Membranoptimierung

Membranoptimierung bezeichnet den systematischen Prozess der Verbesserung von Membranen in Trennprozessen. Ziel ist es, Durchlässigkeit (Permeanz) und Trennleistung (Selektivität) zu erhöhen, Betriebsstabilität zu sichern und Betriebskosten, Energieverbrauch sowie Umweltbelastungen zu reduzieren. Dazu gehört sowohl die Materialauswahl als auch die Strukturgestaltung der Membran sowie die Prozessführung während des Betriebs.

Zu den zentralen Ansätzen gehören die Entwicklung neuer Membranmaterialien (polymere, anorganische und Hybridmembranen), die Optimierung der Membrankonstruktion (z. B. dünne Top-Lagen, Porenverteilung, Trägermaterialien) sowie Oberflächenmodifikationen, um Fouling zu verringern oder chemisch aggressive Medien zu tolerieren. Typische Strategien umfassen die Kontrolle der Porengröße, Crosslinking, die Kopplung hydrophiler Gruppen oder Antifouling-Schichten sowie die Herstellung von Dünnschichtmembranen mithilfe von Verfahren wie der Interfacial-Polymerisierung.

Methoden umfassen experimentelle Optimierung im Labormaßstab, Modellierung und Simulation sowie datengetriebene Ansätze. Molekulare und Prozesssimulationen unterstützen die Vorhersage von Permeabilität und Selektivität. Hochdurchsatz- bzw. Design-of-Experiment-Ansätze sowie maschinelles Lernen erleichtern die Identifikation vielversprechender Membranarchitekturen. Typische Herstellungsverfahren sind Phaseninversion, Elektrospinnen sowie die Interfacial-Polymerisierung zur Herstellung von Thin-Film Composite-Membranen.

Anwendungen umfassen Wasseraufbereitung und Meerwasserentsalzung (RO, NF, UF), Gas- und Dampftrennung (CO2, CH4), organische Trennungen, Batteriemembranen und Sensorik. Herausforderungen liegen im Trade-off zwischen Permeabilität und Selektivität (Robeson-Grenzen), Fouling, Langzeitstabilität, Kosten und Skalierbarkeit. Zukünftige Entwicklungen setzen auf materialbasierte Innovationen, nachhaltige Produktion und integrierte Systemoptimierung.