Entwicklung einer umweltverträglichen Metallmembran

Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben beinhaltet die Entwicklung einer technisch neuen Membran aus Metall. Dabei wird das bisher zur Oberflächenbehandlung bekannte Plasma Immersions Ionenimplantationsverfahren (PIII Verfahren) dazu genutzt, dass eine sehr dünne Folie (5 µm – 20 µm) aus Metall (z.B. Aluminium, Titanium, Edelstahl) mit beschleunigten Edelgasionen wie Helium oder Argon, von beiden Seiten zu beschießen. Dabei wird die Dosis so gewählt, dass es zu einer Übersättigung der Edelgasatome in der Metallfolie kommt. Nach Übersättigung bilden sich durch Segregation der Edelgase in der Metallmatrix Blasen oder Poren unter der Metalloberfläche. Je nach Ionendosis, der Konzentration und Art des Gases sowie der eingestellten Temperatur, Beschleunigungsspannung und Einwirkungszeit, bilden sich kleinere oder größere Poren, die sich auch in ihrer Verteilung und Zahl pro Flächeneinheit in Abhängigkeit der Parameter Temperatur, Spannung, Ionendosis und Zeit steuern lassen.

Der Innovationscharakter dieser neuen Technologie liegt in der geradezu revolutionären Einfachheit des Herstellungsverfahrens. Das Herstellungsverfahren benötigt nur relativ wenig Energie und geringe Mengen an Edelgas, da es sich um ein Niederdruckplasma (p<1Pa) handelt. Aufwändige Produktionsprozesse aus mehreren Schritten unter Zugabe zahlreicher Chemikalien sind nicht notwendig. Es fallen keine Abfallstoffe an. Die entstehende Membran ist vielfach wiederverwendungsfähig, das Material ohne Einschränkung recyclefähig. Aufgrund der Flexibilität der einzustellenden Parameter wie Temperatur, Edelgasdruck, Pulsspannung und Zeit der Einwirkung können Membranen für Nano-, Ultra- und Mikrofiltration und damit für die Hauptbereiche angewandter Membrantechnik hergestellt werden. Dabei lassen sich verschiedenste Metalle bearbeiten. Dies eröffnet ein weites Feld der Einsatzmöglichkeiten einer solchen Membran. Insbesondere die aufwändigen bisherigen Versuche zur Herstellung einer Membran aus Metall zeigen, dass es einen außerordentlich hohen Bedarf an einem inerten, beständigen und umweltverträglichen Membranmaterial gibt. Hinzu kommt, dass die Membran nur aus der trennenden Schicht (5 µm bis 20 µm) besteht und zudem die physikalischen Parameter von Metall (Festigkeit, Duktilität, Temperaturbeständigkeit usw.) besitzt. Das macht sie sehr widerstandsfähig und stabil gegenüber Einflüssen wie Temperatur, aggressiven Medien und Lösungsmitteln. Stützschichten für höhere Drücke können individuell angepasst werden.

Die Einsatzfelder sind Bereiche, wo möglichst inerte Membranen, wie beispielsweise in der Laboranalytik zur unverfälschten Aufbereitung von Proben benötigt werden. Weitere Felder wären der Einsatz bei pharmazeutischen Prozessen, da die Membran ohne weiteres dampfsterilisierbar ist. Die Behandlung von Heißdämpfen ist genauso denkbar wie die Behandlung heißer Wässer aus der Ölförderung oder Filtrierung von Chemikalien wie beispielsweise von Lösungsmitteln. Die entwickelte Membran vereinigt die Vorteile zwischen bekannten Polymermembranen (Flexibilität, hohe Porosität, dünne Trennschicht) mit den Vorteilen der Keramikmembran (Inertheit, Temperaturbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit) und schließt damit eine bisherige Lücke der Membrantechnologie.

Die Herstellung der Membran ist sehr umweltfreundlich, da nur Edelgase und relativ geringe Energiemengen benötigt werden. Auf den Einsatz von kritischen Chemikalien (umweltschädliche Lösungsmittel), wie sie zur Herstellung von Polymermembranen benötigt werden, kann vollständig verzichtet werden. Das Material ist vollständig wiederverwendungsfähig. Ziel der Vorversuche ist es, eine Mikrofiltrationsmembran herzustellen, die den Anforderungen eines vollständigen Keimrückhaltes genügt. Dazu spielt zunächst die größte herstellbare Pore eine Rolle, wobei die Verteilung der Poren noch nicht im Vordergrund steht. Proben dieser Membran werden an der DVGW-Forschungstelle TUHH auf Fluxdaten und Keimrückhalt untersucht. Dabei werden einfache runde Laborfilter ausgestanzt und vermessen. Der Vorteil dieser Methode ist die sofortige Vergleichbarkeit mit handelsüblichen Laborfiltern zur Sterilfiltration. Zunächst wird mit definierten Keimen der Keimrückhalt mittels Durchflusszytrometrie bestimmt. Ist der Keimrückhalt größer als 7 Größenordnungen folgen weitere mikrobiologische Untersuchungen.