DE102006007868A1

DE102006007868A1 - Membranaufbau zur Gasabscheidung, Entgasungsvorrichtung mit einem derartigen Membranaufbau sowie Verfahren zur Herstellung

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Publication number: DE102006007868A1
Application number: DE102006007868A
Authority: DE
Inventors: Mario Hempel; Wolfgang Stöters; Ralf-Peter Dr. Peters; Holger Holakovsky
Original assignee: Boehringer Ingelheim Microparts GmbH
Current assignee: Boehringer Ingelheim Microparts GmbH
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30
Also published as: US20090184037A1; WO2007093443A2; CN101384345A; WO2007093443A3; JP2009526640A; EP1993712A2

Abstract

Es werden ein Membranaufbau zur Gasabscheidung, eine Entgasungsvorrichtung mit einem derartigen Membranaufbau sowie Verfahren zur Herstellung vorgeschlagen. Eine poröse Trägerschicht wird flächig mit einer dünnen Polymermembran, insbesondere aus amorphem PTFE, verbunden. Insbesondere wird die Polymermembran auf oder aus der Trägerschicht hergestellt. Dies ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Aufbau sowie eine effektive Gasabscheidung. Besonders bevorzugt wird die Polymermembran dadurch gebildet, daß eine Polymerlösung flüssig auf die Trägerschicht aufgebracht und eingetrocknet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Membranaufhau zur Gasabscheidung, eine Entgasungsvorrichtung mit einem derartigen Membranaufbau sowie Verfahren zur Herstellung des Membranaufbaus.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Entgasung einer Flüssigkeit, wobei gasseitig ein Unterdruck oder Vakuum angelegt wird, um Gas aus der Flüssigkeit durch eine nur für Gas, jedoch nicht für die Flüssigkeit durchlässige Membran abzuscheiden. Hierbei ist es wünschenswert, wenn die Membran bzw. der verwendete Membranaufbau hoch permeabel für abzuscheidende Gase ist.
Die vorgenannte Unterdruck- bzw. Vakuumentgasung wird insbesondere für sogenannte Flüssigkeitschromatographen, besonders bevorzugt die sogenannte High-Performance-Liquid-Chromatography (HPLC), eingesetzt. Dies stellt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung dar. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Gebiet beschränkt.
Zum Entgasen von Flüssigkeiten werden in der chemischen Analysentechnik, insbesondere für die HPLC, verschiedene Entgasungsvorrichtungen eingesetzt.
Herkömmliche PTFE-Schlauchentgaser weisen eine Vielzahl von dünnen Schläuchen aus normalem PTFE auf. Die Schläuche bzw. deren Wandungen stellen Membranen dar, die nur für Gase, jedoch nicht für Flüssigkeiten permeabel sind. Durch eine Druckdifferenz kann Gas durch die Membranen bzw. Wandungen diffundieren und dadurch abgeschieden werden. Nachteilig ist das relativ große Totvolumen. Dies führt insbesondere beim Einsatz für Analysen mit kleinen Flußraten zu sehr hohen Wartezeiten bei einem Flüssigkeitswechsel oder beim Anfahren, also zu Beginn einer Analyse. Die Membrandicke entspricht der erforderlichen Schlauchwanddicke und hängt neben den mechanischen Anforderungen auch vom Herstellungsverfahren ab. Die beträchtliche Wanddicke gestattet keine optimale Effektivität der Gasabscheidung.
Die US 6,309,444 B1 offenbart eine Entgasungsvorrichtung mit einem Schlauch aus amorphem PTFE. Durch die verbesserten Diffusions- bzw. Permeationseigenschaften dieses Materials werden eine effektivere bzw. bessere Gasabscheidung und ein kleineres Totvolumen ermöglicht. Nachteilig ist hier, daß die Membrandicke durch die erforderliche Schlauchwanddicke bestimmt ist. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß amorphes PTFE sehr teuer im Vergleich zu normalem bzw. üblichem PTFE ist.
Die EP 0 973 031 A1 offenbart eine andere Entgasungsvorrichtung. Eine dünne Membran von typischerweise 5 μm aus normalem PTFE ist auf der unter Unterdruck setzbaren Gasabscheidungsseite von einer separaten Trägerschicht abgestützt. Die Trägerschicht ist porös und besteht beispielsweise aus gestrecktem bzw. gerecktem PTFE-Filtermaterial mit einer Dicke von etwa 100 μm. Die Membran und die Trägerschicht werden separat hergestellt. Die Herstellung der Membran erfolgt insbesondere durch Spin-Coating auf einen Wafer, von dem die Membran dann abgezogen wird. Im eingebauten Zustand wird die Trägerschicht ihrerseits von einer Glasfritte abgestützt. Dieser Aufbau gestattet ein besonders geringes Totvolumen. Die Membrandicke wird primär durch die erforderliche mechanische Stabilität bestimmt. Der Zusammenbau ist verhältnismäßig schwierig, insbesondere da eine relativ große Membranfläche erforderlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Membranaufbau zur Gasabscheidung, eine Entgasungsvorrichtung mit einem derartigen Membranaufbau sowie Verfahren zur Herstellung des Membranaufbaus anzugeben, wobei der Membranaufbau verhältnismäßig einfach und kostengünstig herstellbar ist und/oder eine besonders effektive Gasabscheidung ermöglicht wird.
Die obige Aufgabe wird durch einen Membranaufbau gemäß Anspruch 1, eine Entgasungsvorrichtung gemäß Anspruch 20 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 20, 28, 30, 32 oder 33 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine dünne Polymermembran, die für Gase aber nicht für Flüssigkeiten durchlässig ist, mittelbar oder unmittelbar flächig mit einer porösen Trägerschicht zu verbinden. Dies vereinfacht die Herstellung wesentlich, insbesondere wenn die Polymermembran auf oder aus der Trägerschicht hergestellt wird, wie vorzugsweise vorgesehen.
Des weiteren gestattet die vorgenannte Ausgestaltung eine wesentlich dünnere Ausbildung der Polymermembran, da diese in optimaler Weise von der Trägerschicht stabilisiert und gehalten werden kann. Die dünnere Ausbildung der Polymermembran gestattet eine effektivere Gasabscheidung, da mit abnehmender Dicke der Diffusionswiderstand für das Gas entsprechend abnimmt.
Ganz besonders bevorzugt besteht die Polymermembran zumindest im wesentlichen aus amorphem PTFE (Polytetrafluorethylen und/oder dessen Copolymeren). Dies gestattet eine wesentliche Verbesserung der Gasabscheidung, da amorphes PTFE eine gegenüber herkömmlichem PTFE wesentlich höhere Permeabilität für Gase, also höhere Durchlässigkeit bzw. einen geringeren Diffusionswiderstand aufweist.
Ein weiterer Vorteil der dünnen Ausbildung der Polymerschicht liegt darin, daß insbesondere bei Verwendung von amorphen PTFE zur Bildung der Polymerschicht eine günstige Herstellung aufgrund des geringen Materialverbrauchs ermöglicht wird.
Der vorschlagsgemäße Membranaufbau wird insbesondere als flächige bzw. ebene Membran eingesetzt. Alternativ ist der Membranaufbau schlauchförmig ausgebildet. Hierbei kann die Polymerschicht innen und/oder außen angeordnet sein.
Eine Entgasungsvorrichtung mit einem vorschlagsgemäßen Membranaufbau gestattet eine besonders effektive Entgasung und ist dementsprechend insbesondere für die chemische Analysentechnik, wie die HPLC, geeignet.
Ein erstes Verfahren zur Herstellung des Membranaufbaus zeichnet sich dadurch aus, daß eine Polymerlösung auf die Trägerschicht oder auf eine darauf angeordnete Zwischenschicht aufgebracht und eingetrocknet wird, um die Polymerschicht zu bilden. Dies kann bedarfsweise mindestens einmal wiederholt werden, um bei einer erstmaligen Membranbildung eventuell auftretende Löcher zuverlässig schließen zu können, also eine durchgehende bzw. dichte Polymerschicht als Membran zu erzielen, die für Flüssigkeit undurchlässig ist. Mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren lassen sich auf sehr einfache Weise sehr dünne, aber trotzdem dichte Polymerschichten bzw. Membranen herstellen.
Gemäß einem zweiten Verfahren wird ein Polymer auf die Trägerschicht oder eine darauf angeordnete Zwischenschicht aufgedampft, um die Polymerschicht zu bilden. Auch dies gestattet eine einfache, kostengünstige Herstellung.
Ein drittes Verfahren zur Herstellung des Membranaufbaus zeichnet sich dadurch aus, daß die Trägerschicht auf einer Flachseite durch Hitze und/oder Druck verdichtet wird, um die Porengröße im Bereich dieser Flachseite zu verkleinern und/oder um die Polymerschicht oder die Zwischenschicht zu bilden. So wird wiederum eine einfache bzw. kostengünstige Herstellung ermöglicht. Die Verkleinerung der Porengröße auf der die Polymerschicht tragenden Flachseite der Trägerschicht erleichtert insbesondere die Ausbildung einer sehr dünnen, aber trotzdem durchgehenden bzw. dichten und insbesondere durchbrechungsfreien Polymerschicht auf dieser Flachseite.
Ein viertes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Polymerschicht auf einer nicht oder nur wenig porösen Trägerschicht gebildet wird, die dann aufgeschäumt wird. Alternativ sieht ein fünftes Verfahren vor, daß eine dicke amorphe Polymerschicht in einem Teildickenbereich aufgeschäumt wird, um im aufgeschäumten Dickenbereich die poröse Trägerschicht und im verbleibenden Dickenbereich die dünne Polymerschicht zu bilden. In beiden Fällen wird wiederum eine sehr einfache, kostengünstige Herstellung des Membranaufbaus ermöglicht.
Weitere Aspekte, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine ausschnittsweise Vergrößerung von 1;
3 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer vierten Ausführungsform;
6 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer fünften Ausführungsform;
7 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer sechsten Ausführungsform;
8 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eines vorschlagsgemäßen Membranaufbaus gemäß einer siebten Ausführungsform; und
9 einen schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt einer vorschlagsgemäßen Entgasungsvorrichtung mit einem vorschlagsgemäßen Membranaufbau.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile und Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei sich gleiche oder ähnliche Eigenschaften, Effekte und/oder Vorteile ergeben, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
1 zeigt einen vorschlagsgemäßen Membranaufbau 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Membranaufbau 1 weist eine poröse Trägerschicht 2 und eine damit unmittelbar oder mittelbar flächig verbundene, dünne Polymermembran 3 auf. Der Membranaufbau 1 gestattet eine Gasabscheidung insbesondere aus einer flüssigen Phase bzw. Flüssigkeit, wie später anhand von 9 beispielhaft erläutert. Die Polymermembran 3 ist hierzu für Gase, aber nicht für Flüssigkeiten permeabel bzw. durchlässig. Die Polymermembran 3 bildet also die Funktionsschicht des Membranaufbaus 1.
Die Trägerschicht 2 dient insbesondere als Unterlage bei der Herstellung der Polymerschicht 3 sowie einer Stabilisierung und Halterung der Polymerschicht 3, die dementsprechend ganz besonders dünn ausgebildet werden kann. Die Polymermembran 3 weist insbesondere eine Dicke von weniger als 5 µm auf. Vorzugsweise beträgt die Dicke 1 bis 4 µm, insbesondere im wesentlichen 2 µm. Insbesondere beträgt die Dicke der Polymermembran 3 weniger als 10 % der Dicke des Membranaufbaus 1 oder der Trägerschicht 2. Aufgrund der geringen Dicke ist die Permeabilität bzw. Durchlässigkeit für Gas sehr hoch, also der Diffusionswiderstand durch die Polymerschicht 3 relativ klein, so daß eine besonders effektive Gasabscheidung ermöglicht wird.
Die Polymermembran 3 besteht vorzugsweise zumindest im wesentlichen aus amorphem PTFE (Polytetrafluorethylen und/oder dessen Copolymeren), insbesondere aus dem unter dem Handelsnamen "Teflon AF" von DuPont erhältlichen PTFE, beispielsweise "Teflon AF 2400".
Ganz besonders bevorzugt wird die Polymermembran 3 aus einer Polymerlösung, insbesondere aus einer Lösung von amorphem PTFE hergestellt. Dies wird noch näher erläutert.
Amorphes PTFE hat gegenüber dem herkömmlichen bzw. normalen PTFE den Vorteil, daß die Permeabilität bzw. Durchlässigkeit für Gase wesentlich höher ist. Dementsprechend wird bei Verwendung von amorphem PTFE für die Polymermembran 3 ein wesentlich geringerer Diffusionswiderstand, also eine wesentlich höhere Permeabilität bzw. Durchlässigkeit und damit Gasabscheidung bei gleicher Schichtdicke ermöglicht.
Die besonders dünne Ausbildung der Polymermembran 3 ist auch unter Kostengesichtspunkten sehr vorteilhaft, insbesondere wenn amorphes PTFE eingesetzt wird, da dieses sehr teuer ist.
Besonders bevorzugt wird die Polymermembran 3 auf oder aus der Trägerschicht 2 hergestellt. Dies wird später noch detaillierter erläutert.
Um eine vollflächige und/oder besonders feste Verbindung der Polymermembran 3 mit der Trägerschicht 2 zu erreichen, ist die Polymermembran 3 vorzugsweise auf die Trägerschicht 2 oder umgekehrt aufgeschmolzen. Dies kann insbesondere durch entsprechendes kurzzeitiges Erhitzen über die Schmelztemperatur erreicht werden.
Die Polymermembran 3 kann selbst ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. 2, die eine ausschnittsweise Vergrößerung von 1 darstellt, veranschaulicht als Darstellungsbeispiel einen zweilagigen Aufbau der Polymermembran 3 aus den beiden Polymerschichten 3' und 3''. Nachfolgend wird ein erstes, besonders bevorzugtes Verfahren zur vorschlagsgemäßen Herstellung dieses Aufbaus erläutert.
Zunächst wird die Trägerschicht 2 hergestellt bzw. bereitgestellt. Die Trägerschicht 2 ist porös ausgebildet, also für Gase und Flüssigkeiten durchlässig. Die mittlere oder maximale Porengröße beträgt beispielsweise 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 0,2 bis 5 µm, insbesondere unter 1 µm und ganz bevorzugt etwa 0,2 bis 0,4 µm.
Die Trägerschicht 2 wird vorzugsweise aus Polymer, insbesondere normalem PTFE, hergestellt. Die gewünschte Porosität kann beispielsweise durch Strekken bzw. Recken erreicht werden.
Die Dicke der Trägerschicht 2 beträgt vorzugsweise weniger als 250 µm, insbesondere 10 bis 100 µm, besonders bevorzugt 20 bis 50 µm.
Gemäß dem ersten Verfahren wird eine Polymerlösung, besonders bevorzugt eine Lösung von amorphem PTFE, insbesondere "Teflon AF", auf die Trägerschicht 2 aufgebracht und eingetrocknet, um die Polymerschicht 3 zu bilden.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante erfolgt das Aufbringen der Polymerlösung dadurch, daß die Trägerschicht 2 in die Polymerlösung getaucht wird.
Anschließend wird die Polymerlösung ausgehend von einer Flachseite der Trägerschicht 2 her eingetrocknet. Dies hat zur Folge, daß sich auf der anderen Flachseite der Trägerschicht 2 die Polymermembran 3 in der gewünschten Weise bildet, nämlich sehr dünn und dicht. Auf diese Weise lassen sich durchgehende und dichte – also für Flüssigkeiten undurchlässige – Polymermembranen 3 bzw. -schichten 3' bilden; wobei die Dicke insbesondere weniger als 5 µm, besonders bevorzugt 2 µm oder weniger, insbesondere etwa 1 µm oder sogar darunter betragen kann.
Zusätzlich oder alternativ zu dem vorgenannten einseitigen Eintrocknen kann die Polymerlösung auch durch Beschleunigungskräfte – beispielsweise beim Schleudern bzw. Zentrifugieren oder Rotieren der Trägerschicht 2 – und/oder durch Druck – beispielsweise durch Anlegen von Unterdruck bzw. Vakuum auf einer Flachseite der Trägerschicht 2 – auf der gewünschten Flachseite der Trägerschicht 2 abgeschieden bzw. konzentriert werden, um dort die Polymermembran 3 in der gewünschten Weise zu bilden.
Die vorgenannte einseitige Abscheidung bzw. Anordnung der Polymerlösung kann zusätzlich oder alternativ auch durch entsprechende Kapillarkräfte erreicht oder unterstützt werden. Insbesondere nimmt dann die Kapillarität der Trägerschicht 2 zu der Flachseite, auf der die Polymermembran 3 gebildet werden soll, hin zu, beispielsweise durch entsprechende Variation oder Verkleinerung der mittleren oder maximalen Porengröße.
Nach dem Trocknen bzw. Eintrocknen der Polymerlösung, beispielsweise für mehr als zehn Stunden bei Raumtemperatur, kann optional zusätzlich ein Trocknen im Trockenschrank beispielsweise für mehr als zehn Minuten zum Freisetzen des Lösungsmittels der Polymerlösung erfolgen, beispielsweise bei mehr als 150° C.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen und -varianten sowie Verfahren erläutert. Hierbei werden nur wesentliche Unterschiede hervorgehoben. Die bisherigen Ausführungen gelten also ansonsten entsprechend oder ergänzend.
Alternativ kann die Polymerlösung gemäß einer zweiten Ausführungsvariante beispielsweise auch durch sogenanntes Spin-Coating (gleichmäßige Verteilung der Polymerlösung durch Rotation auf einer Fläche) oder durch Sprühen, Aufrakeln oder Dispensen (insbesondere flüssigen Aufdosieren und gleichmäßige Verteilung, beispielsweise aufgrund der Benutzung bzw. Oberflächenspannung) aufgebracht werden.
Wie bereits erwähnt, besteht die optionale Möglichkeit, eine besonders feste Verbindung zwischen der Trägerschicht 2 und der Polymermembran 3 dadurch zu erreichen, daß die Polymermembran 3 auf die Trägerschicht 2 oder umgekehrt aufgeschmolzen wird.
Durch das vorgenannte Aufschmelzen oder einen separaten optionalen Sinterschritt kann des weiteren die Kristallinität, insbesondere der Polymermembran 3, in geeigneter Weise modifiziert werden, um die gewünschten Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Permeabilität bzw. Durchlässigkeit für Gase, zu erreichen.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Polymermembran 3 vorzugsweise mindestens zweilagig ausgebildet. Nach Bildung der ersten Polymerschicht 3' – wahlweise vor oder nach dem optionalen Freisetzen des Trockenmittels im Trockenschrank und/oder dem optionalen Aufschmelzen – wird beim Darstellungsbeispiel die zweite Polymerschicht 3'' gebildet, insbesondere wiederum durch Aufbringen einer Polymerlösung und Eintrocknen. Die zweite Schicht 3'' kann insbesondere eventuell in der ersten Schicht 3' vorhandene Löcher, Poren, Durchbrechungen oder dergleichen schließen, so daß die aus den bei den Schichten 3' und 3'' gebildete Polymermembran 3 durchgehend und dicht – also für Flüssigkeiten undurchlässig – ist.
Das Aufbringen der Polymerlösung für die zweite Schicht 3'' kann insbesondere auch auf andere Weise als das Aufbringen der Polymerlösung für die erste Schicht 3' erfolgen.
Anstelle des Aufbringens einer Polymerlösung kann alternativ oder zusätzlich gemäß einem zweiten Verfahren das die Polymermembran 3 bildende Polymermaterial auch aufgedampft oder in sonstiger geeigneter Weise, beispielsweise durch Sputtern, aufgebracht werden. Soweit erforderlich, kann durch nachfolgende Behandlung – beispielsweise Aufschmelzen – die gewünschte Bildung der Polymermembran 3 aus dem Polymermaterial erreicht werden.
Um eine möglichst glatte bzw. durchgehende Flachseite oder Unterlage für die Polymermembran 3 zu bilden, ist eine kleine Porengröße bzw. geringe Porosität der Trägerschicht 2 vorteilhaft. Gemäß einer Ausführungsvariante nimmt daher die Porengröße und/oder -dichte der Trägerschicht 2 über die Dicke der Trägerschicht 2 zur Polymerschicht 3 hin ab oder ist zumindest im Bereich der der Polymermembran 3 zugewandten Flachseite der Trägerschicht 2 verringert, wie bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3 angedeutet. Letzteres kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß die Trägerschicht 2 auf dieser Flachseite durch Hitze und/oder Druck modifiziert, beispielsweise angeschmolzen und/oder verdichtet, wird.
Zusätzlich oder alternativ ist auch eine sonstige chemische und/oder mechanische Behandlung möglich, um die der Polymermembran 3 zugewandte Flachseite der Trägerschicht 2 möglichst glatt und/oder porenfrei auszubilden bzw. nur mit feinen Poren zu versehen, um die Bildung einer durchgehenden und dichten, dünnen Polymermembran 3 zu erleichtern bzw. zu unterstützen.
Zur Haftvermittlung bzw. -verbesserung und/oder zur Bereitstellung einer möglichst glatten, porenfreien und/oder zumindest nur mit kleinen Poren versehenen Oberfläche bzw. Unterlage für die Polymermembran 3 ist optional eine Zwischenschicht 4 zwischen der Trägerschicht 2 und der Polymermembran 3 angeordnet. Die in einem schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt gemäß 4 dargestellte dritte Ausführungsform des vorschlagsgemäßen Membranaufbaus 1 zeigt eine derartige Zwischenschicht 4, die zunächst auf der Trägerschicht 2 gebildet wird und auf der dann die Polymermembran 3, wie insbesondere oben oder nachfolgend beschrieben, gebildet wird.
Die Zwischenschicht 4 ist vorzugsweise porenfrei ausgebildet. Beispielsweise besteht die Zwischenschicht 4 aus einem Polymer, insbesondere einem normalen, porenfreien PTFE.
Alternativ kann die Zwischenschicht 4 auch durch entsprechendes Verdichten und/oder sonstiges Modifizieren – beispielsweise durch Aufschmelzen, chemisches Behandeln oder dergleichen – eines Dickenbereichs der Trägerschicht 2 gebildet sein.
Gemäß einem dritten Verfahren kann die Trägerschicht 2 auf einer Flachseite durch Hitze und/oder Druck verdichtet werden, um die Polymermembran 3 oder die Zwischenschicht 4, wie bereits angesprochen, zu bilden.
Gemäß einem vierten Verfahren wird die Polymermembran 3 auf einer nicht oder nur wenig porösen Trägerschicht 2 gebildet, die aufgeschäumt wird. Das Aufschäumen kann beispielsweise durch ein Blähmittel und/oder Erhitzen oder in sonstiger geeigneter Weise erfolgen.
Gemäß einem fünften vorschlagsgemäßen Verfahren wird eine dicke amorphe Polymerschicht in einem Teildickenbereich aufgeschäumt, um im aufgeschäumten Dickenbereich die poröse Trägerschicht 2 und im verbleibenden Dickenbereich die dünne Polymermembran 3 zu bilden.
Gemäß einem weiteren, auch unabhängig von dem voranstehend beschriebenen, vorschlagsgemäßen Membranaufbauten 1 und/oder Herstellungsverfahren realisierbaren Aspekt kann die Polymermembran 3 durch eine optionale Schutzschicht 5 abgedeckt werden, wie in 4 angedeutet. Die Schutzschicht 5 dient insbesondere einem Schutz der Polymermembran 3 gegen mechanische und/oder chemische Einwirkungen. Dies gilt insbesondere, wenn die Polymermembran 3 zumindest im wesentlichen aus amorphem PTFE be steht, das beispielsweise gegen bestimmte Lösungsmittel nicht beständig ist. Die Schutzschicht 5 ist dann derart ausgebildet, daß diese gegen möglichst alle gängigen Lösungsmittel beständig ist. Hierzu ist die Schutzschicht 5 beispielsweise aus normalem, porenfreiem PTFE oder einem sonstigen geeigneten Polymer mit ausreichend großer Permeabilität bzw. Durchlässigkeit für die abzuscheidenden Gase hergestellt. Dadurch, daß die Schutzschicht 5 sehr dünn ausgebildet werden und insbesondere eine Dicke von nur etwa 1 µm aufweisen kann, ist gegenüber dem Stand der Technik eine immer noch wesentlich effektivere bzw. bessere Gasabscheidung möglich.
Die Schutzschicht 5 überdeckt die Polymerschicht 3 vorzugsweise vollständig zumindest in den mit Flüssigkeit in Kontakt tretenden Bereichen und/oder in den mechanischen Belastungen oder Einwirkungen ausgesetzten Bereichen.
Es ist anzumerken, daß die Bildung bzw. Herstellung der Zwischenschicht 4 und/oder der Schutzschicht 5 entsprechend der Herstellung der Polymermembran 3 oder in einer sonstigen geeigneten Weise erfolgen kann.
5 zeigt in einem schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eine vierte Ausführungsform des vorschlagsgemäßen Membranaufbaus 1. Hier ist die poröse Trägerschicht 2 beidseitig – also auf beiden Flachseiten – jeweils mit einer Polymermembran 3 im oben genannten Sinne versehen.
Die obigen Erläuterungen für die beiden Polymermembranen 3 gelten entsprechend. Bedarfsweise können die beiden Polymermembranen 3 auch unterschiedlich ausgebildet und/oder auf unterschiedliche Weise hergestellt sein.
Der Membranaufbau 1 ist gemäß den in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen vorzugsweise glatt bzw. flach und insbesondere eben ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt wird der Membranaufbau 1 auch in dieser Form – beispielsweise zur Gasabscheidung – eingesetzt.
Jedoch kann der Membranaufbau 1 auch jede sonstige, insbesondere an den jeweiligen Verwendungszweck angepaßte Form aufweisen.
Der schematische, nicht maßstabsgerechte Schnitt gemäß 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform. Der Membranaufbau 1 ist hier hohlzylindrisch bzw. rohrförmig, insbesondere als Schlauch, ausgebildet. Bei der fünften Ausführungsform kleidet die Polymermembran 3 die von der Trägerschicht 2 gebildete Wandung innen aus. Bei der in 7 gezeigten, sechsten Ausführungsform ist die Polymermembran 3 nicht innen, sondern außen angeordnet. Bei der in 8 gezeigten, siebten Ausführungsform ist sowohl innen als auch außen eine Polymermembran 3 angeordnet bzw. gebildet.
Der schlauchförmig ausgestaltete Membranaufbau 1 – insbesondere gemäß der fünften und siebten Ausführungsform – ist besonders als gasdurchlässige Leitung bzw. gasdurchlässiger Schlauch für Entgasungsvorrichtungen, vorzugsweise wie in der US 6,309,444 B1 beschrieben, einsetzbar. Insbesondere wird Flüssigkeit F durch das Innere geleitet, wie in 6 angedeutet. In der Flüssigkeit F enthaltene Gase G werden dann aufgrund einer angelegten Druckdifferenz radial nach außen abgegeben, wie durch den Pfeil P veranschaulicht. Die Druckdifferenz kann beispielsweise durch Anlegen eines Unterdrucks oder Vakuums außen und/oder Erhöhen des Drucks der Flüssigkeit F im Inneren erzeugt werden.
Grundsätzlich ist jedoch auch eine Entgasung in umgekehrter Richtung möglich, insbesondere bei Verwendung der sechsten oder siebten Ausführungsform. In diesem Fall wird das abgeschiedene Gas im Inneren des schlauchförmigen Membranaufbaus 1 abgeführt. Die Fläche der außenliegenden Polymermembran 3 ist wesentlich größer als die der innenliegenden Polymermembran 3, so daß eine noch effektivere Abscheidung bei ansonsten gleichen Druckverhältnissen aus der dann den Membranaufbau 1 außen umströmenden, nicht dargestellten Flüssigkeit ermöglicht wird.
9 zeigt in einem schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnitt eine vorschlagsgemäße Entgasungsvorrichtung 6 mit einem vorschlagsgemäßen Membranaufbau 1. Der Membranaufbau 1 trennt eine Kammer 7 für die zu entgasende Flüssigkeit F von einer Kammer 8 zur Ableitung von abgeschiedenem Gas G. Die Polymermembran 3 weist zur Flüssigkeitsseite; die poröse Trägerschicht 2 ist also gasseitig angeordnet.
Die Flüssigkeit F ist insbesondere in Richtung S über einen Einlaß 9 der Kammer 7 zuführbar, vorzugsweise parallel oder flach über den Membranaufbau 1 bzw. die Polymermembran 3 leitbar und über einen Auslaß 10 wieder abführbar, beispielsweise zu einer nicht dargestellten, chemischen Analyseneinrichtung, wie einem Flüssigkeitschromatographen oder dergleichen.
Die Kammer 8 für die Gasableitung steht mit einer Unterdruck- oder Vakuumpumpe 11 – insbesondere über einen Anschluß oder Auslaß 12 in Verbindung. So ist in der Kammer 8 ein Unterdruck oder Vakuum erzeugbar, um die gewünschte Abscheidung von Gas G aus der Flüssigkeit F durch Diffusion durch die Polymermembran 3 – also den Membranaufbau 1 hindurch – zu bewirken.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Unterdruck oder Vakuum in der Kammer 8 kann die Flüssigkeit F in der Kammer 7 unter Überdruck gesetzt werden, um die gewünschte Druckdifferenz zur Gasabscheidung zu erzeugen oder zu steigern.
Gasseitig ist der Membranaufbau 1 bzw. die Trägerschicht 2 vorzugsweise durch einen geeigneten, beispielsweise mit Vorsprüngen oder Rippen versehenen Stützkörper 13, wie eine Glasfritte oder dergleichen, abgestützt.
Generell gilt insbesondere:
Der vorschlagsgemäße Membranaufhau 1 gestattet eine besonders effektive Gasabscheidung, da eine hohe Durchlässigkeit bzw. Permeabilität für das abzuscheidende Gas G erreichbar ist. Des weiteren ist insbesondere bei Verwendung von amorphem PTFE der Kostenaufwand verhältnismäßig gering, da die Polymermembran 3 vorschlagsgemäß sehr dünn ausgebildet werden kann.
Die optionale Schutzschicht 5 ermöglicht außerdem einen universellen Einsatz auch von amorphem PTFE oder sonstigen beispielsweise gegen Chemikalien nicht ausreichend stabilen Polymeren.
Die einzelnen Merkmale, Aspekte, Herstellungsschritte und dergleichen der verschiedenen Ausführungsformen können auch beliebig miteinander kombi niert oder für sonstige Membranaufbauten oder Entgasungsvorrichtungen eingesetzt oder kombiniert werden.

Claims

Membranaufbau (1) zur Gasabscheidung, mit einer porösen Trägerschicht (2) und einer damit mittelbar oder unmittelbar flächig verbundenen, dünnen Polymermembran (3), die für Gas (G) aber nicht für Flüssigkeit (F) durchlässig ist.
Membranaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) zumindest im wesentlichen aus amorphem PTFE besteht.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) eine Dicke von weniger als 5 µm, vorzugsweise 1 bis 4 µm, insbesondere im wesentlichen 2 µm, aufweist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) eine Dicke von weniger als 10 % der Dicke des Membranaufbaus (1) oder der Trägerschicht (2) aufweist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) ein- oder mehrlagig ausgebildet ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) auf oder aus der Trägerschicht (2) hergestellt ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) auf die Trägerschicht (2) oder umgekehrt aufgeschmolzen ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (2) aus Polymer, insbesondere PTFE, hergestellt ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (2) eine mittlere oder maximale Porengröße von 0,1 bis 10 µm, insbesondere 0,2 bis 5 µm, aufweist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße und/oder -dichte der Trägerschicht (2) über die Dicke der Trägerschicht (2) variiert, insbesondere zur Polymermembran (3) hin abnimmt.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (2) im Bereich der Polymermembran (3) zur Verringerung der Porengröße und/oder -dichte der Trägerschicht (2) oder Bildung der Polymermembran (3) verdichtet und/oder aufgeschmolzen ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (2) eine Dicke von weniger als 250 µm, vorzugsweise von 10 bis 100 µm, insbesondere von 20 bis 50 µm, aufweist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Trägerschicht (2) und der Polymermembran (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist, insbesondere als Haftvermittler.
Membranaufbau nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) eine kleinere Porengröße und/oder -dichte als die Trägerschicht (2) aufweist oder zumindest im wesentlichen porenfrei ausgebildet ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran (3) von einer Schutzschicht (5) abgedeckt ist.
Membranaufbau nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranaufbau (1) flächig oder eben ausgebildet ist.
Membranaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranaufbau (1) schlauchformig ausgebildet ist, insbesondere wobei die Polymermembran (3) innen und/oder außen angeordnet ist.
Entgasungsvorrichtung (6) mit einem nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildeten Membranaufbau (1).
Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranaufbau (1) gasabscheidungsseitig abgestützt ist.
Verfahren zur Herstellung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildeten Membranaufbaus (1), wobei eine Polymerlösung auf die Trägerschicht (2) oder eine darauf angeordnete Zwischenschicht (4) aufgebracht und eingetrocknet wird, um die Polymermembran (3) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerlösung durch Sprühen, Tauchen, Aufrakeln, Dispensen oder Spin-Coating aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerlösung zumindest im wesentlichen auf einer Flachseite der Trägerschicht (2) durch Beschleunigen, insbesondere Rotieren, und/oder Anlegen von Unterdruck abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerlösung im wesentlichen nur ausgehend von einer Flachseite, insbesondere von der der zu bildenden Polymermembran (3) abgewandten Flachseite der Trägerschicht (2), eingetrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eintrocknen die Polymermembran (3) auf die Trägerschicht (2) bzw. die Zwischenschicht (4) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bilden einer ersten Polymerschicht (3') eine zweite Polymerschicht (3'') darauf gebildet wird, insbesondere durch nochmaliges Aufbringen einer Polymerlösung und Eintrocknen.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerlösung durch Sprühen, Tauchen, Aufrakeln, Dispensen oder Spin-Coating aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eintrocknen der zweiten Polymerschicht (3'') diese auf die erste Polymerschicht (3') aufgeschmolzen wird.
Verfahren zur Herstellung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildeten Membranaufbaus (1), wobei ein Polymer auf die Trägerschicht (2) oder eine darauf angeordnete Zwischenschicht (4) aufgedampft wird, um die Polymerschicht (3) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer nach dem Aufdampfen auf die Trägerschicht (2) bzw. die Zwischenschicht (4) aufgeschmolzen wird, um die Polymerschicht (3) zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildeten Membranaufbaus (1), wobei die Trägerschicht (2) auf einer Flachseite durch Hitze und/oder Druck verdichtet wird, um die Porengröße und/oder -dichte im Bereich dieser Flachseite zu verkleinern und/oder um die Polymerschicht (3) oder die Zwischenschicht (4) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die Polymerschicht (3) auf der Trägerschicht (2) oder Zwischenschicht (4) gemäß einem der Ansprüche 22 bis 31 hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildeten Membranaufbaus (1), wobei die Polymerschicht (3) auf einer nicht oder nur wenig porösen Trägerschicht (2) gebildet wird, die aufgeschäumt wird.
Verfahren zur Herstellung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildeten Membranaufbaus (1), wobei eine dicke amorphe Polymerschicht in einem Teildickenbereich aufgeschäumt wird, um im aufgeschäumten Dicken bereich die poröse Trägerschicht (2) und im verbleibenden Dickenbereich die dünne Polymerschicht (3) zu bilden.