DE102006042876B4

DE102006042876B4 - Asymmetrische Membran, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Verwendung als Umkehrosmosemembran, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102006042876B4
Application number: DE102006042876A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Drapp; Wolfram Prof. Dr.-Ing. Beier; Oliver W. Baumann; Ulrike Reisinger; Daniel Meiners
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2026-09-14
Also published as: DE102006042876A1

Abstract

Asymmetrische Membran, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Verwendung als Umkehrosmosemembran, die aufweist:
– eine symmetrische Membran und
– eine Sol-Gel-Beschichtung mit nanoskaliger Porosität.

Description

Die Erfindung betrifft eine asymmetrische Membran mit einer anorganischen Funktionsbeschichtung zur Verwendung als Umkehrosmosemembran und Verfahren zu deren Herstellung.
Rund 97,4% der weltweit verfügbaren Wasservorräte bestehen aus salzhaltigem Meerwasser. Der durchschnittliche Salzgehalt von Meerwasser liegt bei 35 g/Liter (Brackwasser: 7,5 g/Liter). Von den verbleibenden 2,6% Süßwasser ist der größte Teil in Polarkappen und Gletschern gebunden. Weniger als 0,5% der weltweiten Wasservorkommen sind überhaupt als Trinkwasser geeignet und direkt zugänglich.
Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist nicht in allen Regionen der Erde gewährleistet. Langfristig wird sich das Problem aufgrund der demographischen Entwicklung noch verschärfen. Eine mögliche Lösung könnte das Entsalzen von Meerwasser darstellen. Dazu werden große Meerwasserentsalzungsanlagen gebaut. Am verbreitetsten sind Verfahren zur Mehrstufenverdampfung (Multistage Flash Evaporation, MSF), die Multi-Effekt-Destillation (MED), die Dampfkompression (vapor compression, VC) sowie die Umkehrosmose. Die Umkehrosmose wurde in den 70er Jahren eingeführt und hat sich zu einer Technologie entwickelt, deren Marktanteil stetig wächst.
Zur Umkehrosmose werden einseitig durchlässige Membranen verwendet, die ähnlich wie ein Filter im Molekularbereich arbeiten. Wird eine wäßrige Lösung unter hohem Druck (größer als der osmotische Druck) durch eine solche Membran gepreßt, so bleibt der Hauptanteil der Salze, Bakterien, und gegebenenfalls andere Stoffe, wie Detergenzien, Pflanzenschutzmittel und dergleichen zurück. Es wird praktisch reines Wasser durch die Membran abgetrennt.
Die Umkehrosmose beim Einsatz zur Meerwasserentsalzung zeichnet sich im Vergleich zur thermischen Destillation durch einen niedrigeren Energiebedarf und geringere Investitionskosten aus. Zur Zeit werden hierbei als Membranen sowohl Polymer als auch Keramikmembranen zur Wasseraufbereitung eingesetzt. Bekannt sind sogenannte asymmetrische Polymermembranen mit einem Porendurchmesser von < 1 nm. Die Nachteile dieser Membranen liegen in der Empfindlichkeit der Membranen gegenüber Belägen („fouling") und den damit verbundenen hohen Wartungs- und Ersatzteilkosten sowie dem Risiko von Versorgungsunterbrechungen. Erhebliche Einschränkungen ergeben sich aus der geringen Standzeit der bekannten Membranen und dem damit verbundenen Stillstand der Anlage während des Austauschs. Wird die Membran mit Chemikalien gereinigt, führt dies ebenfalls zur vorzeitigen Alterung der Membran. Darüber hinaus bedeutet es einen stark erhöhten Wasser- und Energieverbrauch, hervorgerufen durch die notwendige Spülzeit, um die Chemikalien wieder aus dem System zu entfernen.
Dennoch entwickelt sich der Markt zunehmend in Richtung auf Umkehrosmose-Anwendungen. Es besteht demnach ein großer Bedarf nach verbesserten Membranen, um die angesprochenen Probleme in den Griff zu bekommen.
Die Herstellung derartiger Membranen muss jedoch hinsichtlich der technischen Umsetzbarkeit und der Wirtschaftlichkeit auch bei Herstellung in größerem Maßstab geeignete Ergebnisse liefern. Bei ihren umgangreichen Studien und Untersuchungen haben die Erfinder beispielsweise festgestellt, dass eine asymmetrische Membran mit den gängigen Sol-Gel-Verfahren nicht beschichtet werden kann, weil einerseits durch die Sol-Gel-Beschichtung die Permeation der asymmetrischen Membran reduziert wird und andererseits die mit Sol-Gel-Glas beschichtete Membran nicht mehr in den üblichen Prozessen bei der Filterelementherstellung weiterverarbeitet werden kann. Zudem wurde festgestellt, dass eine glasbeschichtete Membran nicht mehr in die übliche Filterform gewickelt werden kann, ohne dass die aufgebrachte dünne Glasschicht bricht und dadurch die zuvor eingeführte Funktionalität wieder zerstört wird. Auch eine Abscheidung aus der Gasphase auf eine bereits in Filterform gewickelte Membran mittels eines PICVD Verfahrens ließ sich wirtschaftlich nicht darstellen. Die gängigen Herstellungsverfahren, wie beispielsweise eine Beschichtung aus der Gasphase, waren ebenfalls ungeeignet.
Basierend auf den obigen Erkenntnissen wurde die vorliegende Erfindung erarbeitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und eine verbesserte Membran bereitzustellen, die in einem wirtschaftlichen und technisch einfach umsetzbaren Verfahren, insbesondere auch in großindustriellem Maßstab, herstellbar sein sollte. Die Einsetzbarkeit der Membran sollte möglichst vielseitig sein.
Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine asymmetrische Membran gelöst, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Verwendung als Umkehrosmosemembran, die aufweist:

– eine symmetrische Membran und
– eine Sol-Gel-Beschichtung mit nanoskaliger Porosität.

Erfindungsgemäß wird demnach eine Membran bereitgestellt, die mit einer porösen Sol-Gel-Beschichtung zumindest auf einem Teil der Oberfläche beschichtet ist, die in der vorliegenden Erfindung auch als „anorganische Funktionsschicht" bezeichnet wird. Durch das Aufbringen der anorganischen Funktionsschicht gelingt es somit, aus einer symmetrischen polymeren Membran, wobei die Ober- und Unterseite aus demselben Material mit vergleichbaren Porengrößen aufgebaut sind, eine erfindungsgemäße asymmetrische Membran zu erhalten.
Der Begriff „Sol-Gel-Beschichtung" soll eine Beschichtung darstellen, die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurde. Das Sol-Gel-Beschichtung ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Es kann jede dem Fachmann bekannte mit Hilfe eines Sol-Gel-Verfahrens herstellbare Schicht verwendet werden.
Die Sol-Gel-Beschichtung wird üblicherweise in Wasser oder einem wässerig/organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise einem Ethanol/Wasser- und/oder Aceton/Wasser-Gemisch, durch saure oder basisch katalysierte Hydrolyse hergestellt. Die Sole sind klare und stabile kolloidale Lösungen einer Metallverbindung, üblicherweise eines Metalloxids oder Metallalkoxids, mit Feststoffgehalten in der Regel im Bereich von etwa 1 bis etwa 30 Gew.-%. Die Metallverbindungsgehalte können aber auch deutlich höher sein. Unter „Metall" sollen hier auch die Halbmetalle, wie beispielsweise Silizium oder Germanium, verstanden werden.
Bevorzugt finden sogenannte Nanosole Verwendung. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser derartiger Nanosole liegt im Nanometer-Bereich, beispielsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 200 nm.
Im Laufe der Herstellung der Beschichtung wird dann ein Teil des Lösungsmittels verdampft, wodurch die Teilchen Aggregate bilden und eine dreidimensionale Vernetzung stattfindet. Nach vollständigem Verdampfen des Lösungsmittels resultiert eine lösungsmittelfreie Beschichtung einer porösen Sol-Gel-Beschichtung. Die Sol-Gel-Matrix kann auch in beliebiger Weise chemisch durch Co-Hydrolyse oder Co-Kondensation modifiziert werden. Diese Modifikationen sind dem Fachmann bekannt. Derartige organisch modifizierte Sol-Gel-Verbindungen sind beispielsweise unter der Marke ORMOCER^® bekannt geworden.
Erfindungsgemäß sind Sol-Gel-Schichten bevorzugt, die als Matrix Siliziumoxid enthalten oder aus diesem bestehen.
Unter „nanoskaliger Porosität" der Sol-Gel-Beschichtung soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass Poren mit einem Durchmesser im Nanometer-Bereich vorliegen. Die Einstellung der Porengröße gehört zum Wissen des Fachmanns, so dass keine detaillierten Ausführungen erforderlich sind. Im Allgemeinen wird die gezielte Einstellung der Porengröße beispielsweise durch Verwendung von Nanosolen erreicht oder es kann beispielsweise durch die Verdampfung des Lösungsmittels bei Herstellung der Beschichtung Einfluss hierauf genommen werden. Die Porengrößen werden je nach dem Anwendungsfall ausgewählt und darauf ausgelegt.
Besonders bevorzugt wird die Sol-Gel-Beschichtung unmittelbar auf die symmetrische Membran ohne Zwischenschichten aufgebracht.
Als zu beschichtendes Substrat oder Auflage wird eine symmetrische Membran verwendet, ansonsten ist das Substrat erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Vorzugsweise ist die symmetrische Membran, nachfolgend als Membransubstrat oder einfach als Substrat bezeichnet, aus einem oder mehreren Polymeren aufgebaut. Dieses Membransubstrat ist porös und weist damit in der Oberfläche Öffnungen, d. h. Poren auf, die je nach dem Einsatzzweck eingestellt werden.
Erfindungsgemäß kommt ein symmetrisches Membransubstrat zum Einsatz. Ein symmetrisches Membransubstrat weist über die gesamte Membrandicke bzw. Querschnittsstruktur eine gleichförmige Struktur auf, während eine asymmetrische Struktur beispielsweise zwei unterschiedliche Seiten besitzt. Ausgangsmaterialien für das Membransubstrat sind organische Systeme, beispielsweise natürliche oder synthetische Polymere, wie Cellulose und deren Derivate, Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polyester, Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder anorganische Systeme, wie Palladium, Kohlenstoff, Keramik oder γ-Al₂O₃.
Besonders bevorzugt wird als Membransubstrat ein symmetrisches Polymervlies verwendet. Unter „Polymervlies" soll erfindungsgemäß ein Vlies oder Vliesstoff verstanden werden, welcher ein textiles Flächengebilde aus einzelnen Polymerfasern darstellt. Im Gegensatz hierzu stehen Gewebe, Gestricke und Gewirke, die aus Garnen hergestellt sind. Ein Vlies besteht aus lose zusammen liegenden Fasern, die mit verschiedenen Methoden verfestigt werden können. Dies stellt für den Fachmann eine bekannte Technologie dar.
Für die Fasern des Polymervlies kann jede Art Polymermaterial verwendet werden, z. B. die oben genannten Polymere. Besonders bevorzugt können chemische Fasern aus natürlichen Polymeren, z. B. Cellulose oder deren Derivate, oder Fasern aus synthetischen Polymeren, wie Polyamid (PA 6.6-Markenbezeichnung Nylon, PA 6.0-Markenbezeichnung Perlon), Polyester (PET, PBT), Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), ausgewählt sein, oder es können Fasermischungen verwendet werden.
Der Begriff „symmetrisches Polymervlies" soll bedeuten, dass das Polymervlies über die gesamte Querschnittsstruktur oder -dicke dieselbe Struktur aufweist. Wenn die Fasern keine Vorzugsrichtung in ihrer Ausrichtung (Orientierung) haben, spricht man von einem isotropen Vliesstoff. Sind die Fasern in einer Richtung häufiger angeordnet als in der anderen Richtung, dann spricht man von Anisotrop. Faserorientierte bzw. fasergeordnete Vliesstoffe können in einer Richtung, längs oder quer zur Maschine, gelegt werden, oder aus mehreren Lagen bestehen, welche über Kreuz abgelegt werden. Es sind aber auch andere Anordnungen möglich, die als symmetrisch angesehen werden.
Das Substrat ist in der Regel relativ dünn und weist eine übliche Dicke auf.
Das Substrat ist nicht nur hinsichtlich des Materials, sondern auch hinsichtlich der Form im Rahmen der Erfindung nicht besonders begrenzt; dies hängt vom konkreten Anwendungsfall ab.
Das Substrat oder Polymervlies kann vor der Beschichtung einer Vorbehandlung unterzogen werden. Beispielsweise kann die Oberfläche des Substrats vor der Beschichtung mit der Sol-Gel-Schicht aktiviert werden. Derartige Aktivierungsverfahren sind vielfältig und dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise eine Oxidation oder eine UV-Behandlung.
Durch die erfindungsgemäße Membran, welche die Sol-Gel-Beschichtung aufweist, lässt sich in überraschender Weise das Problem des sogenannten „fouling" deutlich verringern. Dies bedeutet, dass gleichzeitig ein geringer Einsatz von Reinigungsmitteln und Spülwasser und zusätzlich eine höhere Standzeit erreicht werden. Damit resultiert neben einer längeren Haltbarkeit der Membran auch eine geringere Ausfallzeit. Die Beschichtung stellt somit eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar.
Die Verwendung der Sol-Gel-Beschichtung erlaubt ferner, eine wirtschaftliche Beschichtung auch von großen Flächen durchzuführen, wobei im Wesentlichen auf wässerige Systeme zurückgegriffen werden kann, so dass keine giftigen Lösungsmittel freigesetzt werden. Weitere Vorteile von derartigen mit einem Sol-Gel-Verfahren erzeugten Schichten sind die erhaltene gute mechanische, thermische und photochemische Stabilität, die Herstellungsmöglichkeit bei Raumtemperatur und, wenn gewünscht, eine hohe spektrale Transparenz. Diese Transparenz kann unter Umständen dazu verwendet werden, sichtbare Verschmutzungen der erfindungsgemäßen Membran in einfacher Weise und sehr schnell festzustellen.
Ein weiterer Vorteil derartiger Sol-Gel-Schichten besteht darin, dass diese keine Nahrungsquelle für Mikroorganismen darstellen, da sie sowohl toxikologisch als auch biologisch völlig inert sind. Die erfindungsgemäße anorganische Beschichtung mit nanoskaliger Porosität auf Polymermembranen ist demnach besonders geeignet, um die organische Membran weitgehend vor einem Bakterienangriff zu schützen.
Bei der erzeugten anorganischen Sol-Gel-Beschichtung handelt es sich im ausgehärteten Zustand um eine Schicht, die praktisch frei von Verunreinigungen ist. Diese ist daher für die Verwendungen in Kontakt mit sensiblen Produkten geeignet, d. h. für den Verzehr geeignete Produkte, wie Trinkwasser, Nahrungs- und Lebensmittel, oder auch Arzneimittel und dergleichen.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Sol-Gel-Beschichtung auch mit einer oder mehreren weiteren Funktionalitäten bzw. einer oder mehreren zusätzlich erwünschten Eigenschaften ausgerüstet werden. Dies kann beispielsweise durch Zugabe von einem oder mehreren entsprechenden Zusätzen direkt zur Sol-Gel-Beschichtung erfolgen, oder es können eine oder mehrere zusätzliche Schichten über oder auf der Sol-Gel-Beschichtung vorgesehen sein. Die Funktionsschicht(en) können unmittelbar auf der Sol-Gel-Schicht ohne Zwischenschichten vorgesehen werden.
Die zusätzlichen Funktionalitäten bzw. Eigenschaften können zum Beispiel ausgewählt werden aus antimikrobieller Funktion, Anti-Schimmel-Funktion bzw. fungizider Funktion, Anti-Algen-Funktion, Reinigungsfunktion, Geruchsneutralisierungsfunktion, Zersetzungsfunktion für toxische Gase, Farb-Funktion, photokatalytische Funktion oder Kombinationen hiervon.
Der Zusatz oder die Zusätze, welche die gewünschten Funktionalitäten verleihen werden in definierter Menge eingesetzt. Das bedeutet, die Menge resultiert aus dem Grad bzw. der Stärke des erwünschten Effekts und dem ausgewählten Zusatz.
So kann beispielsweise eine fluorhaltige Sol-Gel-Beschichtung zu einer deutlich geringeren Anhaftung von Bakterien und anderen organischen Substanzen führen. Diese Art der Beschichtung bietet eine dem Lotus-Effekt verwandte Funktionalität.
Um beispielsweise eine antimikrobielle Sol-Gel-Beschichtung zu erhalten, wird in die anorganische Sol-Gel-Matrix zumindest eine antimikrobiell wirksame Substanz dotiert. Beispielsweise können Silberpartikel in die Sol-Gel-Beschichtung eingebracht werden. Hierbei stellt die Sol-Gel-Beschichtung dann eine Matrix dar, die mit mindestens einer antimikrobiell wirksamen Substanz, beispielsweise in Form von Nanoteilchen, dotiert ist. Beispielsweise kann als antimikrobielle Substanz ionisches Silber oder auch metallisches Silber in Form von Nanoteilchen (z. B. „Silbercluster") Verwendung finden. Das metallische Silber in Form von Nanoteilchen kann als Freisetzungssystem für Silberionen fungieren. So können Silberionen beispielsweise durch Oxidation aus metallischem Silber freigesetzt werden. Die Nanoteilchen können als separate Partikel und/oder als Agglomerate vorliegen. Im Falle von Silber haben diese Nanopartikel als Primärpartikel typischerweise eine Teilchengröße von 1 bis 200 nm.
Unter „antimikrobieller Sol-Gel-Beschichtung" soll eine Beschichtung verstanden werden, die mindestens eine antimikrobiell wirksame Substanz enthält, die von der Oberfläche der Schicht in einem Ausmaß freigesetzt wird, das ausreicht, der Oberfläche antimikrobielle Eigenschaften zu verleihen, wobei die Substanz gleichzeitig derart langsam freigesetzt wird, dass die Oberfläche für einen ausgedehnten Zeitraum antimikrobiell bleibt.
Die antimikrobiell wirksame Substanz kann neben Silberionen auch Zink, Kupfer, Jod, oder Kombinationen dieser Ionen darstellen. Kombinationen derartiger Ionen können vorteilhafte Auswirkungen haben, wenn breite antimikrobielle Wirksamkeit gegen spezielle Bakterien oder Pilze erreicht werden soll, wodurch mitunter synergistische Effekte resultieren. Beispielsweise sind Kombinationen von Silber- und Kupfersalzen besonders effektiv gegen Bakterien. Besonders bevorzugte Salze der Metalle sind beispielsweise Nitrate, Chloride oder organische Salze, wie Acetat; oder auch Mischungen hiervon.
Insbesondere bevorzugte antimikrobielle Substanzen sind daher silberanorganische Verbindungen, wie Silberchlorid, Silbernitrat, Silberoxid, Silbersulfid, Silbersulfat, Silber oder silberorganische Verbindungen.
Lediglich beispielhaft sei die Konzentration von Silberionen in einer Schicht in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 300 ppm, bevorzugt von etwa 80 bis etwa 150 ppm angegeben. Dabei ist zu beachten, dass es bei der Verwendung von nanoskaligen Silberpulvern ein Gleichgewicht zwischen freien Silberionen und metalischem Silber gibt. Mikrobiologisch aktiv ist aber nur das Silber-Kation. Der Anteil der Silber-Kationen ist daher abhängig von der Art der eingesetzten nanoskaligen Silberpartikel. D. h. die Konzentration von metalischen nanoskaligen Silberpartikeln muss in der Regel weitaus höher liegen als die angegebene Konzentration der Silber-Kationen in der Schicht.
Weiterhin sind auch photokatalytisch ausgerüstete Sol-Gel-Beschichtungen möglich: Dies kann zum Beispiel durch einen Zusatz von TiO₂ (Anatas) erreicht werden. Die Schichten besitzen dann beispielsweise selbstreinigende Eigenschaften und haben aus diesem Grund einen sehr weiten Anwendungsbereich: Diese zeigen unter anderem anti-bakterielle, Anti-Schimmel- bzw. fungizide, Anti-Algen-, Geruchsneutralisierungs- und Zersetzungs-Eigenschaften für toxische Gase etc. Photokatalytisch beschichtete Sol-Gel-Membranen der Erfindung können beispielsweise in Fischzuchtbecken zur Reinigung der Wasserversorgung zum Einsatz kommen.
Beispielsweise können auch anorganische und/oder organische Farbstoffe und/oder Pigmente zugesetzt werden. Durch die Zugabe von organischen und/oder anorganischen Farbstoffen oder Pigmenten können zusätzliche Farbeffekte erzeugt werden, die beispielsweise bei Einsatz im Haushalt zur Trinkwasseraufbereitung interessant sind.
Erfindungsgemäß kann auch eine Kombination aus zwei oder mehreren Funktionalitäten durch Auswahl entsprechender Zusätze ausgewählt werden, beispielsweise indem gleichzeitig Fluor- und Silber-haltige Zusätze in der Sol-Gel-Beschichtung oder einer oder mehreren darüber angeordneten Schichten enthalten sind. Dies hängt in hohem Maß vom gewünschten Einsatz und Anwendungsbereich ab.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer asymmetrischen Membran, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Verwendung als Umkehrosmosemembran, welches die Schritte aufweist:

(1) Aufbringen eines Sols oder Sol-Vorläufers in einem Lösungsmittel auf zumindest einen Teil einer Oberfläche einer symmetrischen Membran;
(2) gegebenenfalls Aufrollen der in Schritt (1) erhaltenen Membran und
(3) Trocknen des Sols oder Sol-Vorläufers bei Raumtemperatur oder oberhalb Raumtemperatur unter Entfernen des Lösungsmittels und Erhalt einer asymmetrischen Membran, umfassend eine Sol-Gel-Beschichtung.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in Schritt (1) zunächst aus einem oder mehreren Metalloxiden oder Metalloxid-Vorläufern ein Sol oder ein Sol-Vorläufer als kolloidale Lösung erzeugt, um in einer gesteuerten Hydrolyse- und Kondensationsreaktion eine typische Netzwerkstruktur aufzubauen, wobei die Hydrolysereaktion zum Beispiel durch Zusatz von Katalysatoren beschleunigt werden kann. Als Lösungsmittel für das Sol oder den Sol-Vorläufer in Schritt (1) kann ein beliebiges geeignetes Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch verwendet werden. Zur Herstellung von Sol-Gel-Beschichtungen auf Siliziumoxidbasis können beispielsweise Alkohol aber auch aprotische oder wässerige Lösungsmittel Verwendung finden.
Unter „Sol" wird erfindungsgemäß eine kolloidale Lösung einer oder mehrerer fester oder flüssiger Verbindungen, beispielsweise eines Metalloxids, in einem flüssigen Medium verstanden. Unter „Sol-Vorläufer" wird eine Vorform auf dem Weg zu einem Sol verstanden. Das Sol oder der Sol-Vorläufer geht durch Entfernen des Lösungsmittels in ein Gel über.
Wenn die Sol-Gel-Beschichtung mit einer zusätzlichen Funktionalität versehen werden soll, so werden die entsprechenden Zusätze in definierter Menge zum Sol oder zum Sol-Vorläufer von Schritt (1) zugegeben. Dies sind bevorzugt Nanopartikel. Die Funktionalitäten sind vorzugsweise die oben bereits beschriebenen. Es können auch gleichzeitig mehrerer Funktionalitäten kombiniert werden.
Vorzugsweise erfolgt die Beschichtung mit dem Sol oder Sol-Vorläufer in Schritt (1) mit einem Sprüh- bzw. Naßsprühverfahren. Das in Schritt (1) aufgebrachte Sol bzw. der Sol-Vorläufer wird anschließend in Schritt (3) getrocknet. Dies kann bei Raumtemperatur oder oberhalb Raumtemperatur unter Entfernen des Lösungsmittels erfolgen. Das Trocknen gemäß Schritt (3) wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich von etwa 18°C bis etwa 210°C, insbesondere bei Temperaturen über 50°C, insbesondere bei etwa 150°C durchgeführt, bis im wesentlichen sämtliches Lösungsmittel entfernt wurde, wobei als Lösungsmittel des Sols oder Sol-Vorläufers Wasser, Alkohol, Aceton und Mischungen hiervon bevorzugt sind. Die Trocknung kann auch unter Anlegen eines Unterdrucks durchgeführt werden, wodurch die Trocknungszeit und -temperatur entsprechend geringer sein können. Dabei kann bei geeigneter Wahl der Prozessparameter eine Prozessunterstützung durch eine Infrarotheizung oder durch Mikrowellen oder in Kombination mit dem Anlegen eines Unterdrucks erreicht werden.
Die Sol-Gel-Beschichtung muss aber nicht sofort gemäß Schritt (3) ausgehärtet bzw. getrocknet werden. Alternativ kann das Substrat, vorzugsweise das Polymervlies, zunächst in Schritt (2) aufgewickelt und in die endgültige Form gebracht werden, um dann das aufgebrachte Sol bzw. den Sol-Vorläufer zu trocknen bzw. auszuhärten. In dem an das Aufrollen des Substrats sich anschließenden Entfernen des Lösungsmittels aus der Sol-Gel-Schicht resultiert die verfestigte Beschichtung des gerollten Substrats, beispielsweise des beschichteten Vlies. Dies erfolgt zum Beispiel bei niedriger Temperatur im oben angegeben Bereich, beispielsweise bei Raumtemperatur, um langsam aushärten zu lassen. Eine langsam erfolgende Verdampfung des in der zu bildenden Sol-Gel-Beschichtung enthaltenen Lösungsmittels hat den Vorteil, dass die funktionale Schicht eine geringere Neigung zur Rissbildung zeigt.
Bevorzugt wird jedoch eine Temperatur höher als Raumtemperatur verwendet, um die Trocknung bzw. Aushärtung und Verfestigung der Schicht zu beschleunigen. In jedem Fall entsteht auf dem aufgewickelten Membransubstrat eine Glasbeschichtung mit nanoskaliger Porosität, d. h. es wird eine asymmetrisch Membran mit einer anorganischen Funktionsschicht erhalten.
Wie bereits beschrieben können der Sol-Gel-Beschichtung teil- oder vollflächig zusätzliche Funktionen verliehen werden. Besonders bevorzugt ist die Sol-Gel-Beschichtung antimikrobiell ausgerüstet. Es können aber auch andere oder zusätzliche Funktionalitäten oder Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Die Mengen und Art der Zusätze bestimmen sich nach der gewünschten Funktionalität im geplanten Einsatzgebiet. Entweder wird die Sol-Gel-Beschichtung direkt durch Zusatz ein oder mehrerer Zusätze entsprechend ausgerüstet oder eine oder mehrere Funktionsschichten werden über dieser, gegebenenfalls unter Verwendung von Zwischenschichten, angeordnet.
Dem erfindungsgemäß eingesetzten Sol oder Sol-Vorläufer können auch weitere übliche Bestandteile zugesetzt werden, wie zum Beispiel eindickende Additive.
Es versteht sich von selbst, dass neben Einzelschichten auch Mehrschichtsysteme zur Erzeugung einer gewünschten Membranstruktur eingesetzt werden können. Hierzu können auch zwei oder mehrere erfindungsgemäße Membranen, jeweils beschichtet mit den beschriebenen Sol- Gel-Funktionsschichten, mit zusätzlichen Schichten kombiniert werden. Diese zusätzlichen Schichten sind beispielsweise Haftschichten, welche die Aufgabe haben, die Adhäsion der funktionalen Beschichtung an den Polymerträger zu verbessern.
Weiterhin besonders bevorzugt werden sog. Spacer in Form von Schichten, Folien oder Elementen eingesetzt. Diese werden in der Regel auf die Membranfläche aufgebracht und halten die Membran im aufgewickelten oder aufgerollten Zustand auf Abstand. Spacer können beispielsweise als Gitterfolien oder Netze eingesetzt werden. Diese Spacer können gleichzeitig auch den Zulauf der zu reinigenden Flüssigkeit, insbesondere Meerwasser, und gegebenenfalls auch den Ablauf für das erhaltene Konzentrat darstellen. Im Falle einer derartigen aufgerollten oder aufgewickelten Membran, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Schichten, wie Spacern, kann das Permeat vorteilhafterweise in der Mitte der aufgerollten Filtermembran gesammelt werden.
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn der Spacer erfindungsgemäß zusätzlich eine funktionale Beschichtung aufweist oder durch Auswahl der Materialien des Spacers dieser an sich bereits die gewünschten funktionalen Eigenschaften bereitstellt. So kann die Spacerschicht beispielsweise eine antibakterielle, fungizide und/oder algizide Ausrüstung in Form einer Beschichtung aufweisen. An einen Spacer werden bezüglich der Separationseigenschaften keine Anforderungen gestellt, so dass dieser Spacer mit den dem Fachmann bekannten Verfahren und Methoden ausgerüstet bzw. behandelt werden kann. Die Ausrüstung bzw. Behandlung des Spacers kann vor oder nach Aufbringen auf das Membransubstrat erfolgen. Nach einer anderen Variante kann der Spacer selbst aus einem bereits entsprechend ausgerüsteten Polymermaterial hergestellt werden. Hierfür können beispielsweise auf dem Markt erhältliche antibakteriell, fungizid oder algizid ausgerüstete Kunststoffe verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Filterelement oder Modul, das mindestens eine erfindungsgemäße asymmetrische Membran, umfassend eine anorganische Funktionsschicht, aufweist, in aufgerollter oder aufgewickelter Form. Ein derartiges Filterelement oder Modul findet bevorzugt in der Umkehrosmose Verwendung. Dieses kann Teil einer Anlage sein und zum Beispiel einfach ausgetauscht werden.
Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße asymmetrische Membran sind dort zu finden, wo geringe Porendurchmesser in einer dünnen Membranschicht nötig sind. Generell ist die erfindungsgemäße Membran zur Umkehrosmose für die Abtrennung von nahezu beliebigen Feststoffen aus Flüssigkeiten geeignet. Dies ist neben der Meerwasserentsalzung auch in anderen Bereichen, in denen Osmoseprinzipien zur Filtration eingesetzt werden, gegeben, so z. B. in der Pharmaindustrie, beispielsweise im Bereich der Fermentation, insbesondere Biofermentation. Gerade im Bereich der Biofermentation ist die Möglichkeit, eine anorganische Membran mit einer funktionellen Ausrüstung zu erzeugen, besonders interessant und erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik werden bereitgestellt.
Die erfindungsgemäße Membran kann neben der Entsalzung von Meer- und Brackwasser und Biofermentation auch bei der Aufbereitung oder Reinigung von Wasser, überall dort wo unerwünschte Abwässer anfallen, eingesetzt werden, z. B. bei Abwässern aus der Papier- und Textilindustrie, der Galvanik oder generell der Metallindustrie oder der Pharmaindustrie. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Membran zur Aufbereitung von Trinkwasser kann in industriellem Maßstab oder für zu Hause zur Trinkwasseraufbereitung in Haushaltsfiltern ausgelegt sein.
Von besonders großem Interesse ist auch die Erzeugung von hochreinem oder ultrareinem Wasser, was zahlreiche Anwendungen hat, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, in der Molekularbiologie, bei der Energieerzeugung, in der Analytik, im Pharmabereich und dergleichen.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind vielfältig:
Die vorliegende Erfindung stellt eine beschichtete Membran sowie ein wirtschaftliches Verfahren zu deren Herstellung bereit, wobei die Vorteile der Sol-Gel-Technologie genutzt werden können, d. h. es können nasschemisch, bei geringem Aufwand und geringen Kosten, beschichtete Membranen bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäße asymmetrische Membran bietet den Vorteil, eine für die geplante Verwendung maßgeschneiderte Membran auf einem durchlässigen, kostengünstigen Träger herzustellen, wobei die erfindungsgemäße Beschichtung eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
Durch die erfindungsgemäße Membran, die zumindest teilflächig mit einer Sol-Gel-Funktionsschicht versehen ist, gelingt es in überraschender Weise das Problem des sogenannten „fouling" in hohem Maße zu verringern. Hierdurch können Reinigungsmittel und Spülwasser eingespart werden, und es kann zusätzlich eine höhere Standzeit erreicht werden. Damit resultiert neben einer längeren Haltbarkeit der Membran auch eine geringere Ausfallzeit.
Es können großflächige Membranen für den industriellen Einsatz als auch kleinere Größen für Haushalte bereitgestellt werden. Bei der Herstellung kann im Wesentlichen auf wässerige Systeme zurückgegriffen werden, so dass keine giftigen Lösungsmittel zum Einsatz kommen.
Da Sol-Gel-Schichten sowohl toxikologisch als auch biologisch nahezu völlig inert sind, schützt die Beschichtung die Membran bereits weitgehend vor einem Bakterienangriff. Eine eventuelle Abgabe von Silber wird bei einer Silberkonzentration von etwa 100 ppm–200 ppm in der anorganischen Sol-Gel-Schicht sein und liegt unter 0.01 μg/ml Ag⁺ und damit unterhalb des Werts, der von der WHO zur Trinkwasserdesinfektion genannt wird. Die Verwendung der Beschichtung in Kontakt mit sensiblen Produkten, die für den Verzehr geeignet sein sollen, wie Trinkwasser, Nahrungs- und Lebensmittel, oder auch Arzneimittel und dergleichen, ist daher völlig unproblematisch.
Durch Zugabe entsprechender Zusätze in die Sol-Gel-Schicht können zusätzliche Funktionalitäten bzw. Eigenschaften eingestellt werden. Beispielsweise kann die Beschichtung antimikrobiell ausgerüstet werden.
Mit den erfindungsgemäß eingesetzten Sol-Gel-Verfahren ist es möglich, Membranen, gegebenenfalls mit zusätzlichen erwünschten Funktionen in großer Vielfalt und Struktur herzustellen, die für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben werden. Die Figuren dienen der Illustration der erfindungsgemäßen Lehre. Sie sind lediglich als mögliche, exemplarisch dargestellte Ausführungsformen zu verstehen, ohne die Erfindung auf deren Inhalt zu beschränken. Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wonach eine asymmetrischen Membran, eine anorganische Funktionsbeschichtung aufweist;
1b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Membranstruktur im aufgerollten Zustand;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wonach auf eine asymmetrische Membran ein Spacer aufgebracht wird und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Membranstruktur im aufgerollten Zustand.
1a zeigt eine schematische Darstellung einer asymmetrischen Membran, die eine anorganische Funktionsbeschichtung aufweist, anhand der das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nachfolgend erläutert werden soll:
Im erfindungsgemäßen Schritt (1) wird zunächst ein Sol, das die gewünschte Sol-Gel-Beschichtung 15 bilden soll, vorzugsweise im Naßsprühverfahren, voll- oder teilflächig unmittelbar auf ein symmetrisches Membransubstrat 10 aufgebracht. Selbstverständlich können auch eine oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen werden. Dies ist jedoch nicht bevorzugt.
Die symmetrische Membran 10 ist bevorzugt ein Polymervlies. Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung kann entweder das Sol mit einem oder mehreren Zusätzen versetzt werden oder es können eine oder mehrere Funktionsschichten 20 auf der Sol-Gel-Beschichtung 15 angeordnet sein, um die Sol-Gel-Beschichtung 15 mit weiteren Funktionalitäten oder Eigenschaften auszurüsten. In 1a ist eine weitere Funktionsschicht 20 unmittelbar und vollflächig auf der Sol-Gel-Beschichtung 15 angeordnet. Es kann jedoch auch ein teilflächiger Auftrag vorgesehen sein. Es können auch eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der Sol-Gel-Beschichtung 15 und der Funktionsschicht 20 angeordnet sein. Beispielhaft sei im vorliegenden Fall eine antimikrobielle Ausrüstung unter Verwendung einer Silberverbindung genannt. Hierzu kann die Sol-Gel-Schicht 15 und/oder die Funktionsschicht 20 mit einer Konzentration von zum Beispiel etwa 100 ppm eines Silbersalzes versetzt sein. Es kann auch eine photokatalytisch wirkende Funktionsschicht zusätzlich oder anstelle der gezeigten antimikrobiell wirksamen Funktionsschicht 20 vorliegen. Dies hängt vom Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Umkehrosmosemembran ab. Besonders bevorzugt handelt es sich bei zusätzlichen Funktionsschichten 20 ebenfalls um Sol-Gel-Schichten, also Schichten, die mit dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden.
Bevor die Beschichtung 15, 20 auf dem Membransubstrat 10 getrocknet wird, kann jedoch in Schritt (2) das in Schritt (1) erhaltene Zwischenprodukt zusammen mit dem hierauf aufgebrachten Sol und den gegebenenfalls vorhandenen Funktionsschichten 20 aufgewickelt und in die endgültige Form gebracht werden (1b), um dann das Sol und die gegebenenfalls vorhandenen Funktionsschichten 20, die bevorzugt ebenfalls Sol-Gel-Beschichtungen darstellen, unter Umwandlung in ein Gel gemäß Schritt (3) zu trocknen bzw. auszuhärten. In dem an das Aufrollen des beschichteten Substrats 10 sich anschließenden Entfernen des Lösungsmittels aus dem/den Sol/en 15 bzw. 20 resultiert die verfestigte Sol-Gel-Beschichtung 15 der aufgerollten Membran 30 bzw. weiterer Funktionsschichten 20. Dies erfolgt beispielsweise bei niedriger Temperatur, zum Beispiel bei Raumtemperatur, um langsam aushärten zu lassen. Bevorzugt wird jedoch eine Temperatur höher als Raumtemperatur verwendet, um die Trocknung bzw. Aushärtung und Verfestigung der Schicht zu beschleunigen. In jedem Fall entsteht auf dem aufgewickelten Substrat 10, beispielsweise einem Polymervlies, eine Glasbeschichtung mit nanoskaliger Porosität, d. h. eine asymmetrisch Membran mit mindestens einer anorganischen Funktionsschicht 15, 20.
1b zeigt eine derartige aufgerollte Membran 30, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, anhand der nachfolgend die Funktionsweise erläutert wird:
Das mit der Sol-Gel-Beschichtung versehene Membransubstrat 10 ist im vorliegenden Fall spiralförmig aufgewickelt und liegt als Umkehrosmose-Membran-Modul 45 vor. Dieses Membran-Modul 45 kann zum Beispiel als Wechselpatrone in ein komplexes Aggregat zur Umkehrosmose eingebaut und gegebenenfalls auch wieder einfach ausgetauscht werden. Das Membran-Modul 45 ist dabei der zentrale Bestandteil der Anlage, durch das Salzwasser und Trinkwasser voneinander getrennt werden.
Die Membran ist im vorliegend gezeigten Beispiel mehrschichtig. Es sind beispielsweise 2 erfindungsgemäße Umkehrosmosemembranen 50a, 50b vorhanden, die jeweils eine Sol-Gel-Beschichtung 15 aufweisen. Diese Sol-Gel- Beschichtung jeder der Umkehrosmosemembranen 50a, 50b kann mit weiteren bereits erläuterten Funktionen versehen sein, die gemäß dem Anwendungsfall ausgewählt sind.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Membranen in entsprechenden Mehrschichtsystemen kombiniert werden. Dies hängt vom geplanten Einsatz ab.
Zwischen den Umkehrosmosemembranen 50a und 50b sind in der gezeigten Ausführungsform 2 Spacer-Lagen 25 vorgesehen. Dargestellt sind in diesem Beispielfall eine Spacer-Schicht 25a („Feed-Spacer-Schicht"), d. h. eine Abstandsschicht, die zur Zuführung des Salzwassers dient. Oberhalb der obersten Umkehrosmosemembran (in abgerolltem Zustand) befindet sich eine weitere Spacer-Schicht 25b, d. h. eine weitere Abstandsschicht („Produkt-Spacer-Schicht").
Selbstverständlich sind auch andere als die gezeigten Strukturen mit weiteren Schichten, wie Funktionsschichten, Spacern und dergleichen möglich.
Bei Funktion der erfindungsgemäßen Membran wird die von gelöstem Feststoff zu trennende Flüssigkeit, zum Beispiel Salzwasser 100a, in das Filterelement bzw. Modul, wie ein aufgewickeltes Membran-Umkehrosmose-Modul 45, gepumpt und dort von der Membran aufgetrennt in ein Permeat 200, d. h. vom gelösten Stoff befreite reine Flüssigkeit, d. h. im vorliegenden Fall Wasser, und ein Konzentrat 300, d. h. die zuvor in der Flüssigkeit, wie Wasser, enthaltenen gelösten Bestandteile, wie Salz, in aufkonzentrierter Form. Zusätzlich kann Spülwasser 100b zum Filterelement, im vorliegenden Fall dem aufgewickelten Umkehrosmose-Modul 45, zugesetzt werden. Spacer 25 können weiterhin dazu dienen, den Zulauf der zu reinigenden Flüssigkeit, insbesondere Meerwasser, und gegebenenfalls auch den Ablauf für das erhaltene Konzentrat darzustellen. Im Falle einer derartigen aufgerollten oder aufgewickelten Membran, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Schichten, wie Spacern, kann das Permeat vorteilhafterweise in der Mitte der aufgerollten Filtermembran gesammelt werden.
Das gereinigte Wasser wird beispielsweise in einem Reinwasser oder Permeatrohr 60 abgeführt.
2 zeigt eine weitere schematische Darstellung, wonach auf eine asymmetrische Membran ein Spacer aufgebracht wird. Hierzu wird zunächst ein symmetrisches Membransubstrat 10 bereitgestellt, das eine Sol-Gel-Beschichtung 15 und gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Funktionsschichten 20 aufweist. Dies stellt die erfindungsgemäße asymmetrische Membran dar (linke Darstellung der 2). Hierauf wird ein Spacer 25 aufgebracht, woraus die erfindungsgemäße Membran mit einem Spacer 25 resultiert. Der Spacer ist in diesem Beispiel in Form einer Gitter- oder Netzfolie gezeigt; dieser kann aber auch in einer anderen geeigneten Form vorliegen. Dieser Spacer 25 hält die Membran im aufgewickelten oder aufgerollten Zustand auf Abstand. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Spacer erfindungsgemäß zusätzlich eine antibakterielle, fungizide oder algizide Beschichtung aufweist oder ein antibakterielles, fungizides oder algizides Material enthält oder hieraus besteht.
Eine weitere Ausführungsform, die zum Beispiel mehrere Spacer 25 aufweisen kann, ist in 3 dargestellt. 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Membranstruktur im aufgerollten Zustand. Das gezeigte Filterelement oder -Modul 45 weist 2 Membranen 50a und 50b auf. Zwischen diesen sind Spacer 25a, b, c angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um Netzstrukturen handeln, die zur Zuführung oder Abführung dienen. Dies können beispielsweise Reinwassernetzlagen oder Rohwassernetzlagen sein. Zentral im Filterelement und von der mehrlagigen Struktur umgeben bzw. umwickelt befindet sich ein Rohr 60 zur Reinwasserabführung. Als Außenhülle (nicht gezeigt) des Filterelements kann eine Kunststoffhülle vorgesehen werden.

Claims

Asymmetrische Membran, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Verwendung als Umkehrosmosemembran, die aufweist: – eine symmetrische Membran und – eine Sol-Gel-Beschichtung mit nanoskaliger Porosität.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Membran ein Polymervlies darstellt.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einem Material aufgebaut ist, das ausgewählt ist aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, insbesondere Cellulose oder deren Derivaten, Polyamid, Polyester, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen, oder Mischungen dieser.
Asymmetrische Membran nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Beschichtung unmittelbar auf der symmetrischen Membran angeordnet ist.
Asymmetrische Membran nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die asymmetrische Membran in aufgerollter oder aufgewickelter Form als, gegebenenfalls austauschbares, Filterelement oder -Modul vorliegt.
Asymmetrische Membran nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Beschichtung zusätzlich mit einer oder mehreren Funktionalitäten ausgerüstet ist.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Funktionalitäten durch ein oder mehrere Zusätze in definierter Menge in der Sol-Gel-Beschichtung und/oder ein oder mehrere Zusätze in definierter Menge in einer oder mehreren Funktionsschichten, die über der Sol-Gel-Beschichtung angeordnet sind, eingestellt sind.
Asymmetrische Membran nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Funktionsschichten unmittelbar auf der Sol-Gel-Beschichtung angeordnet sind.
Asymmetrische Membran nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Funktionsschichten Sol-Gel-Schichten darstellen.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze ausgewählt sind aus ein oder mehreren antimikrobiell wirksamen Substanzen, farbgebenden Mitteln, fungiziden bzw. Anti-Schimmel-Mitteln, Anti-Algen-Mitteln, Reinigungsmitteln, Geruchsneutralisierungsmitteln, die Zersetzungsfunktion für toxische Gase fördernde Mitteln, photokatalytischen Mitteln oder Kombinationen hiervon.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere antimikrobiell wirksame Substanzen vorhanden sind.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobiell wirksame Substanz ausgewählt ist aus Ionen von Silber, Zink, Kupfer, Jod oder Kombinationen dieser Ionen.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobiell wirksame Substanz ausgewählt ist aus silberanorganischen Verbindungen, wie Silberchlorid, Silbernitrat, Silberoxid, Silbersulfid, Silbersulfat, Silber oder silberorganischen Verbindungen oder Kombinationen dieser Substanzen.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von Silber- und Kupfersalzen vorhanden ist.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Zusätze ausgewählt sind aus anorganischen oder organischen Farbstoffen, Pigmenten, Titandioxid oder Kombinationen hiervon.
Asymmetrische Membran nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spacerschicht auf der asymmetrischen Membran vorgesehen ist, welche die Membran in aufgerolltem oder aufgewickeltem Zustand auf Abstand hält.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerschicht in Form einer Gitterfolie oder eines Netzes vorgesehen ist.
Asymmetrische Membran nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerschicht, insbesondere deren Oberfläche antimikrobiell, antifungizid und/oder antialgizid ausgerüstet ist.
Filterelement oder -Modul zur Verwendung in der Umkehrosmose, umfassend mindestens eine asymmetrische Membran nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 18 in aufgerollter oder aufgewickelter Form.
Filterelement oder -Modul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spacerschicht auf der asymmetrischen Membran vorgesehen ist, welche die Membran in aufgerolltem oder aufgewickeltem Zustand auf Abstand hält.
Filterelement oder -Modul nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerschicht in Form einer Gitterfolie oder eines Netzes vorgesehen ist.
Filterelement oder -Modul nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerschicht, insbesondere deren Oberfläche, antimikrobiell, antifungizid und/oder antialgizid ausgerüstet ist.
Filterelement oder -Modul nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerschicht eine Beschichtung mit antimikrobiellen, antifungiziden und/oder antialgiziden Eigenschaften aufweist.
Filterelement oder -Modul nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacerschicht ein Material mit antimikrobiellen, antifungiziden und/oder antialgiziden Eigenschaften enthält oder hieraus besteht.
Filterelement oder -Modul nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es austauschbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer asymmetrischen Membran, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Verwendung als Umkehrosmosemembran, welches die Schritte aufweist: (1) Aufbringen eines Sols oder Sol-Vorläufers in einem Lösungsmittel auf zumindest einen Teil einer Oberfläche einer symmetrischen Membran; (2) gegebenenfalls Aufrollen der in Schritt (1) erhaltenen Membran und (3) Trocknen des Sols oder Sol-Vorläufers bei Raumtemperatur oder oberhalb Raumtemperatur unter Entfernen des Lösungsmittels und Erhalt einer asymmetrischen Membran, umfassend eine Sol-Gel-Beschichtung.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass als symmetrische Membran ein Polymervlies eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Sols oder Sol-Vorläufers in Schritt (1) in einem Naßsprühverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Membran ein Material, ausgewählt aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, insbesondere Cellulose oder deren Derivaten, Polyamid, Polyester, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen, oder Mischungen dieser, eingesetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in Schritt (2) in die endgültige Form aufgewickelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Beschichtung zusätzlich mit einer oder mehreren Funktionalitäten ausgerüstet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Funktionalitäten durch ein oder mehrere Zusätze in definierter Menge in der Sol-Gel-Beschichtung und/oder ein oder mehrere Zusätze in definierter Menge in einer oder mehreren Funktionsschichten, die über der Sol-Gel-Beschichtung angeordnet werden, eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Funktionsschichten unmittelbar auf der Sol-Gel-Beschichtung angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Funktionsschichten als Sol-Gel-Schichten hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze ausgewählt werden aus ein oder mehreren antimikrobiell wirksamen Substanzen, farbgebenden Mitteln, Anti-Schimmel-Mitteln bzw. fungiziden Mitteln, Anti-Algen-Mitteln, Reinigungsmitteln, Geruchsneutralisierungsmitteln, die Zersetzungsfunktion für toxische Gase fördernden Mitteln, photokatalytischen Mitteln oder Kombinationen hiervon.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere antimikrobiell wirksame Substanzen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobiell wirksame Substanz ausgewählt wird aus Ionen von Silber, Zink, Kupfer, Jod oder Kombinationen dieser Ionen.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die antimikrobiell wirksame Substanz ausgewählt wird aus silberanorganischen Verbindungen, wie Silberchlorid, Silbernitrat, Silberoxid, Silbersulfid, Silbersulfat, Silber oder silberorganischen Verbindungen oder Kombinationen dieser Substanzen.
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von Silber- und Kupfersalzen eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Zusätze ausgewählt werden aus anorganischen oder organischen Farbstoffen, Pigmenten, Titandioxid oder Kombinationen hiervor.
Verwendung einer asymmetrischen Membran, umfassend eine anorganische Funktionsbeschichtung, zur Umkehrosmose für die Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten.
Verwendung nach Anspruch 41 dadurch gekennzeichnet, dass als anorganische Funktionsschicht eine Sol-Gel-Beschichtung eingesetzt wird, die gegebenenfalls mit einer oder weiteren Funktionalitäten nach einem der Ansprüche 31 bis 40 versehen wird.
Verwendung nach Anspruch 41 oder 42 zur Meerwasserentsalzung, Wasseraufbereitung und -reinigung in der Pharmaindustrie, Metallindustrie, insbesondere Galvanik, Textilindustrie, Papierindustrie, Halbleiterindustrie, Energieerzeugungsindustrie, Molekularbiologie oder Analytik.
Verwendung nach einem der Ansprüche 41 bis 43 zur Unterstützung bei Fermentationsprozessen, insbesondere bei der Biofermentation.
Verwendung nach Anspruch 44 zur Erzeugung ultra- oder hochreinen Wassers.