
Kontinuierliche Tauchbeschichtung von Hohlfasermembranen.
© Walter Fogel/Fraunhofer IGB
Kontinuierliche Tauchbeschichtung von Hohlfasermembranen.
Kontinuierliche Herstellung von Flachmembranen
© Fraunhofer IGB
Kontinuierliche Herstellung von Flachmembranen

Methoden der Membrancharakterisierung

  • Membranstruktur (Elektronen- (REM), AFM, Fluoreszenz-, Lichtmikroskopie)
  • Porengröße und Porengrößenverteilung (Porometrie, BET)
  • Bestimmung der Trenngrenze (MWCO-Bestimmung)
  • Leitfähigkeit (Ionen, Elektronen)
  • Cross-Over Test (z. B. H2, Ethanol)
  • Mechanische Eigenschaften (Bruch- und Zugfestigkeit)
  • Thermische Eigenschaften (TGA, Dilatometrie)
  • Oberflächenanalyse (ESCA, XPS, Benetzung)
  • Partikelanalytik (Größe, Oberflächenladung)
  • Chemische Analytik (ICP-MS, GC-MS, LC-MS, IR, UV, …)
Kontaktwinkelmessgerät.
© Fraunhofer IGB
Kontaktwinkelmessgerät.
Phaseninversion-REM-Polymer
© Fraunhofer IGB
REM Aufnahme einer porösen Polymermembran

Testvorrichtungen für anwendungstechnische Untersuchungen

  • Verschiedene Teststände für Befeuchtermembranen
  • Gastrennung (Raumtemperatur bis 1000 °C)
  • Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF)
  • Umkehrosmose (RO), Vorwärtsosmose (FO), Pressure-retarded Osmose (PRO)
Teststand für die parallele Charakterisierung von drei Befeuchtermembranen.
© Fraunhofer IGB
Teststand für die parallele Charakterisierung von drei Befeuchtermembranen
Testzelle zur Bestimmung des Wasserstoff Cross-overs
© Fraunhofer IGB
Testzelle zur Bestimmung des Wasserstoff Cross-overs bei Drücken bis 50 bar und Temperaturen bis 80°C
Testzelle für Vorwärtsosmosemembranen
© Fraunhofer IGB
Testzelle für Vorwärtsosmosemembranen

 

Broschüre »Technische Membranen – Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendungen« (Englisch)

Wissenschaftliche Publikationen