Green Membranes

Kontinuierliche Herstellung von Flachmembranen mittels Rakeln mit einem grünen Lösemittel
© Fraunhofer IGB
Kontinuierliche Herstellung von Flachmembranen mittels Rakeln mit einem grünen Lösemittel
Phasendiagramme für das PES-AMD/NEP-System
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Phasendiagramme für das PES-AMD/NEP-System

Konventionelle Herstellung von Polymembranen mit umwelt- und gesundheitsbelastenden Lösungsmitteln

Membranen werden in verschiedenen Anwendungen wie Wasseraufbereitung, Hämodialyse und Gastrennung eingesetzt. Heutzutage sind Poly(ethersulfon) (PES), Poly(vinylidendifluorid) (PVDF) und Poly(sulfon) (PSU) die am häufigsten verwendeten Membranmaterialien für die Herstellung von Polymermembranen. Aufgrund der Einfachheit und Flexibilität ist die Nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung (NIPS) eine etablierte Methode zur Herstellung von Polymermembranen für die Mikro- bis Nanofiltration.

Die bisher üblicherweise eingesetzten Lösungsmittel, wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid (DMAc) und Dimethylformamid (DMF) bergen jedoch Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt und können daher als besonders besorgniserregende Stoffe (SVHC) eingestuft werden.

Lösungsmittel für die Grüne Chemie

Folglich sollte ihre Verwendung gemäß den zwölf Prinzipien der »Grünen Chemie« so weit wie möglich vermieden werden. Außerdem fallen bei der Membranherstellung nach dem NIPS-Verfahren aufgrund der Nicht-lösemittelinduzierten Entmischung Milliarden Liter lösemittelkontaminiertes Abwasser an. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist daher die Weiterentwicklung etablierter Membranherstellungsprozesse wie NIPS hin zu umweltfreundlichen Verfahren von großer Bedeutung. Daher werden umweltfreundliche Lösemittel benötigt, die gängige Lösemittel innerhalb eines standardisierten Prozesses ersetzen können und vergleichbare Membraneigenschaften liefern.

In jüngster Zeit wurden alternative Lösungsmittel eingeführt, um den Anforderungen der grünen Chemie gerecht zu werden, wie N-Butyl-2-pyrrolidon (TamiSolve® NxG), Methyl-5-(dimethylamino)-2-methyl-5-oxopentanoat (Rhodiasolv® Polarclean), γ-Valerolacton (GVL), Dihydrolevoglucosenon (cyrene™), Dimethylisosorbid (DMI), 2-Pyrrolidon (2P), und N,N-Dimethyllactamid (AMD).

Erfolgreiche Herstellung von Hohlfasern und Flachmembranen mit grünen Lösungsmitteln

Wir haben mittlerweile mit verschiedenen grünen Lösemitteln unsere NIPS-Prozesse sowohl für die Herstellung von Hohlfaser-, als auch von Flachmembranen umgestellt.

So haben wir z. B. Poly(ethersulfon)-(PES)-Hohlfasermembranen durch die Nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung (NIPS) unter Verwendung des grünen Lösungsmittels Agnique® AMD 3 L (N,N-Dimethyllactamid; AMD) hergestellt. Der Einfluss dieses Lösungsmittels auf die Dope-Lösung und die Membraneigenschaften wurde systematisch untersucht [1]. Die Morphologie, die mechanischen Eigenschaften, die Porengrößen der Barriere sowie die Gas- und Wasserdurchlässigkeit der mit AMD hergestellten Hohlfasern wurden bewertet und mit Membranen verglichen, die auf ähnliche Weise mit NEP als Lösungsmittel hergestellt wurden.

Kritische Polymerkonzentration im PES-AMD/NEP-System
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Kritische Polymerkonzentration im PES-AMD/NEP-System

Leistungen

  • Untersuchung alternativer grüner Lösungsmittel zur Membranherstellung
  • Umfassende Charakterisierung der Membran- und Trenneigenschaften
  • Etablierung eines grünen Herstellungsprozesses

Publikationen

  • Uebele, S., Johann, K. S., Goetz, T., Gronwald, O., Ulbricht, M., Schiestel, T. (2021). Poly(ether sulfone) hollow fiber membranes prepared via nonsolvent-induced phase separation using the green solvent Agnique® AMD 3 L. Journal of Applied Polymer Science, 138(37), 50935. doi:https://doi.org/10.1002/app.50935