DE2750897C3

DE2750897C3 -

Info

Publication number: DE2750897C3
Application number: DE2750897A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr.-Phys. 1000 Berlin Stemme
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1977-11-14
Publication date: 1981-01-08
Also published as: DE2750897B2; DE2750897A1

Description

Erfindungsgegenstand ist das im Patentanspruch 1 genannte Verfahren.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.

Membranen werden in der Membranfiltration zum Abtrennen feinster Teilchen bis hinab zur molekularen Größenordnung verwendet Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr komplex und noch stark im Fluß. Der Durchmesserbereich ersteckt sich von der Größenordnung 10 μπι bis hinab zu einigen nm. Die Ultrafiltration wird vor allem für das Abtrennen hocfeirolekularer Verbindungen und Kolloide eingesetzt. Beispiele sind die Ultrafiltration von pharmazeutischen Produkten, Abwässern, Säften oder bei analytischen Aufgaben. Hingegen findet die umgekehrte Osmose hauptsächlich Interesse für das Abtrennen niedermolekularer Verbindungen, wie Salze, Zucker, einfache Säuren usw. Von großer wirtschaftlicher Bedeutung könnte hier die Meerwasserentsalzung werden. Im medizinischen Bereich ist vor allem die Hämodialyse (künstliche Niere) von Bedeutung.

Es sind verschiedenste Verfahren zur Herstellung von Membranen für die Membran-Filtration bekannt Für die Hämodialyse werden beispielsweise halbsynthetische Cellophan wie auch Polyamid-Hohlfaser-Membranen verwendet In einem anderen Verfahren werden Kunststoff-Folien mit Nukleonen beschossen und die so sensibilisierten Kanäle anschließend herausgelöst

Es gelingt aber bei allen bekannten Verfahren nur selten, in einer Anwendung alle Kriterien ausreichend zu erfüllen. Viele Anwendungen, z. B. die Meerwasserentsalzung, sind beim heutigen Stand der Membranherstellungsverfahren noch weit von der Rentabilitätsgrenze entfernt. Kritische Größen heute verfügbarer Membranen sind unter anderem die Streubreite der Porenkanaidurchmesser, die Ablagerung von Teilchen und die daraus folgende Verstopfung der Porenkanäle bei schwammstrukturhaften Membranen ohne glatte Kanäle, die Dichte der Porenkanäle auf der Membran mit ihrer Wirkung auf den Gesamtdurchsatz, die Druck- und Temperaturfestigkeit, die Beständigkeit gegen Säuren und Laugen und die elektrische Leitfähigkeit des Membranmaterials.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von Membranen zu schaffen, die sich durch glatte, gleichmäßige Porenkanäle mit hoher Dichte und widerstandsfähigem Membranmaterial auszeichnen — bei Herstellungskosten, die in Kombination mit den technischen Vorteilen einer Erweiterung und/oder Verbesserung wichtiger Anwendungen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Metall-Whisker können heute mit Durchmessern von einigen um bis herab zu 100 nm gezüchtet werden, Solche Metall-Whisker sind bereits zum Herstellen eines festigkeitsverstärkenden Verbundkörpers in andere Metalle eingebettet Worden (siehe Fachberichte für Oberflächen technik 8 (1970), Seite 145—150),

Die Erfahrungen aus diesem Gebiet lassen sich vorteilhaft für das erfindüngsgemäße Verfahren nutzbar machen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Membranen sollten die verwendeten Metall-Whisker weitgehend parallel zueinander ausgerichtet und in hoher Dichte angeordnet sein. Die Ausrichtung und/oder das Erzeugen einer Vorzugsrichtung für das Wachstum kann auf bekannte Art und Weise durch elektrische und magnetische Felder, durch Gravitationsoder Trägheitskräfte erfolgen. Falls Metall-Whisker verwendet werden, die nicht oder nicht mehr mit einer Unterlage verbunden sind, auf der sie gezüchtet wurden oder aus der sie herausgewachsen sind, ist es zweckmäßig, die ausgerichteten Metall-Whisker einseitig auf einer Unterlage zu fixieren.

Der Membrankörper wird vorteilhaft als dünne Folie aus organischem oder anorganischem Material ausgebildet, das aus der flüssigen oder gasförmigen Phase zwischen den Metall-Whiskern auf der Unterlage angelagert wird. Im nächsten Verfahrensschritt wird dann entweder die Folie von der Unterlage abgezogen und die Metall-Whrsker herausgelöst, oder die gesamte Unterlage einschließlich der Metall-Whisker gelöst Es ist aber auch möglich, die Unterlage nur rasterförmig abzulösen, so daß sie teilweise als Stützstruktur für die ansonsten möglichst dünne Folie erhalten bleibt. Eine Alternative hierzu ist das anschließende Aufbringen von Stützstrukturen wie Netzen, porösen dicken Folien u. a.

Beim Einbetten der Metall-Whisker in das Membranmaterial kommt es darauf an, daß sich zwischen den beiden ausgewählten Materialien keine zu innige Verbindung durch Interdiffusion oder Haftung ausbildet, damit sich das Material, aus dem die Mikrofilamente bestehen, anschließend durch selektives Auflösen sauber wieder entfernen IaQt

Die untere Grenze r'ür die Porenkanaldurchmesser ist durch die der Metall-Whisker gegeben. Eine weitere Verkleinerung der Porendurchmesser kann erfindungsgemäß durch Niederschlag von Material auf den Membrankörper stattfinden. Es ist bekannt, daß beispielsweise die Beschichtung von kleinen Hohlräumen aus der Gasphase möglich ist (siehe Schbditz, Metallisierung aus der Gasphase, Haus der Technik — Vortragsveröffentlichung 276, Seite 46).

Weiterhin ist es möglich, die zeitliche Steuerung des Herauslösens der Metall-Whisker aus dem Membrankörper so vorzunehmen, daß auf dem Porenkanal Material der Mikrofilamente zurückbleibt und somit den freien Durchmesser einschränkt

Ein weiteres Verfahren zur Reduktion der Porenkanaldurchmesser ist die vorhergehende Reduktion der Metall-Whiskerdurchmesser durch bekannte Lösungsmittel.

Die Vorteile, die das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber heutigen Verfahren erbringt, sind vielfältig. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der weitgehend freien Wahl des Membranmaterials. Beispielsweise ermöglicht die Wahl eines Metalles als Membranmaterial hohe Beständigkeit sowohl gegen hohe Temperaturen wie auch gegen Säuren und Laugen und erhöht zudem die mechanische Festigkeit der Membran. Weitere wesentliche Vorteile liegen in der relativ freien Wahl der Membrandicke, der Durchmesser der Porenkanäle (durch entsprechende Wahl der Metall-Whisker und der beschriebenen Verengungsmöglichkeiten) der Gleichmäßigkeit der Porenkanaldurchmesser und ihrer Glätte.

Claims

Patentansprüche: 2/ 50

1. Verfahren zur Herstellung von Membranen mit im wesentlichen glatten Porenkanälen gleicher Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, daß in gasförmiger oder flüssiger Phase auf oder aus einer Oberfläche in bekannter Weise gezüchtete Metall-Whisker gleichen Durchmessers in das Membranmaterial eingebettet und nach Ausbilden des Membrankörpers unter hinterlassen offener Porenkanäle wieder aus diesem herausgelöst werden.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Whisker vor und/oder während ihres Einbettens in das Membranmaterial '5 weitgehend parallel zueinander ausgerichtet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Whisker durch molekularen und/oder atomaren Niederschlag des fviembranmateriais aus der gasförmigen oder flüssigen Phase in dieses eingebettet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Verstärkung der folienförmigen Membran durch rasterförmiges Aufbringen von Stützmaterialstrukturen durch Niederschlag aus der flüssigen oder gasförmigen Phase erfolgt, wobei die Rastergeometrie drucktechnisch, photo- oder elektronenstrahl-Iithographisch nach bekannten Verfahren erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—4, gekennzeichnet durch gleichzeitige Verwendung des Metall-Whisker-Grundmaterials als Basis für die Metall-Whisker und als Stützmaterial dadurch, daß nach dem Aufbringen des Membranmaterial von der Rückseite des Metall-Whisker-Grundmaterials her eine drucktechnisch, photo- oder elekironenstrahllithographisch aufgeprägte Rastergeometrie bis zum Membranmaterial einschließlich der Metall-Whisker herausgelöst wird, wobei die Dicke des Metall-Whisker-Grundmaterials ein \ielfaches der Membrandikke beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stützmaterials durch einen Niederschlag veredelt wird indem während des Materialniederschlages von der Membranseite her Gas oder Flüssigkeit durch die Porenkanäle gedrückt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I—6. dadurch gekennzeichnet, daß die durch Herauslösen der Metall-Whisker im Membrankörper entstandenen offenen Porenkanäle durch Auftragen von Stoffen auf den Membrankörper aus der gasförmigen oder flüssigen Phase in ihrem Durchmesser auf ^M das gewünschte Maß verkleinert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1— 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch zeitliche Steuerung des Herauslösens der Metall-Whisker ein Teil deren Materials im Pyrenkana! verbleibt und damit der freie Porenkanaidurchmesser auf kleinere Werte als der Metall-Whiskerdurchmesser gebrächt wird,

9. Verfahren nach einem der Arisprüche 1— 8, dadurch gekennzeichnet, daß die MetalUWhisker, Vor dem Niederschlagen des Membranmaterials ⁶^ durch bekannte Lösemittel von ihren! durch Material Und Züchfpfözeß gegebenem Durchmesser auf einen'niedrigeren Durchmesser reduziert wer^ den und dadurch kleinere Porenkanaidurchmesser erhalten werden.