Membranselectivität

Membranselectivität bezeichnet die Fähigkeit einer Membran, bestimmte Spezies bevorzugt durchzulassen und andere zurückzuhalten. Sie wird oft durch das Verhältnis der Durchtrittsfraktionen beschrieben, etwa als Selektivität α = J_A/J_B oder als Rejektion R_A. In Gas- und Flüssigkeitsfiltration dient Selektivität der Trennung von Verbindungen, die sich in Größe, Ladung oder Löslichkeit unterscheiden.

Grundlegende Trennmechanismen sind Größenselektivität (Poregröße), Ladungs- bzw. Donnan-Effekte und Unterschiede in Sorption sowie Diffusion. Im Lösung-Diffusions-Modell bestimmt die Löslichkeit und Mobilität eines Moleküls in der Membran seine Durchlässigkeit; in porösen Membranen dominiert oft die Größenordnung der Moleküle relativ zu den Poren. Die Balance dieser Mechanismen bestimmt die Gesamtselektivität.

Wesentliche Einflussfaktoren sind Material und Struktur (polymer, keramisch), Porengröße und -verteilung, Membrandicke, Vernetzung, Oberflächenladung sowie Betriebsbedingungen wie Temperatur, pH und Lösungsmittel. Diese Parameter beeinflussen, wie leicht Moleküle hinein diffundieren, sorbiert werden oder an der Oberfläche selektiv transportiert werden.

Die Messung erfolgt durch Permeabilität, Flux oder Rejektion, oft kombiniert zu einem Selektivitätskoeffizienten α = P_A/P_B oder J_A/J_B. In polymeren Membranen besteht oft eine Trade-off-Beziehung zwischen Durchlässigkeit und Selektivität; höhere Durchlässigkeit geht häufig mit geringerer Selektivität einher (Robeson-Grenze).

Anwendungsbeispiele finden sich in der Wasseraufbereitung (UO/NF), Desalination (Umkehrosmose), Dialyse sowie in der Gastrennung (CO2/CH4, O2/N2). Membranselectivität ist auch zentral in der Lebensmittel-, Pharma- und Umwelttechnik, wo gezielt Substanzen getrennt oder konzentriert werden.

Methoden zur Steigerung der Selektivität umfassen Crosslinking, Oberflächenmodifikation, Funktionsintegration und Nanocomposites, die Porenarchitektur gezielt steuern. Forschungen zielen auf bessere chemische Beständigkeit, stabilere Leistung unter Betriebsbedingungen und kosteneffiziente Produktion ab.