DE3831970A1 - Membransystem zur kontrollierbaren stofftrennung durch veraenderbare permeation - Google Patents
Membransystem zur kontrollierbaren stofftrennung durch veraenderbare permeationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Membransystem nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Durch die Erfindung soll es ermöglicht werden, die Permea
tionseigenschaften und somit die Selektivität eines Membran
systems reversibel zu verändern, ohne daß diese aus der ent
sprechenden Anordnung (Dialyseapparatur, Pervaporationsanlage,
Sensor, etc.) entfernt werden muß oder die vorliegenden
Bedingungen des umgebenden Mediums geändert werden müssen.
Hervorgerufen werden diese Permeationsänderungen durch einen
kuzzeitigen elektrischen Stromfluß, der den elektrisch leiten
den Polymerfilm oxidiert bzw. reduziert. Hierdurch erfährt der
Polymerfilm zum einen Strukturänderungen, zum anderen diffun
dieren zur Kompensation von Ladungen Coionen in den Film rein
bzw. wieder raus. Beides ist Ursache für die beschriebenen
Permeationsänderungen. Je nach Redoxzustand kann so das Mem
bransystem entweder als "Durchlaß" oder aber als "Sperre" für
einige oder alle Permeaten geschaltet werden und somit die
Selektivtät der Membran insitu geändert werden.
Die Verwendung eines Polymerfilms auf einer Trägermembran ist
schon seit langem Stand der Technik. Dies wurde z.B. in
Druckfiltrationsanlagen ausgenutzt, um die nötige mechanische
Belastbarkeit der Membran zu erreichen. Struktur, Dicke und
Quellungszustand des Polymers bestimmen die selektiven Eigen
schaften der Membran. Neben denen aus einem Polymer bestehen
den Membranen (integrale Membran) läßt sich die Selektivität
durch den Aufbau von Mehrschichtmembranen (Composite-Membra
nen) noch erheblich steigern (Ullmann Lexikon der technischen
Chemie, 16, 515 (1980)).
Auch wenn es für die unterschiedlichsten Anwendungen schon
Membranen gibt, die in den jeweiligen Prozessen den Anfor
derungen bezüglich ihrer Selektivität gerecht werden, besteht
bisher noch nicht die Möglichkeit, die Permeationseigenschaf
ten einer solchen Membran reversibel zu verändern, ohne daß
die experimentellen Bedingungen geändert werden müssen. So hat
jeder Membrantyp seine charakteristischen Eigenschaften, die,
einmal bestimmt, nur in einer entsprechenden Anordnung aus
genutzt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Permeation ver
schiedener Substanzen insitu, selektiv oder integrativ
beeinflussen zu können. Die Membran sollte sich somit quasi
auf Wunsch, wahlweise für einige oder alle Substanzen, als
"Sperre" oder als "Durchlaß" schalten lassen, wobei dieser
Vorgang beliebig oft zu wiederholen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu
verwendende Membran eine Anordnung ist, die aus mindestens
zwei Schichten besteht: einer Trägermembran, einer darauf
aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht, z.B. einer Metall
schicht, und einem diese überziehenden elektrisch leitenden
Polymerfilm (siehe Abb.1). In besonderen Fällen, in denen eine
elektrisch leitfähige Trägermembran verwendet wird, kann die
Metallschicht weggelassen werden, da dann die Trägermembran
direkt mit dem elektrisch leitenden Polymer überzogen werden
kann.
Die auf der Trägermembran aufgebrachte, elektrisch leitfähige
Schicht bzw. die selbst leitfähige Trägermembran ist mit einem
Draht kontaktiert und wird als Arbeitselektrode in einer ein
fachen 2-Elektrodenanordnung (Arbeits- und Gegenelektrode)
eingesetzt. Die Art der Trägermembran ermöglicht zwei
grundsätzlich unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten des
Membransystems. Trennt man mit diesem Membransystem analog zum
Dialyseverfahren zwei Elektrolyträume voneinander ab, muß man
eine die Flüssigkeit benetzende Trägermembran verwenden (Typ 1).
Dient das Membransystem dazu, eine flüssige Phase von
einer gasförmigen Phase zu trennen, wie es bei dem Einsatz in
Pervaporationsprozessen der Fall ist, muß man eine Träger
membran verwenden, welche die Flüssigkeit nicht benetzt (Typ 2).
Für die Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen
Arbeits- und Gegenelektrode läßt sich entweder die flüssige
Phase selbst als Elektrolyt verwenden, oder aber man stellt
diesen in Form eines Festelektrolyten her, der samt Gegenelek
trode auf der Trägermembran aufgebracht werden kann. Zwingt
man nun der als Arbeitselektrode geschalteten leitfähigen
Schicht unterschiedliche Potentiale auf, lassen sich zum einen
die Redoxzustände des elektropolymerisierten Films ändern,
zum anderen können aber auch reaktive Substanzen, die die
Membran passieren, an ihr elektrochemisch umgesetzt werden.
Die durch die verschiedenen Redoxzustände hervorgerufenen
Strukturänderungen bewirken unterschiedliche Permeationsraten
durch die Polymerschicht, wodurch sich die für das Membran
system geforderten variablen Selektivitäten ergeben. Durch
geeignete Kombination der experimentellen Bedingungen, wie
Elektrodenmaterial, pH-Wert des Elektrolyten und Art des Poly
mers lassen sich so Membranen von hoher Selektivität herstel
len. Verschiedene Einsatzmöglichkeiten wären für einen solchen
Membrantyp denkbar. So könnte man die Selektivität von Senso
ren steigern, in denen eine Membran eine Gasphase (Umwelt)
von einer flüssigen Phase, die zum elektrochemischen Nachweis
der zu detektierenden Substanzen dient, permeabel abtrennt.
Dadurch ließe sich die Querempfindlichkeit gegenüber anderen
Substanzen herabsetzen.
Das Ausführungsbeispiel (siehe Abb. 2) ist ein Pervaporations
prozeß gemäß Typ 2, in dem eine poröse PTFE-Membran eine
wäßrige Phase von einer Gasphase mit vermindertem Druck (10-6 mbar)
trennt. Die flüssige Phase bildet eine elektrochemische
Zelle, die Gasphase wird von einem kontinuierlich gepumpten
Rezipienten umschlossen, in dem ein Massenspektrometer in
stalliert ist. Flüchtige und gasförmige Spezies, gelöst in
der wäßrigen Phase, verdampfen ins Massenspektrometer, und
können dort quantitativ mit einer Zeitkonstanten kleiner einer
Sekunde nachgewiesen werden /1/. Auf die PTFE-Membran wurde
eine 0,05 µm dicke Goldschicht aufgedampft, die mit einem
Draht kontaktiert ist und als Arbeitselektrode in einer in der
Elektrochemie üblichen 3-Elektrodenanordnung, bestehend aus
Arbeits-, Bezugs- und Gegenelektrode, geschaltet ist. Die
Goldschicht wurde in einem ersten Arbeitsschritt durch Elek
tropolymerisation in einer Lösungsgemisch von 0,5 m Anilin und
0,5 M Schwefelsäure mit einer 0,2 µm dicken, elektroaktiven
Polyanilinschicht überzogen. Bei den anschließenden Per
meationsexperimenten bestand die wäßrige Phase aus einer 0,5
molaren Schwefelsäure als Elektrolyt, in der Aceton und Metha
nol gelöst waren (je 10-1 mol/l). Da sowohl Aceton als auch
Methanol flüchtig sind und ins Massenspektrometer verdampfen,
können sie nach ihrer Permeation durch den Polymerfilm im
Massenspektrometer nachgewiesen werden. Die jeweilige Massen
intensität ist ein Maß für die Permeationsrate. Varriert man
das Potential der Katalysatorschicht, läßt sich der Redox
zustand des Polymers verändern und man erhält die für Polyani
lin charakteristischen Strom/Spannungskurven (Abb. 3 oben).
Mißt man gleichzeitig die Massensignale für das verdam
pfende Anilin und Methanol, kann man eine für beide Spezies
potentialabhängige Intensitätsänderung feststellen (Abb. 3
mitte). Da in dem Potentialbereich, in dem Polyanilin reversi
bel oxidiert und reduziert werden kann, weder Methanol noch
Aceton elektrochemisch an Gold umgesetzt wird, ist der Effekt
der Massenänderung nur auf eine Permeationsänderung durch den
Polymerfilm zurückzuführen. Im oxidierten Zustand des Polyani
lins (< 600 mVNHE) ist die Permeation sowohl von Aceton als
auch von Methanol gehemmt. Reduziert man das Polymer, steigt
bis 400 mVNHE die Permeation für beide Substanzen bis zu 40%
an. Bei weiterer Reduktion (bis 20 mVNHE) bleiben die guten
Permeationseigenschaften des Polymers für Aceton erhalten, für
Methanol jedoch nehmen sie wieder erheblich ab. Ein qualitativ
analoger Kurvenverlauf ergibt sich auch für den stationären
Fall (Abb. 3 unten).
Claims (5)
1. Ein Membransystem zur kontrollierbaren Stofftrennung durch
insitu mittels elektrischen Stromfluß veränderbarer Permea
tion zwischen zwei flüssigen oder einer flüssigen und einer
gasförmigen Phase, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindes
tens zwei Schichten besteht, einer Trägermembran und einer
darauf aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Polymermembran,
die elektrisch kontaktiert ist und als Elektrode in einem
Elektrolytsystem über diesen Kontakt elektrochemisch oxidiert
und reduziert werden kann.
2. Membransystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß, zur Kontaktierung des Polymers eine elektrisch leitfä
hige Trägermembran verwendet oder zusätzlich eine poröse elek
trisch leitfähige Schicht aufgebracht wird.
3. Membransystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Polymerschicht aus einem polykonjugierten
Aromatensystem oder einem polykonjugierten Heteroaromatensys
tem oder einem anderen elektrisch leitfähigen Polymer besteht.
4. Membransystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der als Elektrode in einer elektrochemischen
Anordnung geschaltete Polymerfilm samt Elektrolyt und Gegen
elektrode auf der Trägermembran aufgebracht ist, oder wo die
flüssige Phase selbst der Elektrolyt ist, in der die Gegen
elektrode an geeigneter Stelle angebracht ist.
5. Membransystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (z.B. Me
tallschicht) selbst durch elektrochemische Umsetzung einer
permeierenden Spezies zur Selektivität des ganzen Membransys
tems beiträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883831970 DE3831970A1 (de) | 1988-09-21 | 1988-09-21 | Membransystem zur kontrollierbaren stofftrennung durch veraenderbare permeation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883831970 DE3831970A1 (de) | 1988-09-21 | 1988-09-21 | Membransystem zur kontrollierbaren stofftrennung durch veraenderbare permeation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3831970A1 true DE3831970A1 (de) | 1990-03-22 |
Family
ID=6363357
Family Applications (1)
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DE19883831970 Ceased DE3831970A1 (de) | 1988-09-21 | 1988-09-21 | Membransystem zur kontrollierbaren stofftrennung durch veraenderbare permeation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3831970A1 (de) |
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