DE10159566A1

DE10159566A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität von Membranen

Info

Publication number: DE10159566A1
Application number: DE2001159566
Authority: DE
Inventors: Ralf Zimmermann; Carsten Werner
Original assignee: Leibniz Institut fuer Polymerforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Polymerforschung Dresden eV
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: DE10159566B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der physikalischen Chemie und betrifft eine Vorrichtung, wie sie zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität von Membranen angewandt wird und mit deren Hilfe gewonnene Daten beispielsweise für die Weiterentwicklung von Membranmaterialien herangezogen werden können. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe es möglich ist, simultan das Zeta-Potential und die Permeabilität einer Membran zu bestimmen. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität von Membranen, bestehend aus mindestens zwei Grundkörpern, die die Halterung für eine Membran bilden, und aus einem Vorrichtungselement, welches einen Strömungskanal ausbildet, wobei der Strömungskanal nach außen abgedichtet ist und weiterhin aus mindestens zwei Elektroden, die mindestens auf je einer Seite der Membran angeordnet sind und im Kontakt mit dem strömenden Medium stehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der physikalischen Chemie und des Gerätebaus und betrifft eine Vorrichtung, wie sie zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität von Membranen angewandt wird und mit deren Hilfe gewonnene Daten beispielsweise für die Weiterentwicklung von Membranmaterialien, die Bewertung der Biokompatibilität von Membranen zur extrakorporalen Blutreinigung oder für die Aufklärung von Eigenschaftsveränderungen von Membranmaterialien durch Foulingprozesse herangezogen werden können.
Bisher sind Meßzellen bekannt (DE 43 45 152 A1, DD 222 692 A1), mit denen das Zeta-Potential von platten- oder folienförmigen Materialien, z. B. Flachmembranen, bestimmt werden kann. Bei diesen Zellen wird ein von 2 Proben gebildeter rechteckiger Kanal von einer Elektrolytlösung durchströmt. Das Strömungspotential und/oder der Strömungsstrom werden dabei in Abhängigkeit vom Differenzdruck über dem Kanal gemessen. Das Zeta-Potential wird aus den Daten der Messungen über bekannte Gleichungen ermittelt.
Da bei den o. g. Meßzellen die Flüssigkeitsströmung tangential zur Probenoberfläche erzeugt wird, werden bei der Bestimmung des Zeta-Potentials von Membranen nur Informationen zu den Ladungsverhältnissen an der äußeren Membranoberfläche erhalten. Die Ladungsverhältnisse an der inneren Membranoberfläche sowie die Permeabilität der Membran können mit derartigen Meßzellen nicht bestimmt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe es möglich ist, simultan das Zeta-Potential und die Permeabilität einer Membran zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität von Membranen besteht aus mindestens zwei Grundkörpern, die mindestens als Halterung für eine Membran dienen, und aus einem Vorrichtungselement, welches einen Strömungskanal ausbildet, wobei der Strömungskanal nach außen abgedichtet ist und weiterhin aus mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens je eine Elektrode auf je einer Seite der Membran angeordnet ist, und weiterhin ihre Anordnung den Kontakt mit dem strömenden Medium ermöglicht.
Vorteilhafterweise bestehen die Grundkörper, zwischen denen die Membranen fixiert sind, aus Plexiglas.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die Grundkörper derart ausgebildet sind, dass ein kreisförmiger Ausschnitt der Membran im Strömungskanal ausgebildet ist.
Weiterhin besteht das Vorrichtungselement zur Bildung des Strömungskanals vorteilhafterweise aus Plexiglas und ist gleichzeitig Bestandteil des Grundkörpers. Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass der Strömungskanal vom Eintritt des strömenden Mediums in den Strömungskanal bis zur Membran kegelstumpfförmige erweitert ausgebildet ist und in Richtung des Austritts des strömenden Mediums aus dem Strömungskanal von der Membran an kegelstumpfförmig verengend ausgebildet ist.
Ebenfalls ist jeweils eine Elektrode vorteilhafterweise im Eintritts- und Austrittsbereich des strömenden Mediums angeordnet, wobei diese ebenfalls vorteilhafterweise als Röhrchenelektroden ausgebildet sind, durch die das strömende Medium in den Strömungskanal ein- und austreten kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden senkrecht zur Membranoberfläche angeordnet sind.
Es ist auch vorteilhaft, dass zur Stabilisierung der Membran auf einer oder auf beiden Seiten der Membran ein netzartiges Material im Strömungskanal angeordnet ist. Dabei weist das netzartige Material vorteilhafterweise einen wesentlich kleineren Strömungswiderstand als die Membran auf.
Die Abdichtung des Strömungskanals erfolgt vorteilhafterweise durch Dichtungen, insbesondere durch Dichtringe.
Die Funktionsweise der Vorrichtung ist folgende.
Die zu untersuchende Membran wird zwischen den mindestens zwei Grundkörpern fixiert. Zur Vermeidung von Verformungen der Membran während der Messungen ist auf beiden Seiten der Membran ein netzartiges Material angeordnet, welches vorteilhafterweise ebenfalls zwischen den mindestens zwei Grundkörpern fixiert ist. Das netzartige Material sollteeinen wesentlich kleineren, vorteilhafterweise um mindestens den Faktor 100 kleineren, Strömungswiderstand aufweisen, als das Membranmaterial. Die Grundkörper bilden durch jeweils gegenüberliegende Öffnungen im zusammengesetzten Zustand den Strömungskanal aus. Die Form des Strömungskanals ist beliebig, vorteilhafterweise aber vom Eintritt des strömenden Mediums in den Strömungskanal bis zur Membran kegelstumpfförmige erweitert ausgebildet und in Richtung des Austritts des strömenden Mediums aus dem Strömungskanal von der Membran an kegelstumpfförmig verengend ausgebildet. Die Membran befindet sich zwischen den netzartigen Materialien im Strömungskanal, wobei die Anordnung vorteilhafterweise im Falle des Einsatzes von Röhrchenelektroden quer zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums erfolgt. Das strömende Medium tritt auf der einen Seite des Strömungskanals ein und auf der anderen Seite aus. Mindestens zwei Elektroden sind vorteilhafterweise im Ein- und Austrittsbereich so angeordnet, dass sie im Kontakt mit dem strömenden Medium stehen. Dabei ist erforderlich, dass mindestens je eine Elektrode auf je einer Seite der Membran angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind die Elektroden als Röhrchenelektroden ausgebildet, durch die die Zu- und Ableitung des strömenden Mediums erfolgt. Dabei sind die Elektroden nach außen hin abgedichtet, so dass kein Flüssigkeitsverlust innerhalb der Vorrichtung auftreten kann.
Nach Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das strömende Medium in den Strömungskanal geleitet und das Strömungspotential und der Strömungsstrom werden in Abhängigkeit vom Differenzdruck über der Membran gemessen. Gleichzeitig wird zu jedem Druckwert der Volumenstrom durch die Membran sowie die spezifische elektrische Leitfähigkeit, die Temperatur und der pH-Wert des strömenden Mediums erfasst. Aus diesen Daten werden über bekannte Gleichungen das Zeta-Potential und die Permeabilität ermittelt.
Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Beispiel

Aus einer hydrophilen Durapore-Membran wird eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von 20 mm ausgestanzt. Zur Unterstützung der Membran während der Messung werden zwei ebenfalls kreisförmige Netze aus Polyethylenterephthalat (Durchmesser: 20 mm, Dicke: 60 µm) verwendet. Die Durapore-Membran wird zwischen die beiden Netze gelegt und zusammen mit diesen zwischen zwei Plexiglasgrundkörper (je B × H × T = 22 × 30 × 30 mm³) eingespannt. Die beiden Grundkörper weisen jeweils eine gleichgroße und gleichgeformte Öffnung in Form eines Kegelstumpfes (d₁ = 10 mm, d₂ = 2,8 mm, h = 5 mm) auf, wobei die größeren Kreisflächen auf der Oberseite der Plexiglasgrundkörper angeordnet sind. In den kleineren Kreisflächen sind die Flüssigkeitszu- und Ableitungen und auf jeder Seite eine Ag/AgCl-Röhrchenelektrode angeordnet. Nach der Zusammensetzung der Plexiglasgrundkörper mit der Membran und den beiden Netzen dazwischen, bilden die Öffnungen den Strömungskanal. Die Kontaktflächen der Plexiglasgrundkörper sind nach außen über Dichtungen und insbesondere über einen Dichtring abgedichtet. Die Elektroden sind ebenfalls über einen Dichtring nach außen abgedichtet.
Die zusammengesetzte Vorrichtung wird an das Flüssigkeitssystem eines elektrokinetischen Meßsystems, das für simultane Strömungspotential-/Strömungsstrom- und Volumenstrommessungen ausgelegt ist, angeschlossen.
Das Flüssigkeitssystem des Meßsystems wird mit 400 ml deionisiertem Wasser gefüllt. Über Büretten werden außerdem 4,04 ml 0,1 M KCl Lösung und 0,127 ml 0,1 M KOH Lösung in das System dosiert, so dass durch Umpumpen der gesamten Flüssigkeit eine 10^-3 M KCl Lösung mit einem pH-Wert von 9,5 erhalten wird.
Nach dem Erreichen einer gleichmäßigen Lösungszusammensetzung wird zunächst eine Einzelmessung zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität der Durapore-Membran durchgeführt. Das Strömungspotential und der Strömungsstrom werden hierzu in beiden Richtungen in Abhängigkeit vom Differenzdruck (0. . .400 mbar) über der Vorrichtung mittels Ag/AgCl-Röhrchelektroden gemessen. Außerdem werden der Volumenstrom durch die Vorrichtung sowie die spezifische elektrische Leitfähigkeit, die Temperatur und der pH-Wert der Lösung erfasst. Aus den Daten der Messungen werden das Zeta-Potential und die Permeabilität der Membran über bekannte Gleichungen berechnet.
Zur Bestimmung der Art des Ladungsbildungsprozesses an der Membranoberfläche müssen die Einzelmessungen bei verschiedenen pH-Werten wiederholt werden. Die Messungen erfolgen dabei an der gleichen Probe. Zur Einstellung der einzelnen pH- Werte wird eine 0,1 M HCl Lösung in das Flüssigkeitssystem titriert.
Im Fall der untersuchten Durapore-Membran konnte durch die pH-Wert-abhängige Bestimmung des Zeta-Potentials eine negative Grenzflächenladung, die auf die Dissoziation von funktionellen Gruppen mit stark saurem Charakter zurückzuführen ist, nachgewiesen werden. Weiterhin wurde im Bereich zwischen pH 5 und pH 7 eine deutliche Abnahme der negativen Grenzflächenladung, die mit einer Abnahme der Permeabilität um ca. 15% verbunden ist, gefunden. Tabelle 1 Zeta-Potential und Permeabilität der Durapore-Membran

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials und der Permeabilität von Membranen, bestehend aus mindestens zwei Grundkörpern, die die Halterung für eine Membran bilden, und aus einem Vorrichtungselement, welches einen Strömungskanal ausbildet, wobei der Strömungskanal nach außen abgedichtet ist und weiterhin aus mindestens zwei Elektroden, die mindestens auf je einer Seite der Membran angeordnet sind und im Kontakt mit dem strömenden Medium stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Grundkörper aus Plexiglas bestehen, zwischen denen die Membranen fixiert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Grundkörper derart ausgebildet sind, dass ein kreisförmiger Ausschnitt der Membran im Strömungskanal ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Vorrichtungselement zur Bildung des Strömungskanals aus Plexiglas besteht und gleichzeitig ein Bestandteil der Grundkörper ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strömungskanal vom Eintritt des strömenden Mediums in den Strömungskanal bis zur Membran kegelstumpfförmige erweitert ausgebildet ist und in Richtung des Austritts des strömenden Mediums aus dem Strömungskanal von der Membran an kegelstumpfförmig verengend ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der im Eintritts- und Austrittsbereich des strömenden Mediums jeweils eine Elektrode angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektroden als Röhrchenelektroden ausgebildet sind, durch die das strömende Medium in den Strömungskanal ein- und austreten kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zur Stabilisierung der Membran im Strömungskanal auf einer oder auf beiden Seiten der Membran ein netzartiges Material angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das netzartige Material einen wesentlich kleineren, vorteilhafterweise mindestens um den Faktor 100 kleineren, Strömungswiderstand aufweist, als die Membran.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abdichtung des Strömungskanals durch Dichtungen, insbesondere durch Dichtringe erfolgt.