Membranmaterialien

Membranmaterialien sind Werkstoffe, aus denen Membranen hergestellt werden, um Stoffe durch selektiven Transport zu trennen. Membranen arbeiten je nach Material und Struktur überwiegend nach dem Lösung-Gleich-Diffusionsprinzip bei dichten Membranen oder durch Poren bei porösen Membranen. Haupttypen sind polymerische Membranen, keramische Membranen und hybride bzw. gemischte Membranen (MMM).

Polymerische Membranen zeichnen sich durch geringe Kosten und gute Formbarkeit aus; Beispiele sind Polyamide (PA), Polysulfon (PSU), Polyethersulfone (PES), Polyvinylidenfluorid (PVDF) sowie Polyimide. Keramische Membranen aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Zirkoniumdioxid bieten hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit sowie lange Lebensdauer, insbesondere unter aggressiven Bedingungen. Gemischte Membranen kombinieren organische Polymere mit festen Füllstoffen wie Zeolithen oder MOFs, um Selektivität und Stabilität zu verbessern.

Membranen weisen typischerweise eine dünne selektive Schicht auf einem porösen Träger (asymmetrische oder Schicht-auf-Träger-Struktur). Die Porengrößenklassen reichen von Mikrofiltration über Ultrafiltration bis Nanofiltration und Umkehrosmose, die unterschiedliche Durchlässigkeiten und Trennleistungen bieten. Leistungskennzahlen sind Permeabilität und Selektivität; oft besteht eine Trade-off-Beziehung, bekannt als Robeson-Grenze bei Gasen.

Anwendungen umfassen Wasseraufbereitung (Filtration, Entsalzung, Abwasserbehandlung), Gastrennung (z. B. O2/N2, CO2/CH4), Pervaporation, Brennstoffzellen und Sensorik. Typische Herstellungsverfahren sind Phaseninversion, Interfacial-Polymerisation (TFC-Membranen), Elektrospinnen und Sol-Gel-Verfahren; Module gibt es als Hohlfaser-, Flachfolien- oder Rohrkonfiguration.

Herausforderungen sind Fouling, Reinigungsbedarf, Langzeitstabilität und Gesamtkosten. Forschung fokussiert auf geringeren Energiebedarf, umweltfreundliche Lösungsmittel und verbesserte Oberflächen gegen Fouling.