WO2017114522A1 - Supporting membrane mounting for a permeable membrane, and method for producing and using such a supporting membrane mounting - Google Patents

Supporting membrane mounting for a permeable membrane, and method for producing and using such a supporting membrane mounting Download PDF

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WO2017114522A1
WO2017114522A1 PCT/DE2016/100555 DE2016100555W WO2017114522A1 WO 2017114522 A1 WO2017114522 A1 WO 2017114522A1 DE 2016100555 W DE2016100555 W DE 2016100555W WO 2017114522 A1 WO2017114522 A1 WO 2017114522A1
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membrane
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supporting membrane
central cylinder
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PCT/DE2016/100555
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Christian Hamm
Torben GENTZ
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Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
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Abstract

Known membrane mountings for permeable membranes for separating suspended or dissolved materials in a fluid (crossflow membrane filtration) exhibit merely a poor pressure stability when the degree of porosity is good and vice versa. The membrane mounting (01) according to the invention is characterized in that connection braces (08) are arranged between a cylindrical tube wall (11) with a central longitudinal axis (10) and a central cylinder (12) along the central longitudinal axis (10) in a radial manner about the central cylinder (12) in a uniform symmetrical distribution, said connection braces ending in foot points (09) at the tube wall (11). The pores (05) in the tube wall (11) are arranged in a specified distribution. The membrane mounting (01) according to the invention thus ensures a high-pressure stability with a simultaneously high degree of porosity, for example for deep-sea uses (up to 400 bar) in an underwater mass spectrometer with a high degree of measurement sensitivity and precision. An optional heating device (19) in the central cylinder (12) improves the crossflow behavior by means of a homogeneous heating with a small controllable energy input. The membrane mounting (01) can be produced in a reproducible manner using 3D printing. Along with the use of the membrane mounting in measuring devices and osmosis methods, yet another preferred use is in electrolyte separation methods.

Description

Anmelder  applicants
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, Deutschland Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany
Bezeichnung description
Stützende Membranhalterung für eine permeable Membran, Verfahren zur Herstellung und Anwendung einer solchen stützenden Membranhalterung Supporting membrane holder for a permeable membrane, method for making and using such a supporting membrane holder
Beschreibung description
Die Erfindung bezieht sich auf eine stützende Membranhalterung für eine permeable Membran als Grenzfläche zwischen einem Innenraum und einem Außenraum der Membranhalterung zur differenzdruckunterstützten Trennung suspendierter oder gelöster Stoffe in einem Fluid, wobei die Membranhalterung eine zylindrische Rohrwandung mit einer zentralen Längsachse und durchlässigen Poren aufweist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung und auf eine Anwendung einer solchen Membranhalterung. The invention relates to a supporting membrane holder for a permeable membrane as an interface between an inner space and an outer space of the membrane holder for differential pressure assisted separation of suspended or dissolved substances in a fluid, wherein the membrane holder has a cylindrical tube wall with a central longitudinal axis and permeable pores, and on a method of making and applying such a membrane holder.
Die Trennung suspendierter oder gelöster Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Fluid wird in vielen technischen Anwendungen benötigt. Bei der sogenannten„Tangentialfluss-Filtration" (oder auch„Cross-Flow-Membranfiltration") wird eine permeable Membran, die für einen einzelnen Stoff in Abhängigkeit von seiner Teilchengröße oder seines Loslichkeitspotenzials durchlässig ist (selektive Permeabilität), mit dem Fluid und einer Druckdifferenz beaufschlagt. Das Fluid strömt tangential an der Membran entlang. Auf der einen Seite der Membran herrscht ein anderer Druck als auf der anderen Seite. Durch diese Druckdifferenz wirkt die permeable Membran wie ein Sieb, und es werden einzelne Komponenten („Stoffe"), die kleiner als die durchlässigen Poren der Membran sind oder die sich im Membranprodukt gut lösen, aus dem strömenden Fluid auf die andere Membranseite überführt. Es wird ein sogenanntes„Permeat" gebildet, an dem das Lösungsmittel noch beteiligt sein kann. Das restliche Lösungsmittel mit den verbleibenden Komponenten auf der anderen Membranseite wird als„Retentat" bezeichnet. Sowohl Permeat als auch Retentat können weiterverarbeitet werden. Die Aufgabe der Membran kann aber auch bereits mit der eigentlichen The separation of suspended or dissolved substances in a liquid or gaseous fluid is required in many technical applications. In so-called "tangential flow filtration" (or "cross-flow membrane filtration"), a permeable membrane which is permeable to a single substance depending on its particle size or solubility potential (selective permeability), with the fluid and a pressure differential applied. The fluid flows tangentially along the membrane. On one side of the membrane there is a different pressure than on the other side. Due to this pressure difference, the permeable membrane acts like a sieve, and there are individual components ("substances") that are smaller than the permeable pores of the membrane or which dissolve well in the membrane product, transferred from the flowing fluid to the other side of the membrane. A so-called "permeate" is formed, in which the solvent can still be involved.The remaining solvent with the remaining components on the other side of the membrane is called "retentate". Both permeate and retentate can be further processed. The task of the membrane can also already with the actual
Stofftrennung erfüllt sein. Es können sowohl gleichphasige Trennungen Substance separation must be fulfilled. It can be both in-phase separations
(Trennung von Flüssigkeiten oder Gasen) als auch verschiedenphasige (Separation of liquids or gases) as well as different phases
Trennungen (Trennung von gelösten Gasen aus einer Flüssigkeit oder von verdampften oder vernebelten Flüssigkeiten aus einem Gas) durchgeführt werden. Separations (separation of dissolved gases from a liquid or vaporized or atomized liquids from a gas) are performed.
Die Ein- und Ausführung des Fluids bzw. von Permeat und Retentat in den jeweiligen Anwendungsfall erfolgt über ein sogenanntes„Ein- und Auslasssystem". Dieses umfasst als grundlegende Komponenten eine Einlassvorrichtung, eine Membran mit Membranhalterung und eine Auslassvorrichtung in Richtung auf die weiterverarbeitende Einrichtung. Unterschiedliche Membranen aus Kunststoffen, Glas, Keramik (sogenannte„Fritten") oder anderen Sinterwerkstoffen sowie Metallen können eingesetzt werden. Dünne starre oder flexible Membranen, beispielsweise aus einem dünnen Metall- oder Keramiksieb oder aus einem Kunststoff wie Silikon (z.B. Polydimethylsiloxan PDMS), benötigen dabei eine Membranhalterung, die sie nicht nur ortsfest positioniert („selbsttragende Membran"), sondern auch flächig unterstützt („stützende Membranhalterung"). Für viele technische Anwendungen zur Stofftrennung ist es notwendig, möglichst hohe Permeabilitäten der tragenden und unterstützenden Strukturen an der Grenzfläche von verschiedenen Medien zu erreichen, um den Membrandurchsatz nicht zu behindern. Hoch permeable Filter- oder Fritten-Systeme verbessern dabei Filtrationsmenge und -geschwindigkeit und führen bei Sensorsystemen zu einer Steigerung der Empfindlichkeit und Messgeschwindigkeit. Weiterhin ist es je nach Anwendung auch erforderlich, die Membran mit großen Differenzdrücken zu belasten. Dafür ist es wichtig, möglichst hohe Druckfestigkeiten der Membranhai- terungen, die die Membran unterstützen und vor dem Kollabieren unter Druckein- fluss schützen, zu erreichen. Zumeist ist aber bei den bekannten Membranhalterungen entweder eine hohe Druckstabilität oder eine hohe Porosität anzutreffen. Im Stand der Technik gibt es dazu unterschiedliche Lösungsansätze. The incorporation and execution of the fluid or of permeate and retentate into the respective application takes place via a so-called "inlet and outlet system." This comprises as basic components an inlet device, a membrane with membrane holder and an outlet device in the direction of the further processing device. Different membranes made of plastics, glass, ceramics (so-called "frits") or other sintered materials and metals can be used. Thin rigid or flexible membranes, for example made of a thin metal or ceramic sieve or of a plastic such as silicone (eg polydimethylsiloxane PDMS), require a membrane holder which not only positions them in a stationary manner ("self-supporting membrane") but also supports them flatly (" supporting membrane holder "). For many technical applications for material separation, it is necessary to achieve the highest possible permeabilities of the supporting and supporting structures at the interface of different media in order not to hinder the membrane throughput. Highly permeable filter or frit systems improve the filtration rate and speed and increase the sensitivity and measuring speed of sensor systems. Furthermore, depending on the application, it is also necessary to load the membrane with large differential pressures. It is important to ensure the highest possible compressive strength of the membrane shark tensions that support the membrane and protect it from collapsing under the influence of pressure. In most cases, however, in the known membrane holders either a high pressure stability or a high porosity can be found. In the prior art there are different approaches to this.
Aus der US 7 434 446 B2 ist ein System zur Überleitung und Messung von in einer Flüssigkeit gelöstem Gas unter Druck bekannt, bei dem eine permeable Membran über eine Membranhalterung in Form einer Spiralfeder oder einem Rohrbündel gezogen ist. Das Fluid fließt innerhalb der Spiralfeder oder der Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohren im Bündel. Zwischen dem Außenraum und dem Innenraum der Membran herrscht eine Druckdifferenz, wobei der Druck im Außenraum größer ist als der Druck im Innenraum und Stoffe aus dem Außenraum in den Innenraum übertreten. Durch die Spiralfeder oder das Rohrbündel wird die Membran von ihrer Innenseite gestützt und vor einem Kollabieren aufgrund des größeren Ausdrucks geschützt. Eine Spiralfeder hat zwar eine hohe Porosität, kann allerdings ebenfalls bei größeren Außendrücken kollabieren, was zu einer vollständigen Reduzierung des Volumenstromes oder - im schlimmsten Fall - zum Reißen der Membran mit nachfolgenden Wassereinbruch in die Sensoreinheit führen kann. Das Rohrbündel hingegen zeigt eine ungünstige Porosität und verringert den freien Querschnitt innerhalb der Membran bedeutsam, sodass hier Strömungsbehinderungen auftreten können. US Pat. No. 7,434,446 B2 discloses a system for transferring and measuring gas dissolved in a liquid under pressure, in which a permeable membrane is pulled over a membrane holder in the form of a spiral spring or a tube bundle. The fluid flows within the coil spring or the spaces between the individual tubes in the bundle. Between the outer space and the interior of the membrane there is a pressure difference, wherein the pressure in the outer space is greater than the pressure in the interior and substances from the outer space in the interior overpass. The spiral spring or tube bundle supports the membrane from its inside and protects it from collapsing due to its greater expression. Although a spiral spring has a high porosity, but can also collapse at greater external pressures, which can lead to a complete reduction of the volume flow or - in the worst case - to rupture of the membrane with subsequent flooding in the sensor unit. The tube bundle, however, shows an unfavorable porosity and significantly reduces the free cross section within the membrane, so that flow obstructions can occur here.
Aus der US 2014/02836626 A1 , von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, ist ein ähnliches System bekannt. Hierbei ist allerdings der Innendruck größer als der Außendruck und die permeable Membran wird auf ihrer Außenseite durch ein Sinterrohr und ein Stützrohr als Membranhalterung gestützt. Die stützende Membranhalterung besteht somit aus einem Körper in Form eines rohrformigen Körpers mit einer zentralen Längsachse und einer durchlässige Poren aufweisenden Rohrwandung. Durch Sinter- Verfahren hergestellte Membranhalterungen zeigen zwar eine hohe From US 2014/02836626 A1, from which the present invention proceeds as the closest prior art, a similar system is known. Here, however, the internal pressure is greater than the external pressure and the permeable membrane is supported on its outside by a sintering tube and a support tube as a membrane holder. The supporting membrane holder thus consists of a body in the form of a rohrformigen body with a central longitudinal axis and a permeable pore having tube wall. Although membrane mounts produced by sintering process show a high
Druckfestigkeit, aber nur eine Permeabilität von 10 bis 50 %. Nachteilig ist die fehlende Reproduzierbarkeit der Verteilung der Poren. Die sich aus dem Sinterprozess ergebende Porosität ist ein Zufallsprodukt. Im Einsatz müssen derartige Membranhalterungen also immer individuell kalibriert werden. Zum anderen kann die Porenstruktur zu einer für einige Anwendungen unzureichenden Gasdiffusion führen. Schließlich kann die relativ lange Verweilzeit der gelösten Stoffe innerhalb der Porenstruktur zu unerwünschten Vermischung der permeie- renden Stoffe führen. Weiterhin weist die bekannte Membranhalterung eine Heizeinrichtung zur Fluiderwärmung und damit zur Verbesserung des Durchtrittsverhaltens der Stoffe durch die Membran auf. Die Heizeinrichtung befindet sich außerhalb der Membranhalterung im umgebenden Gehäuse. Compressive strength, but only a permeability of 10 to 50%. The disadvantage is the lack of reproducibility of the distribution of the pores. Deriving from the Sintering process resulting porosity is a random product. In use, such membrane holders must therefore always be calibrated individually. On the other hand, the pore structure can lead to inadequate gas diffusion for some applications. Finally, the relatively long residence time of the dissolved substances within the pore structure can lead to undesired mixing of the permeating substances. Furthermore, the known membrane holder has a heating device for fluid heating and thus to improve the passage behavior of the substances through the membrane. The heater is located outside the membrane holder in the surrounding housing.
Aus der US 7 579 587 B2 ist es weiterhin bekannt, im Innenraum einer selbsttragenden, zylinderförmigen Membran eine Heizvorrichtung vorzusehen. Diese ist stabförmig ausgebildet und erstreckt sich entlang der Längsachse der Membran. Es erfolgt eine Erwärmung der Innenseite der Membran über Wärmestrahlung. Diese wird aber von dem Fluid innerhalb der Membran beeinflusst und ist nicht homogen. Aus der US 6 744 045 A2 ist ein transportables Massenspektrometer für den Unterwassereinsatz bekannt. Als Analysator wird ein Quadrupol eingesetzt. Im Einlasssystem befindet sich eine selektive kleine Membran, die je nach Einsatztiefe des UWMS besonders hohen Differenzdrücken ausgesetzt ist. From US Pat. No. 7,579,587 B2 it is also known to provide a heating device in the interior of a self-supporting, cylindrical membrane. This is rod-shaped and extends along the longitudinal axis of the membrane. There is a heating of the inside of the membrane via heat radiation. However, this is influenced by the fluid within the membrane and is not homogeneous. US Pat. No. 6,744,045 A2 discloses a portable mass spectrometer for underwater use. The analyzer is a quadrupole. In the inlet system there is a selective small membrane, which is exposed to particularly high differential pressures depending on the depth of use of the UWMS.
Schließlich ist aus der DE 10 2007 1 1 107 B4 noch eine technische Leichtbaukonstruktion mit einer fraktal gegliederten Stützstruktur bekannt, die für größere Leichtbaustrukturen vorgesehen ist. Dabei ist die Stützstruktur aber ausschließlich auf mechanische Festigkeit und nicht auf Permeabilität ausgelegt. Finally, from DE 10 2007 1 1 107 B4 nor a technical lightweight construction with a fractal articulated support structure is known, which is intended for larger lightweight structures. However, the support structure is designed exclusively for mechanical strength and not for permeability.
Ausgehend von der weiter oben beschriebenen gattungsgemäßen stützenden Membranhalterung gemäß der US 2014/02836626 A1 ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, eine stützende Membranhalterung anzugeben, die eine hohe Moleküldurchlässigkeit bei hohen, auf ihr lastenden Differenzdrücken aufweist. Die beanspruchte Membranhalterung soll dementsprechend hochpermeabel für selektive Komponenten und gleichzeitig zudem extrem druckfest sein. Weiterhin soll sie zuverlässig reproduzierbar herstellbar sein. Die Herstellung soll daher bevorzugt automatisiert erfolgen. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch und den nebengeordneten Ansprüchen zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert. Starting from the above-described generic supporting membrane holder according to US 2014/02836626 A1, the object of the present invention is to provide a supporting membrane holder which has a high molecular permeability at high differential pressures on it. The claimed membrane holder should accordingly be highly permeable to selective components and at the same time also extremely pressure-resistant. Furthermore, it should be reliably reproducible to produce. The production should therefore preferably be automated. The solution for This object is to be taken from the main claim and the independent claims. Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims and explained in more detail below in connection with the invention.
Die beanspruchte stützende Membranhalterung für eine permeable Membran als Grenzfläche zwischen einem Innenraum und einem Außenraum der Membranhalterung zur differenzdruckunterstützten Trennung suspendierter oder gelöster Stoffe in einem Fluid, wobei die Membranhalterung eine zylindrische Rohrwandung mit einer zentralen Längsachse und durchlässigen Poren aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum der Membranhalterung zumindest ein Zentralzylinder entlang der zentralen Längsachse und Verbindungsstreben zwischen dem Zentralzylinder und der zylindrischen The claimed supporting membrane holder for a permeable membrane as an interface between an inner space and an outer space of the membrane holder for the differential pressure assisted separation of suspended or dissolved substances in a fluid, wherein the membrane holder has a cylindrical tube wall with a central longitudinal axis and permeable pores, according to the invention is characterized in that in the interior of the membrane holder at least one central cylinder along the central longitudinal axis and connecting struts between the central cylinder and the cylindrical
Rohrwandung angeordnet sind, wobei die Verbindungsstreben radial um den Zentralzylinder herum in gleichmäßiger, symmetrischer Verteilung angeordnet sind und in Fußpunkten an der Rohrwandung enden, und dass die Poren in der Rohrwandung in einer vorgegebenen Verteilung angeordnet sind. Tube walls are arranged, wherein the connecting struts are arranged radially around the central cylinder in a uniform, symmetrical distribution and end in Fußpunkten on the tube wall, and that the pores are arranged in the pipe wall in a predetermined distribution.
Mit der erfindungsgemäßen rohrformigen Membranhalterung wird eine besonders kompakte Bauform zur Erfüllung höchster Anforderungen bezüglich Druckfestigkeit und Porosität zur Verfügung gestellt. Sie stützt die Membran von ihrem Innenraum her, sodass Einsätze mit Differenzdrücken aufgrund eines höheren Druckes im Außenraum gegenüber dem Innenraum möglich sind. Die aus dem Fluid zu extrahierenden Stoffe diffundieren aus dem Außenraum durch die Membran in den Innenraum und werden von dort der weiteren Verarbeitung zugeführt. Die erfindungsgemäße Membranhalterung zeichnet sich durch ein Stützwerk aus Verbindungsstreben aus. Die Verbindungsstreben gehen von einem Zentralzylinder aus und enden an der Rohrwandung. Die Verbindungsstreben haben dabei die stützende Funktion, die druckbelastete Rohrwandung, auf der die biegeschlaffe Membran im Anwendungsfall angeordnet wird, vor dem Kollabieren zu bewahren und werden ihrerseits von dem Zentralzylinder unterstützt. Dabei behindern sie aber nicht den Fluidfluss im Innenraum der Membran. Die Rohrwandung ist hochporös ausgebildet. Aufgrund der sie unterstützenden Verbindungsstreben wird ihre Stützfunktion durch die hohe Porosität aber nicht beeinträchtigt. Die Poren sind nach einer vorgegebenen Verteilung in der Rohrwandung angeordnet, sodass eine reproduzierbare The tubular membrane holder according to the invention provides a particularly compact design for meeting the highest demands in terms of pressure resistance and porosity. It supports the membrane from its interior so that differential pressure applications due to a higher external pressure than the interior are possible. The substances to be extracted from the fluid diffuse from the outer space through the membrane into the interior and are supplied from there for further processing. The membrane holder according to the invention is characterized by a supporting structure of connecting struts. The connecting struts go from a central cylinder and end at the pipe wall. The connecting struts have the supporting function, the pressure-loaded pipe wall on which the pliable membrane is placed in the application, to prevent collapse and are in turn supported by the central cylinder. But they do not hinder the fluid flow in the interior of the Membrane. The pipe wall is highly porous. Due to the supportive connecting struts their support function is not impaired by the high porosity. The pores are arranged according to a predetermined distribution in the pipe wall, so that a reproducible
Herstellbarkeit sicher gewährleistet ist. Alle erzeugten Membranhalterungen sind identisch, sodass aufwändige Kalibrierungen im Einsatz entfallen. Mit der erfindungsgemäßen Membranhalterung wird eine modulare Komponente für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle zur Verfügung gestellt, die sowohl hochdruckfest als auch hochporös ist. Es können Differenzdrücke bis zu 400 bar bei einer Porosität von 85 % bewältigt werden. Manufacturability is guaranteed. All membrane holders are identical, eliminating the need for expensive calibrations. With the membrane holder according to the invention a modular component for a variety of applications is provided, which is both high pressure resistant and highly porous. Differential pressures of up to 400 bar can be achieved with a porosity of 85%.
Um diese optimale Kombination von Druckstabilität und Permeabilität unter dem Hauptlastfall bei einer beispielhaft angenommenen Bauteilgröße von ca. 13 x 3 mm (Länge x Durchmesser) zu erreichen, spielt die Funktionsintegration der gewählten Strukturelemente (Zentralzylinder, Verbindungsstreben, Rohrwandung) eine bedeutende Rolle. Dazu wurden bei der Konzeption der erfindungsgemäßen Membranhalterung ein bionischer Ansatz der Bauteilentwicklung und eine strukturmechanische Optimierung gewählt. Natürliche Vorbilder für den neuen technischen Ansatz sind die Exoskelette (Schalen) von Kieselalgen und In order to achieve this optimum combination of pressure stability and permeability under the main load case with an exemplary assumed component size of approx. 13 x 3 mm (length x diameter), the functional integration of the selected structural elements (central cylinder, connecting struts, pipe wall) plays an important role. For this purpose, a bionic approach to component development and structure-mechanical optimization were chosen in the design of the membrane holder according to the invention. Natural models for the new technical approach are the exoskeletons (shells) of diatoms and
Radiolarien, die aufgrund ihrer Lebensweise eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Permeabilität aufweisen müssen. Kieselalgenskelette umschließen zumeist einen leeren Raum, in den weitere Funktionselemente eingebettet sein können. Die Druckfestigkeit wird häufig durch einen fraktalen, wabenartigen Aufbau gewährleistet. Die Diffusion von Nährstoffen in die Zellen wird dadurch erleichtert, dass zwischen den einzelnen Waben Durchgänge vorhanden sind und durch den fraktalen Aufbau der Stege der Bereich eingeschränkter Diffusion minimiert ist. Radiolarien haben oft ein internes sternförmiges, sich nach außen verzweigendes Stützskelett, was die Druckfestigkeit weiter erhöht. Somit verbinden beide Radiolarians, which must have a high compressive strength and a high permeability due to their lifestyle. Diatom skeletons usually enclose an empty space in which further functional elements can be embedded. Compressive strength is often ensured by a fractal honeycomb structure. The diffusion of nutrients into the cells is facilitated by having passageways between the individual honeycombs and minimizing the area of restricted diffusion through the fractal structure of the ridges. Radiolarians often have an internal star-shaped, outwardly branching supporting skeleton, which further increases the compressive strength. Thus, connect both
Organismengruppen Permeabilität und Druckfestigkeit, wobei Diatomeen stärker in Hinblick auf die Permeabilität, Radiolarien eher im Hinblick auf die Druckfestigkeit optimiert sind. Je nach Länge der erfindungsgemäßen rohrförmigen Membranhalterung kann es gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung bevorzugt und vorteilhaft sein, wenn die Verbindungsstreben in mehreren radialen Ebenen entlang des Zentralzylinders angeordnet sind. Es ergibt sich eine relativ einfach herstellbare Stützstruktur, die eine hohe Druckfestigkeit garantiert, ohne die Porosität zu stören. Es kann aber auch eine andere, beispielsweise eine helixartige Anordnung der Verbindungsstreben vorgesehen sein, um eine möglichst kontinuierliche Unterstützung zu erreichen. Weitere Details zum Aufbau der beanspruchten Membranhalterung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Organism groups permeability and compressive strength, wherein diatoms are more optimized in terms of permeability, Radiolarien rather in terms of compressive strength. Depending on the length of the tubular membrane holder according to the invention, it may be preferred and advantageous according to a first embodiment of the invention, if the connecting struts are arranged in several radial planes along the central cylinder. The result is a support structure that is relatively easy to produce, which guarantees a high compressive strength without disturbing the porosity. But it can also be another, for example, a helical arrangement of the connecting struts be provided in order to achieve the most continuous support possible. Further details on the structure of the claimed membrane holder can be found in the exemplary embodiments.
Eine besonders gute Unterstützung der Membran durch die beanspruchte Membranhalterung kann erreicht werden, wenn weiterhin bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen ist, dass die Fußpunkte in einzelnen Abschnitten der Rohrwandung oder über die gesamte Rohrwandung gleichmäßig verteilt sind. Bei einer abschnittsweisen Verteilung ergibt sich in den Abschnitten eine homogene A particularly good support of the membrane by the claimed membrane holder can be achieved, if further preferred and advantageous provided that the bases are evenly distributed in individual sections of the pipe wall or over the entire pipe wall. In a sectional distribution results in the sections a homogeneous
Unterstützung der Membran, wobei sich die Wahl und Ausgestaltung der Abschnitte nach dem vorgesehenen Einsatzfall für die Membranhalterung richtet. Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Fußpunkte und damit der Unterstützungspunkte über die gesamte Rohrwandung ergibt sich eine durchgängig homogene Belastbarkeit der Membranhalterung, was in einem besonders hohen Durchsatzvermögen resultiert. Supporting the membrane, wherein the choice and design of the sections depends on the intended use case for the membrane holder. With a uniform distribution of the base points and thus the support points over the entire pipe wall results in a consistently homogeneous load capacity of the membrane holder, resulting in a particularly high throughput capacity.
Im Sinne erläuterten bionischen Ansatzes ist es weiterhin gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung vorteilhaft und bevorzugt, wenn die Verbindungsstreben an ihrem der Rohrwandung zugewandten Ende in mehrere Unterstreben verzweigt sind und mehrere, zueinander beabstandete Fußpunkte an der Rohrwandung aufweisen. Die Homogenität der Unterstützung der Rohrwandung durch die Verbindungsstreben wird dann nicht durch die Anzahl und Verteilung der Verbindungstreben selbst, sondern durch die Anzahl der von den Verbindungsstreben ausgehenden Unterstreben erzielt. Somit kann die Anzahl der Verbindungsstreben bei gleicher Unterstützung der Rohrwandung reduziert werden. Trotzdem wird durch die Verzweigung der Verbindungsstreben in Unterstreben eine gleichmäßige Lastverteilung und damit eine hohe Lastaufnahme erreicht. Ebenso ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung die Verbindungsstreben in mehreren axialen Ebenen fraktal in die Unterstreben verzweigt sind. Der Begriff„fraktal" steht dabei für eine Selbstähnlichkeit der Elemente in allen Ebenen. In terms of bionic approach explained it is further advantageous and preferred according to a further embodiment of the invention, when the connecting struts are branched at its end facing the pipe wall in several sub-struts and have a plurality of mutually spaced foot points on the pipe wall. The homogeneity of the support of the pipe wall by the connecting struts is then achieved not by the number and distribution of the connecting struts themselves, but by the number of outgoing of the connecting struts under struts. Thus, the number of connecting struts can be reduced with the same support the pipe wall. Nevertheless, by the branching of the connecting struts in Unterstreben a uniform load distribution and thus achieved a high load capacity. Likewise, it is preferable and advantageous if, according to a further embodiment of the invention, the connecting struts are branched fractally in several axial planes into the lower struts. The term "fractal" stands for a self-similarity of the elements in all levels.
In der grundlegenden Ausgestaltung der beanspruchten Membranhalterung treten drei Komponenten auf: der Zentralzylinder, die Verbindungsstreben und die Rohrwandung. Die Verbindungsstreben verlaufen zwischen dem Zentralzylinder und der Rohrwandung und enden dort in Fußpunkten, die in Abschnitten oder generell gleichmäßig verteilt sein können. Dabei können die Fußpunkte bevorzugt und vorteilhaft kontinuierlich in die Rohrwandung übergehen, um Spannungsspitzen zu vermeiden. Gleiches gilt für die Verbindungsstreben, die bevorzugt und vorteilhaft kontinuierlich von dem Zentralzylinder abgehen. Die Membranhalterung kann aus den drei eigenständigen Komponenten, die ggfs. aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, zusammengesetzt werden. In einer nächsten Erfindungsausgestaltung ist es aber bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen, dass für die stützende Membranhalterung eine einstückige Ausbildung der Rohrwandung mit den Verbindungsstreben und/oder der Verbindungsstreben mit dem Zentralzylinder vorgesehen ist. Somit treten nur noch zwei oder auch nur noch eine Komponente auf. In einer vollständig einstückigen Ausführung kommt nur ein Material zum Einsatz. Bei mehreren Materialien handelt es sich um einen mehrstückigen Aufbau, wobei die einzelnen Komponenten aber wie in einer einstückigen Ausführung nahtlos aneinander angrenzen können, um wiederum mechanische Spannungsspitzen zu vermeiden. In the basic embodiment of the claimed membrane holder three components occur: the central cylinder, the connecting struts and the tube wall. The connecting struts run between the central cylinder and the pipe wall and end there in foot points, which may be distributed in sections or generally evenly. In this case, the bases can preferably and advantageously pass continuously into the pipe wall in order to avoid voltage peaks. The same applies to the connecting struts, which preferably and advantageously continuously depart from the central cylinder. The membrane holder can be composed of the three independent components, which may possibly be made of different materials. In a next embodiment of the invention, however, it is preferable and advantageous that a one-piece design of the tube wall with the connecting struts and / or the connecting struts with the central cylinder is provided for the supporting membrane holder. Thus, only two or even only one component occur. In a completely one-piece design, only one material is used. Several materials are a multi-piece construction, but the individual components can adjoin one another seamlessly, as in a one-piece design, again to avoid mechanical stress peaks.
Besonders vorteilhaft zeichnet sich die beanspruchte Membranhalterung nach der Erfindung durch eine große Porosität aus. Dabei kann gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Poren zumindest 80% der Rohrwandung einnehmen. Damit führt der Einsatz der Membranhalterung zu Messzwecken nicht zu Messungenauigkeiten und -Verzögerungen aufgrund von Rückstauungen. Es ergibt sich eine sehr große Durchflussgeschwindigkeit und damit eine hohe Messempfindlichkeit. Weiterhin kann bei der beanspruchten Membranhalterung nach der Erfindung genau wie die Verteilung der Fußpunkte an der Rohrwandung auch die Verteilung der Poren in der Rohrwandung bestimmt werden. Die Porenverteilung ist zwar grundsätzlich für die Reproduzierbarkeit bekannt, aber es kann gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung bevorzugt und vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die Poren in einzelnen Bereichen der Rohrwandung oder in der gesamten Rohrwandung gleichmäßig verteilt sind. In Abhängigkeit vom Einsatzfall der Membranhalterung dient eine gleichmäßige Verteilung der Poren über die gesamte Rohrwandung für einen besonders hohen Durchsatz und für eine gleichmäßige Stoffdiffusion durch die Membran über den gesamten Fluidstrom. Eine bereichsweise Porosität kann beispielsweise für eine spezielle Weiterverarbeitung der permeierten Stoffe genutzt werden. Particularly advantageous, the claimed membrane holder according to the invention is characterized by a large porosity. In this case, according to a further embodiment of the invention, it may be preferable and advantageous that the pores occupy at least 80% of the pipe wall. Thus, the use of the membrane holder for measurement purposes does not lead to measurement inaccuracies and delays due to backwater. It results in a very large Flow rate and thus a high measuring sensitivity. Furthermore, in the claimed membrane holder according to the invention, as well as the distribution of the base points on the tube wall, the distribution of the pores in the tube wall can be determined. Although the distribution of pores is basically known for reproducibility, according to a next embodiment of the invention it may also be preferred and advantageous that the pores are uniformly distributed in individual regions of the tube wall or in the entire tube wall. Depending on the application of the membrane holder a uniform distribution of the pores over the entire tube wall for a particularly high throughput and for a uniform mass diffusion through the membrane over the entire fluid flow is used. A porosity in regions can be used, for example, for a special further processing of the permeated substances.
Die besonders guten Eigenschaften der Membranhalterung nach der Erfindung führen bereits zu einer deutlichen Leistungssteigerung in den meisten Einsatzfällen. Um eine weitere Leistungssteigerung zu erreichen, ist es oft zielführend, die Temperatur des zu messenden / filtrierenden Mediums an der Grenzschicht zu regeln. Dadurch wird die Trennung bzw. der Durchtritt von Stoffen durch die Membran verbessert. Die Permeation der Substanzen durch die Membran ist stark temperaturabhängig. Im Stand der Technik wird in der Regel das gesamte zu messende oder zu filtrierende Fluid aufgeheizt, um dieses Ziel zu erreichen. Dies bedeutet aber einen großen Energieverbrauch, da nur die Grenzschicht mit dem Stoffübergang erwärmt werden muss. Außerdem ergeben sich starke örtliche und zeitliche Inhomogenitäten in der Erwärmung. Deshalb sieht eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass in den Zentralzylinder eine Heizvorrichtung integriert ist und die Verbindungsstreben und die Rohrwandung wärmeleitend ausgebildet sind. Die Wärme wird im Zentralzylinder erzeugt und über die Verbindungsstreben, die bevorzugt dann besonders gleichmäßig und symmetrisch und angeordnet sind, zur Rohrwandung geleitet. Somit wird nur die Membranhalterung an sich geheizt, insbesondere wird die Rohrwandung erwärmt, über die in der Anwendung die Membran gezogen wird und die damit Teil der Grenzschicht ist. Bei der Heizvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Heizstab handeln. Bevorzugt und vorteilhaft ist die Heizvorrichtung aber als Heizdraht ausgebildet, der auch in von den Abmessungen her sehr kleine Zentralzylinder eingebettet sein kann. Bei einer derartigen Heizeinrichtung kann eine besonders zuverlässige Regelung vorgesehen sein, die zu einer optimalen konstanten und homogenen Erwärmung der Rohrwandung bei minimalem Energieeinsatz führt. The particularly good properties of the membrane holder according to the invention already lead to a significant increase in performance in most applications. In order to achieve a further increase in performance, it is often expedient to regulate the temperature of the medium to be measured / filtered at the boundary layer. This improves the separation or passage of substances through the membrane. The permeation of the substances through the membrane is highly temperature dependent. In the prior art, the entire fluid to be measured or filtered is usually heated in order to achieve this goal. However, this means a large energy consumption, since only the boundary layer has to be heated with the mass transfer. In addition, there are strong local and temporal inhomogeneities in the warming. Therefore, a particularly preferred and advantageous embodiment of the invention provides that in the central cylinder, a heater is integrated and the connecting struts and the pipe wall are formed thermally conductive. The heat is generated in the central cylinder and passed over the connecting struts, which are then preferably particularly uniform and symmetrical and arranged to the pipe wall. Thus, only the membrane holder is heated in itself, in particular, the pipe wall is heated over which the membrane is pulled in the application and that is part of the boundary layer. The heater may be, for example, a heating element. Preferably, however, the heating device is designed as a heating wire, which can also be embedded in dimensions of very small central cylinder. In such a heater, a particularly reliable control can be provided, which leads to an optimal constant and homogeneous heating of the pipe wall with minimal energy use.
Die beanspruchte Membranhalterung ist erfindungsgemäß auch dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in bekannter Verteilung in der Rohrwandung angeordnet sind. Dadurch ist die identische Reproduzierbarkeit gewährleistet und alle The claimed membrane holder according to the invention is also characterized in that the pores are arranged in a known distribution in the tube wall. This ensures identical reproducibility and all
Membranhalterungen haben dieselbe Charakteristik im Gebrauch. Bei einer Sinterherstellung kann aber keine reproduzierbare Porenverteilung erreicht werden. Ein wichtiger Punkt für die Realisierung der Membranhalterung nach der Erfindung ist daher ihre reproduzierbare Herstellbarkeit. Neben den bekannten klassischen und etablierten Herstellungsmethoden, wie Gießen oder Fräsen, kann bevorzugt und vorteilhaft kann ein Verfahren zur Herstellung der stützenden Membranhalterung angewendet werden, das dadurch gekennzeichnet, dass ein selektives Sintern oder Schmelzen zumindest eines pulverförmigen Ausgangsstoffes mithilfe eines Lasers durchgeführt wird. Mit einem derartigen dreidimensionalen Druckverfahren können hochkomplexe Strukturen erzeugt werden. Dabei kann auch optimal berücksichtigt werden, dass die Rohrwandung der Membranhalterung auf ihrer Außenseite besonders glatt ist und keine Sprünge oder Kanten aufweist, damit die empfindliche Membran ohne Beschädigungen übergezogen werden kann und keine Hohlräume entstehen. Weiterhin können die durchlässigen Poren gleich mitgedruckt oder nachträglich in dafür vorgesehene symmetrische Strukturen, beispielsweise Wabenstrukturen, eingebracht werden. Membrane mounts have the same characteristics in use. In a sintered production but no reproducible pore distribution can be achieved. An important point for the realization of the membrane holder according to the invention is therefore its reproducible manufacturability. In addition to the known classical and established production methods, such as casting or milling, can preferably and advantageously a method for producing the supporting membrane holder can be applied, which is characterized in that a selective sintering or melting of at least one powdered starting material is carried out using a laser. With such a three-dimensional printing process, highly complex structures can be produced. It can also be optimally taken into account that the tube wall of the membrane holder is particularly smooth on its outer side and has no cracks or edges, so that the sensitive membrane can be covered without damage and no voids occur. Furthermore, the permeable pores may be co-printed or subsequently introduced into designated symmetrical structures, such as honeycomb structures.
Die sogenannte„Micro-Laser-Sintering"-Technologie ist ein additives Fertigungsverfahren mit einer extrem hohen Auflösung. Für ein Bauteil können damit Wandstärken von ca. 250 pm erreicht mit einer Schichtdicke von < 5 pm und einem Fokusdurchmesser von < 30 μιη werden. Besonderer Vorteil des additiven Herstellungsverfahrens im Vergleich zum Sinterverfahren ist, dass die Permeabilität der Rohrwandung der beanspruchten Membranhalterung nicht - wie bei gesinterten Halterungen - durch den Herstellungsprozess an sich erzeugt wird, sondern vielmehr über eine feine Wabenstruktur, welche in sich ein homogen verschmolzenes Werkstoffgefüge aufweist. Somit kann auch die Reproduzierbarkeit der geforderten Permeabilität sichergestellt werden. Lasersintern ist ein generatives Fertigungsverfahren: das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, z. B. Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen. Grundvoraussetzung für die Herstellung ist, dass die Geometriedaten der beanspruchten Membranhalterung dreidimensional vorliegen und als Schichtdaten verarbeitet sind. Der pulverförmige Werkstoff ist beispielsweise Polyamid oder ein anderer Kunststoff, ein Metall- oder ein Keramikpulver. Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig in einer Dicke von 1 bis 200 μιη aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Das Pulver wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in der Rakel zur Verfügung gestellt. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikaler Richtung, dadurch ist es möglich, auch hinterschnittene Konturen zu erzeugen. Stützstrukturen bei der Herstellung sind nicht erforderlich, weil die Membranhalterung während ihrer Entstehung stets vom umgebenden Pulver gestützt wird. Am Ende des Prozesses kann das verbleibende Pulver dann einfach abgeklopft und teilweise für den nächsten Lauf wiederverwendet werden. Eine Sonderform zur Erzeugung von Mikrostrukturen ist das Lasermikrosintern. Hierbei wird ein gütegeschalteter Laser mit kurzen Pulsen verwendet. Das Verfahren kann sowohl in einer Vakuumkammer, wodurch auch Nanopulver verarbeitet werden können, als auch unter Schutzgas oder bei speziellen Metallen unter Luft stattfinden. Die Auflösung des Verfahrens ist besser als 30 μιη. Seit kurzer Zeit ist auch die Verarbeitung keramischer Pulver in hoher Qualität möglich. Beim Lasersintern werden die Pulverkörner nur partiell aufgeschmolzen, es findet ein Flüssigphasen- sinterprozess statt. Hierzu wird Kunststoff oder metallisches Spezialsinterpulver verwendet. Bei dem ähnlichen Verfahren des selektiven Laserschmelzens kommt dagegen ein Pulver ohne Zusatz eines Binders zum Einsatz, welches vollständig aufgeschmolzen wird. The so-called "micro-laser-sintering" technology is an additive manufacturing process with an extremely high resolution, so that wall thicknesses of about 250 μm can be achieved for a component with a layer thickness of <5 μm and a focus diameter of <30 μm Advantage of the additive In comparison with the sintering method, the manufacturing method is that the permeability of the tube wall of the claimed membrane holder is not generated by the manufacturing process per se, as in sintered holders, but rather by a fine honeycomb structure which has a homogeneously fused material structure. Thus, the reproducibility of the required permeability can be ensured. Laser sintering is an additive manufacturing process: the workpiece is built up layer by layer. By the action of the laser beams so any three-dimensional geometries can be generated with undercuts, z. B. Workpieces that can not be produced in conventional mechanical or casting production. A basic prerequisite for the production is that the geometric data of the claimed membrane holder are present in three dimensions and are processed as layer data. The powdery material is for example polyamide or another plastic, a metal or a ceramic powder. The powder is applied to a building platform with the aid of a doctor blade or roller over the entire surface in a thickness of 1 to 200 μιη. The layers are successively sintered or melted into the powder bed by triggering the laser beam in accordance with the layer contour of the component. The build platform is now slightly lowered and a new layer raised. The powder is made available by lifting a powder platform or as a stock in the squeegee. The processing is done layer by layer in the vertical direction, this makes it possible to create even undercut contours. Support structures in the production are not required because the membrane holder is always supported during its formation by the surrounding powder. At the end of the process, the remaining powder can then be simply tapped off and partially reused for the next run. A special form for the production of microstructures is laser microsinternating. Here, a Q-switched laser is used with short pulses. The process can take place both in a vacuum chamber, whereby nanopowders can also be processed, as well as under protective gas or in the case of special metals under air. The resolution of the method is better than 30 μιη. For a short time, the processing of ceramic powders in high quality is possible. In laser sintering If the powder grains are only partially melted, a liquid-phase sintering process takes place. For this purpose, plastic or special metal sintering powder is used. In the similar method of selective laser melting, however, a powder is used without the addition of a binder, which is completely melted.
Für viele technische Anwendungen, die für die beanspruchte Membranhalterung in Frage kommen, wie zum Beispiel in der Filtrations- und der Sensortechnik, ist es besonders vorteilhaft, deren hohe Permeabilität nutzen zu können. In Filteroder Fritten-Systemen kann dadurch die Filtrationsgeschwindigkeit bedeutsam erhöht werden, beispielsweise um eine effiziente Trennung einzelner Komponenten und Phasen zu ermöglichen. Die Empfindlichkeit und die Messgeschwindigkeit von Sensorsystemen können ebenfalls verbessert werden. In beiden Bereichen können die permeablen Strukturen (Membran und Membranhalterung) sehr hohen Drücken ausgesetzt werden. Eine Druckerhöhung sorgt in Filtersystemen für einen verbesserten Durchfluss. Ein effektives und nachhaltiges Umweltmonitoring ist grundlegender Bestandteil einer jeden umweltschützenden Anwendung sowie Forschungsarbeit und wird maßgeblich durch die Güte der zur Verfügung stehenden Daten und Messgrößen bestimmt. Die systematische Erfassung der umweltrelevanten Stoffe ist wiederum von der Qualität der eingesetzten Analysesysteme abhängig. Sensoren, die direkt (online) in aquatischen Systemen eingesetzt werden bieten das größte Potenzial zur kontinuierlichen, räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Detektion von Schadstoffen. Momentan haben jedoch Sensoren z.B. zur Detektion von klimarelevanten Treibhausgasen wie Methan oder CO2, ihre Limitationen in der Abhängigkeit ihrer Einsatztiefe zur Nachweisgrenze. Insbesondere bei solcher Sensortechnik, die unter Wasser, u.a. in der Tiefsee eingesetzt wird, wie z.B. der Unterwasser-Massenspektroskopie, können mit der beanspruchten Membranhalterung nunmehr Differenzdrücke von über 400 bar vor. Dies entspricht bei einem Vakuum im Innenraum der Membran einer Wassertiefe von über 4000 m. In den verschiedenen Anwendungen wird die mit der vorliegenden Erfindung beanspruchte Membranhalterung mit ihren besonderen Eigenschaften (max. Permeabilität bei hoher Druckfestigkeit) mit dem Gesamtsystem (Einlass, Membran, Fritte, Messsystem) abgestimmt und führt so zu einer einzigartigen For many technical applications, which come for the claimed membrane holder in question, such as in the filtration and sensor technology, it is particularly advantageous to be able to use their high permeability. In filter or frit systems, this can significantly increase the filtration rate, for example, to allow for efficient separation of individual components and phases. The sensitivity and measurement speed of sensor systems can also be improved. In both areas, the permeable structures (membrane and membrane holder) can be exposed to very high pressures. An increase in pressure in filter systems for improved flow. Effective and sustainable environmental monitoring is a fundamental component of any environmental protection application and research work and is largely determined by the quality of the available data and metrics. The systematic collection of environmentally relevant substances depends on the quality of the analytical systems used. Sensors that are used directly (online) in aquatic systems offer the greatest potential for continuous, spatially and temporally high-resolution detection of pollutants. At the moment, however, sensors for the detection of climate-relevant greenhouse gases such as methane or CO2 have their limitations in the dependence of their depth of use on the detection limit. In particular, in such sensor technology, which is used under water, inter alia in the deep sea, such as underwater mass spectrometry, with the claimed membrane holder now differential pressures of over 400 bar before. This corresponds with a vacuum in the interior of the membrane a water depth of over 4000 m. In the various applications, the membrane holder claimed with the present invention, with its special properties (maximum permeability at high compressive strength), is matched with the overall system (inlet, membrane, frit, measuring system), thus resulting in a unique
Empfindlichkeit der angeschlossenen Sensoren. Am Beispiel des Unterwasser- massenspektrometers sind Messungen in größeren Tiefen mit einer reduzierten Nachweisgrenze möglich um z.B. untermeerische Ausgasungsstellen von klimarelevanten Gasen wie Methan oder CO2 noch genauer zu charakterisieren als es bisher möglich ist. Mit Hilfe des entwickelten innovativen Einlasssystems und der damit verbundenen verbesserten (reduzierten) Nachweisgrenze des Sensors können somit die von der Wasserrahmenrichtlinie geforderten Schwellenwerte erstmalig zufriedenstellend detektiert werden. Weiterhin kann die Entwicklung zur Umweltüberwachung von aquatischen Systemen und für die Altlastensanierung auch unter extremen Einsatzbedingungen mit einer hohen Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit eingesetzt werden. Sensitivity of the connected sensors. Using the underwater mass spectrometer as an example, measurements at greater depths with a reduced detection limit are possible by e.g. characterize under-sea outgassing points of climate-relevant gases such as methane or CO2 even more accurately than has hitherto been possible. With the help of the developed innovative inlet system and the associated improved (reduced) detection limit of the sensor, the threshold values required by the Water Framework Directive can be satisfactorily detected for the first time. Furthermore, the development for the environmental monitoring of aquatic systems and for the remediation of contaminated sites can be used under extreme operating conditions with a high accuracy and reliability.
Mit der Membranhalterung nach der Erfindung können im Falle von Schiffshavarien beispielsweise geringere Konzentrationen von Öl deutlich schneller vor Ort detektiert werden, um geeignete Gegenmaßnahmen ohne Zeitverlust einleiten zu können. Auch in der kontinuierlichen Umweltüberwachung von aquatischen Ökosystemen, wo die Aufnahme von Schadstoffen unmittelbar zu einer Störung des ökologischen Gleichgewichts führt, können somit geringe Schwellwerte des Messbereichs abgedeckt werden. In der Klimaforschung spielt die untermeerische Gasspeicherung bzw. die Freisetzung von (u.a.) Methan aus dem Meeresboden und Sedimenten in Feuchtgebieten eine entscheidende Rolle zur Analyse der Klimaveränderung. With the membrane holder according to the invention, in the case of ship accidents, for example, lower concentrations of oil can be detected much faster on site in order to be able to initiate suitable countermeasures without loss of time. Also in the continuous environmental monitoring of aquatic ecosystems, where the uptake of pollutants directly leads to a disturbance of the ecological balance, thus low threshold values of the measuring range can be covered. In climate research, underwater gas storage or the release of (i.a.) methane from the seabed and sediments in wetlands play a crucial role in the analysis of climate change.
Durch die Membranhalterung nach der Erfindung ist ein effektives, hoch sensiblesThe membrane holder according to the invention is an effective, highly sensitive
Umweltmonitoring in verschiedenen Bereichen ist möglich: Environmental monitoring in different areas is possible:
• Unfälle/ Verschmutzungen mit Öl: Im Rahmen von Umweltkatastrophen wie Schiffshavarien, Leckagen in Pipelines kommt es häufig zu erheblichen Verschmutzung von Gewässern. Die damit verbundenen Einleitungen von chemischen Verbindungen wie Kohlenwasserstoffe haben auch in geringen Konzentrationen erhebliche negative Auswirkungen auf die entsprechenden Ökosysteme. Mit der zu entwickelnden Technik können auch geringere Konzentrationen deutlich schneller vor Ort detektiert werden, um geeignete Gegenmaßnahmen ohne Zeitverlust einleiten zu können. • Accidents / pollution with oil: In the context of environmental disasters such as ship accidents, leaks in pipelines, there is often considerable pollution of waters. The associated introductions of Chemical compounds such as hydrocarbons, even at low concentrations, have a significant negative impact on their ecosystems. With the technology to be developed even lower concentrations can be detected much faster on site to be able to initiate appropriate countermeasures without loss of time.
• Kontinuierliche Umweltüberwachung: Dicht besiedelte Gebiete sind  • Continuous environmental monitoring: densely populated areas are
kontinuierlich der Gefahr ausgesetzt, durch unterschiedlichste kontaminierende, schädliche Stoffe verschmutzt zu werden. Besonders empfindlich sind hier aquatische Ökosysteme, da Fremdstoffe unmittelbar von den Organismen aufgenommen werden und somit das Gleichgewicht stören. Die hier angestrebte Entwicklung wird dazu beitragen, die Nachweisgrenzen der momentan auf dem Markt befindlichen Sensoren (u.a. zur Detektion von Schwermetallen, Nitraten, sowie gelöste Kohlenwasserstoffe) zu verbessern, sodass auch geringe Schwellwerte des Messbereichs abgedeckt werden.  continuously exposed to the risk of being contaminated by a variety of contaminating, harmful substances. Particularly sensitive here are aquatic ecosystems, as foreign substances are absorbed directly by the organisms and thus disturb the balance. The aim of this development will be to improve the detection limits of the sensors currently on the market (including for the detection of heavy metals, nitrates, and dissolved hydrocarbons), so that even low threshold values of the measuring range are covered.
• Forschung der untermeerischen Gasspeicherung und Freisetzung in Bezug auf die Klimaveränderung: Durch die globale Erwärmung werden vermehrt Kohlenwasserstoffe (u.a. Methan) aus dem Meeresboden und Sedimenten in Feuchtgebieten freigesetzt. Diese Effekte und ihre globalen Auswirkungen können nur mit hochempfindlicher Messtechnik ausreichend detailliert erfasst werden. Erst durch die in diesem Projekt angestrebte Erhöhung der Messempfindlichkeit können die erforderlichen, hoch aufgelösten Daten vermehrt erhoben werden.  • Underground gas storage and release research on climate change: Global warming releases more hydrocarbons (including methane) from the seabed and wetland sediments. These effects and their global effects can only be recorded in sufficient detail with highly sensitive measurement technology. It is only through the increase in measurement sensitivity aimed at in this project that the required high-resolution data can be collected more frequently.
Dabei sind folgende Verbesserungen der Nachhaltigkeit zu verzeichnen: The following sustainability improvements can be seen:
• Durch den Einsatz von Sensoren mit den innovativen Membranhalterungen nach der Erfindung ergibt sich eine Steigerung der möglichen Einsatzdauer um mindestens 100%, insbesondere durch die optimierte energieeffizientere Temperaturregelung. Damit verlängern sich Wartungsintervalle wie z.B. Batteriewechsel, was für eine langfristigere Umweltüberwachung notwendig ist.  • The use of sensors with the innovative membrane holders according to the invention results in an increase of the possible duration of use by at least 100%, in particular by the optimized more energy-efficient temperature control. This extends maintenance intervals, such as Battery change, which is necessary for a longer-term environmental monitoring.
• Durch die Entwicklung von sensorgestützter Umweltanalytik werden die Einsatzgebiete der Messsysteme erheblich erweitert. Damit entfällt die bisher überwiegend eingesetzte aufwändige Laboranalytik, die in der Regel einen erheblichen Einsatz umwelttoxischer Chemikalien erfordert. Dies schützt Arbeitskräfte vor gesundheitlichen Schäden durch Kontamination mit Schadstoffen und die Umwelt. • Through the development of sensor-based environmental analysis, the Fields of application of measuring systems significantly expanded. This eliminates the previously used extensive laboratory analysis, which usually requires a considerable use of environmentally toxic chemicals. This protects workers from health damage caused by contamination with pollutants and the environment.
• Aufwändige, wiederholte Probenahme zur Laboranalyse entfallen. Damit reduzieren sich die benötigte Schiffzeit und die damit verbundenen Schadstoffemissionen in erheblichem Umfang.  • Elaborate, repeated sampling for laboratory analysis omitted. This considerably reduces the time needed for the ship and the associated pollutant emissions.
• Generell wird durch die verbesserte Analytik eine effizientere und genauere Datenerhebung im Umweltmonitoring möglich. Damit kann das Gesamtsystem besser bewertet werden, was die Nachhaltigkeit von daraus abgeleiteten Umweltschutzmaßnahmen signifikant verbessert.  • In general, the improved analytics will allow more efficient and accurate data collection in environmental monitoring. Thus, the overall system can be better valued, which significantly improves the sustainability of environmental measures derived from it.
• Ein besonders innovatives Merkmal der beanspruchten Membranhalterung ist die Kombination aus hoher Permeabilität mit einer hervorragenden Druckfestigkeit sowie einer homogenen, kontrollierten Wärmeregelung. Während die angestrebte Anwendung zunächst die Verbesserung der Sensortechnik vorsieht, ist eine Adaption auf andere Technologien (z.B. Filtertechnik, Galvanik) sinnvoll und realistisch.  • A particularly innovative feature of the claimed membrane holder is the combination of high permeability with excellent compressive strength and a homogeneous, controlled thermal control. While the intended application initially envisages the improvement of sensor technology, adaptation to other technologies (for example, filter technology, electroplating) is sensible and realistic.
Für die Entsalzung von salinen sowie verunreinigten Wässern hat sich die For the desalination of saline and contaminated waters, the
Hochdruck-Membranfiltration mithilfe von Lösungs-Diffusions-Membranen High-pressure membrane filtration using solution-diffusion membranes
(Umkehrosmose) als zurzeit energieeffizienteste Technologie etabliert. Dabei wird das aufzubereitende Wasser durch Membranen mit hohen Druck gefiltert. Der angewendete Druck für die Umkehrosmose von Trinkwasser beträgt 3 bis 30 bar, je nach verwendeter Membran und Anlagenkonfiguration. Für die Meerwasserentsalzung ist ein Druck von 60 bis 80 bar erforderlich, da Meerwasser mit ca. 30 bar einen wesentlich höheren osmotischen Druck aufweist als Trinkwasser (ca. 2 bar). Im Toten Meer liegt sogar ein osmotischer Druck von 350 bar vor. In einigen Anwendungen, z. B. für das Aufkonzentrieren von Deponie-Sickerwasser, werden noch höhere Drücke verwendet. Auch hierbei ist der Einsatz der Membranhalterung nach der Erfindung von großem Vorteil, da diese durch ihre große Porosität einen großvolumigeren und damit schnelleren Abfluss des Reinwassers gewährleisten würde, was zu einer großen Kostenersparnis führen kann. Bei großen Schiffsanlagen spielt auch eine mögliche Platzersparnis eine große Rolle. (Reverse osmosis) is currently established as the most energy-efficient technology. The water to be treated is filtered through membranes with high pressure. The applied pressure for the reverse osmosis of drinking water is 3 to 30 bar, depending on the membrane used and system configuration. For seawater desalination, a pressure of 60 to 80 bar is required because seawater at about 30 bar has a much higher osmotic pressure than drinking water (about 2 bar). In the Dead Sea, there is even an osmotic pressure of 350 bar. In some applications, e.g. As for the concentration of landfill leachate, even higher pressures are used. Again, the use of the membrane holder according to the invention is of great advantage, since these large-volume and thus faster drainage of pure water due to their large porosity which could lead to major cost savings. With large ship systems also a possible space saving plays a large role.
Neben diesen bekannten Anwendungsmöglichkeiten in der Sensor-, Filtrationsoder Separationstechnik ergibt sich noch eine völlig neue und überraschende Anwendungsmöglichkeit für die Membranhalterung nach der Erfindung durch eine Verwendung in einer Trennvorrichtung zur Elektrolyttrennung zwischen der Anode und der Kathode einer Batterie oder in einer Brennstoffzelle. Zum jetzigen In addition to these known applications in the sensor, filtration or separation technology, there is still a completely new and surprising application of the membrane holder according to the invention by use in a separator for separating the electrolyte between the anode and the cathode of a battery or in a fuel cell. To the present
Zeitpunkt werden Vliese, Glas oder Keramik zur Trennung von Anode und Time will be nonwovens, glass or ceramic for separation of anode and
Kathode verwendet. Mittels der neuen Membranhalterung in Verbindung mit geeigneten Membranen können verbesserte Strukturen für den lonenübergang geschaffen werden. Used cathode. The new membrane holder in conjunction with suitable membranes can be used to create improved structures for the ionic transition.
Ausführungsbeispiele embodiments
Nachfolgend werden die stützende Membranhalterung nach der Erfindung und ihre vorteilhaften Modifikationen anhand der schematischen Figuren zum besseren Verständnis der Erfindung an Ausführungsbeispielen noch Hereinafter, the supporting membrane holder according to the invention and its advantageous modifications with reference to the schematic figures for a better understanding of the invention of embodiments still
weitergehend erläutert. Dabei zeigt die further explained. It shows the
Figur 1 A, B aus dem Stand der Technik: Vorbilder aus der Natur für Figure 1 A, B from the prior art: examples from the natural for
Konzeptionsmöglichkeiten für die stützende Membranhalterung,  Conceptual options for the supporting membrane holder,
Figur 2 eine erste Ausführungsform der stützenden Membranhalterung mit geraden Verbindungsstreben in der  Figure 2 shows a first embodiment of the supporting membrane holder with straight connecting struts in the
perspektivischen Ansicht,  perspective view,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform der stützenden Membranhalterung mit einfachen Unterstreben in der perspektivischen Ansicht,  3 shows a second embodiment of the supporting membrane holder with simple lower struts in the perspective view,
Figur 4 eine dritte Ausführungsform der stützenden Membranhalterung mit fraktal gegliederten Unterstreben in der perspektivischen Ansicht, Figur 5 eine vierte Ausführungsform der stützenden Membran- halterung mit einer Heizvorrichtung in der perspektivischen Ansicht, FIG. 4 is a perspective view of a third embodiment of the supporting membrane holder with fractally structured lower struts; FIG. 5 shows a fourth embodiment of the supporting membrane holder with a heating device in the perspective view,
Figur 6 eine fünfte Ausführungsform der stützenden Membran- halterung mit einer diskontinuierlichen Verteilung von Poren und Verbindungsstreben im Längsschnitt und  6 shows a fifth embodiment of the supporting membrane holder with a discontinuous distribution of pores and connecting struts in longitudinal section and
Figur 7 einen Querschnitt durch die Ausführungsform gemäß Figur 6.  FIG. 7 shows a cross section through the embodiment according to FIG. 6.
Die Figuren 1 A und 1 B zeigen Vorbilder aus der Natur, die als Konzeptmöglichkeiten auf den Aufbau der beanspruchten Membranhalterung übertragen werden können. Dabei zeigt die Figur 1 A eine kugelförmige Radiolarie. Gut zu erkennen sind eine hochporöse Wandung, radial verlaufende Verbindungsstreben und ein Zentrum. In der Figur 1 A ist ein flächiges Häkeldeckchen mit einer Fraktalstruktur aufgezeigt. Von einem Zentrum gehen Verbindungsstreben aus, die sich in mehreren axialen fraktalen Ebenen in Unterstreben verzweigen. Es sind sechs Ebenen gezeigt. Sehr viele Unterstreben enden an der Wandung und Figures 1 A and 1 B show examples from nature, which can be transferred as a concept to the structure of the claimed membrane holder. In this case, Figure 1 A shows a spherical Radiolarie. Good to see are a highly porous wall, radially extending connecting struts and a center. FIG. 1A shows a flat crochet doily with a fractal structure. Connecting struts emerge from one center, branching into sub-struts in several axial fractal planes. There are six levels shown. Many underlings end up on the wall and
unterstützen diese optimal. Besonders vorteilhaft ist hierbei der gleich lange Weg entlang jedes Strebenwegs vom Zentrum bis zur Wandung. Befände sich im Zentrum eine Wärmequelle, würde die Wandung über die Streben sehr homogen erwärmt werden. support this optimally. Particularly advantageous here is the same distance along each strut path from the center to the wall. If there was a heat source in the center, the wall would be heated very homogeneously over the struts.
In der Figur 2 ist eine stützende Membranhalterung 01 nach der Erfindung, die sich durch eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Permeabilität auszeichnet, in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Membranhalterung 01 dient dem Überziehen einer Membran (in den Figuren nicht dargestellt). Die Membran stellt eine Grenzfläche zwischen einem Innenraum 02 innerhalb der Membranhalterung 01 und einem Außenraum 03 außerhalb der Membranhalterung 01 dar und dient der differenzdruckunterstützten Trennung suspendierter oder gelöster Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen, strömenden Fluid. Die Membran ist permeabel und lässt immer in einer Richtung, d.h. bei der Erfindung vom Innenraum 02 in den Außenraum 03, Substanzen hindurch. Die in der Regel biegsame oder sogar biegeschlaffe Membran wird durch die Membranhalterung 01 unterstützt und vor dem Kollabieren unter Druckeinfluss geschützt. Dies ist erforderlich, da im späteren Betrieb der Druck im Außenraum 03 um die Membranhalterung 01 herum größer ist als im Innenraum 02 der Membranhalterung 01 (Po3>Po2). Wird die Membranhalterung 01 beispielsweise in einem Unterwasser-Massen- spektrometer (hydrostatischer Druck in 2000 bis 4000 m beispielsweise 200 bis 400 bar im Außenraum 03 gegenüber Vakuum im Innenraum 02) zum tiefenprofilierten Nachweis von gelösten Spurengasen im Wasser eingesetzt, können in Einsatztiefen von bis zu 4000 m gegenüber einem Vakuum im Innenraum 03 der Membranhalterung 01 Differenzdrücke von bis zu 400 bar auf die Membranhalterung 01 einwirken. Neben der deshalb benötigten sehr hohen Druckfestigkeit ist es zusätzlich erforderlich, dass die Membranhalterung 01 auch hoch permeabel ist. Anzustreben ist eine Porosität von zumindest 80%, um den Durchfluss bei der Tangentialfluss-Filtration an der Membran nicht zu behindern. 2 shows a supporting membrane holder 01 according to the invention, which is characterized by a high compressive strength and a high permeability, in a first embodiment. The membrane holder 01 is used for coating a membrane (not shown in the figures). The membrane represents an interface between an interior space 02 within the membrane holder 01 and an exterior space 03 outside the membrane holder 01 and serves for the differential pressure-assisted separation of suspended or dissolved substances in a liquid or gaseous, flowing fluid. The membrane is permeable and always allows in one direction, ie in the invention from the interior 02 into the exterior 03, substances therethrough. The usually flexible or even pliable membrane is supported by the membrane holder 01 and before protected from collapsing under the influence of pressure. This is necessary since in later operation the pressure in the outer space 03 around the membrane holder 01 is greater than in the inner space 02 of the membrane holder 01 (Po3> Po2). If the membrane holder 01 is used, for example, in an underwater mass spectrometer (hydrostatic pressure in 2000 to 4000 m, for example 200 to 400 bar in the outer space 03 to vacuum in the interior 02) for depth profiled detection of dissolved trace gases in the water, can in depths of up to 4000 m against a vacuum in the interior 03 of the membrane holder 01 differential pressures of up to 400 bar act on the membrane holder 01. In addition to the very high compressive strength therefore required, it is additionally necessary that the membrane holder 01 is also highly permeable. It is desirable to have a porosity of at least 80% in order not to hinder the flow during the tangential flow filtration on the membrane.
In der Figur 2 umfasst die Membranhalterung 01 (Abmessungen beispielsweise 13 mm Länge bei 3 mm Durchmesser) eine Rohrwandung 1 1 mit einer zentralen Längsachse 10 und durchlässigen Poren 05. Die durchlässigen Poren 05 sind in einer vorgegebenen Verteilung gleichmäßig in der Rohrwandung 1 1 angeordnet. Im Innenraum 02 der Membranhalterung 01 entlang der zentralen Längsachse 10 ist ein Zentraizylinder 12 angeordnet. Zwischen diesem Zentraizylinder 12 und der Rohrwandung 1 1 sind die Verbindungsstreben 08 angeordnet, die die Rohrwandung 1 1 in den Fußpunkten 09 stützen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einfache radiale Verbindungsstreben 08. Die Fußpunkte 09 liegen in gleichmäßiger Verteilung auf der Rohrwandung 1 1 . Die Verbindungsstreben 08 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel in radialen Ebenen 13 angeordnet. Die Ausrichtung der Verbindungsstreben 08 zwischen den radialen Ebenen 13 kann identisch sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sie aber um einige Grad versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders homogene Unterstützung der Rohrwandung 1 1 . In FIG. 2, the membrane holder 01 (dimensions, for example, 13 mm in length and 3 mm in diameter) comprises a tube wall 11 with a central longitudinal axis 10 and permeable pores 05. The permeable pores 05 are arranged uniformly in the pipe wall 11 in a predetermined distribution. In the interior 02 of the membrane holder 01 along the central longitudinal axis 10 a Zentraizylinder 12 is arranged. Between this Zentraizylinder 12 and the pipe wall 1 1, the connecting struts 08 are arranged, which support the pipe wall 1 1 in the foot points 09. In the embodiment shown are simple radial connecting struts 08. The bases 09 are in uniform distribution on the pipe wall 1 first The connecting struts 08 are arranged in the illustrated embodiment in radial planes 13. The orientation of the connecting struts 08 between the radial planes 13 may be identical. In the illustrated embodiment, however, they are arranged offset by a few degrees to each other. This results in a particularly homogeneous support of the pipe wall 1 1.
In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Membranhalterung 01 gezeigt, bei der die Verbindungsstreben 08 an ihrem der durchlässigen Rohrwandung 1 1 zugewandten Ende 14 in mehrere Unterstreben 15 verzweigt sind und mehrere, zueinander beabstandete Fußpunkte 09 an der Rohrwandung 1 1 aufweisen. Dadurch ergibt sich eine homogene Lastverteilung bei einer hohen Lastaufnahme. 3 shows a further embodiment of the membrane holder 01 is shown, in which the connecting struts 08 at its the permeable pipe wall 1 1 have facing end 14 in a plurality of sub-struts 15 are branched and a plurality of mutually spaced feet 09 on the pipe wall 1 1 have. This results in a homogeneous load distribution at a high load capacity.
In der Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform der Membranhalterung 01 gezeigt, bei der die Verbindungsstreben 08 an mehreren axialen Ebenen 16 in Unterstreben 17 aufgeteilt sind. Es ergibt sich eine fraktale Aufteilung mit einer 4 shows a further embodiment of the membrane holder 01 is shown, in which the connecting struts 08 are divided at several axial planes 16 in the lower struts 17. The result is a fractal distribution with a
Selbstähnlichkeit zwischen den axialen Ebenen 16. Die Verteilung der Fußpunkte 09 auf der Rohrwandung 1 1 ist bei dieser Ausführungsform besonders homogen und dicht, was eine optimale Stützung der Rohrwandung 1 1 bewirkt. Dabei werden der Fluidfluss und die Stoffdiffusion durch die Membranhalterung 01 im späteren Betrieb aber nicht gestört. Bei einer derartig dichten Verteilung der Fußpunkte 09 bilden diese die Rohrwandung 1 1 aus, wobei die gleichmäßig verteilten Poren 05 durch Aussparungen zwischen den Fußpunkten 09 gebildet sind. In Verschmelzung mit dem Zentralzylinder 12 liegt in der gezeigten Self-similarity between the axial planes 16. The distribution of the foot points 09 on the pipe wall 1 1 is particularly homogeneous and dense in this embodiment, which causes optimal support of the pipe wall 1 1. In this case, however, the fluid flow and the substance diffusion through the membrane holder 01 during later operation are not disturbed. In such a dense distribution of the foot points 09, these form the pipe wall 1 1, wherein the uniformly distributed pores 05 are formed by recesses between the foot points 09. In merging with the central cylinder 12 is shown in the
Ausführungsform eine einstückige Ausbildung der Membranhalterung 01 vor. Embodiment of an integral formation of the membrane holder 01 before.
In der Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Membranhalterung 01 gezeigt, bei der in den Zentralzylinder 12 in eine hohle Aufnahme 18 eine Heizvorrichtung 19 integriert ist. Hierbei handelt es sich im gewählten Ausführungsbeispiel um einen Heizdraht 20. Die Verbindungsstreben 08 und die Rohrwandung 1 1 sind wärmeleitend ausgebildet (durch Wärmepfeile angedeutet). Es ergibt sich eine optimale homogene Erwärmung (beispielsweise in einem Bereich von 100°C) der Rohrwandung 1 1 als Träger der grenzflächenbildenden Membran und damit eine Verbesserung des Diffusionsprozesses durch die Membran im Betrieb. Dabei ist der Energieeinsatz minimiert, weil nur die konstruktive Membranhalterung 01 und nicht das Fluid erwärmt wird. Weiterhin kann diese Heizvorrichtung 19 im Betrieb in einfacher Weise geregelt werden. FIG. 5 shows a further embodiment of the membrane holder 01, in which a heating device 19 is integrated into the central cylinder 12 in a hollow receptacle 18. This is in the selected embodiment to a heating wire 20. The connecting struts 08 and the pipe wall 1 1 are thermally conductive (indicated by heat arrows). The result is an optimal homogeneous heating (for example in a range of 100 ° C) of the pipe wall 1 1 as a carrier of the interfacial membrane and thus an improvement of the diffusion process through the membrane during operation. The energy input is minimized because only the constructive membrane holder 01 and not the fluid is heated. Furthermore, this heater 19 can be controlled in operation in a simple manner.
In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform der Membranhalterung 01 mit einem röhrenförmigen Körper im Querschnitt dargestellt. Zu erkennen sind einzelne Bereiche 21 mit durchlässigen Poren 05 in der Rohrwandung 1 1 . Vom Zentralzylinder 12 gehen paarweise schräge Verbindungsstreben 08 aus, die in kontinuierlichen Fußpunkten 09 in der Rohrwandung 1 1 enden. Dabei enden die Fußpunkte ein einzelnen Abschnitten 22 der Rohrwandung 1 1 . 1m Hintergrund sind weitere Verbindungsstreben 08 in der Ansicht angedeutet. Der Zentralzylinder 12 weist wiederum die hohle Aufnahme 18 entlang seiner zentralen FIG. 6 shows another embodiment of the membrane holder 01 with a tubular body in cross-section. To recognize individual areas 21 with permeable pores 05 in the pipe wall 1. 1 from Central cylinder 12 go in pairs oblique connecting struts 08, which terminate in continuous foot points 09 in the pipe wall 1 1. Here, the base ends a single sections 22 of the pipe wall 1 1. In the background, further connecting struts 08 are indicated in the view. The central cylinder 12 in turn has the hollow receptacle 18 along its central
Längsachse 10 auf, in die eine Heizvorrichtung eingeschoben werden kann. Longitudinal axis 10, in which a heater can be inserted.
Die Figur 7 zeigt die Membranhalterung 01 gemäß Figur 7 im Querschnitt. Zu erkennen sind die durchlässigen Poren 05 in der Rohrwandung 1 1 und die Verbindungsstreben 08 mit ihren kontinuierlichen Fußpunkten 09. Ihre alternierende und hochsymmetrische Anordnung ist im Querschnitt gut zu erkennen. Weiterhin ist der Zentralzylinder 12 mit seiner zentralen Längsachse 10 dargestellt. Die kontinuierliche Anbindung der Verbindungsstreben 08 an den FIG. 7 shows the membrane holder 01 according to FIG. 7 in cross section. Evident are the permeable pores 05 in the pipe wall 1 1 and the connecting struts 08 with their continuous foot points 09. Their alternating and highly symmetrical arrangement can be clearly seen in cross-section. Furthermore, the central cylinder 12 is shown with its central longitudinal axis 10. The continuous connection of the connecting struts 08 to the
Zentralzylinder 12 in Anbindungspunkten 23 ist ebenfalls gut zu erkennen. Central cylinder 12 in connection points 23 is also clearly visible.
Mit der modular in verschiedenen Anordnungen einsetzbaren stützenden With the supportive modular use in various arrangements
Membranhalterung 01 nach der Erfindung wird für unterschiedlichste Anwendungen, die eine Stofftrennung in einem Fluid erfordern, die Grundlage für ein besonders leistungsfähiges Membransystem für die Cross-Flow-Filtration geschaffen. Durch die besonders hohe Druckstabilität und Permeabilität der Membranhalterung können auch Anwendungen in der Tiefsee umgesetzt werden. Dabei garantiert bei Anwendungen im Messbereich, beispielswiese in einem Unterwasser-Massenspektrometer, die hohe Permeabilität eine hohe Messauflösung und -genauigkeit. Dabei trägt eine effiziente Wärmeleitfähigkeit noch zu einer schnelleren Detektion auch von geringsten Konzentrationen beispielsweise umweltrelevanter Stoffe und Messgrößen bei. Durch die zuverlässige reproduzierbare Porosität der Membranhalterung entfallen im Betrieb auch diesbezügliche Kalibrierungen weitgehend. Eine Herstellung der Membranhalterung mittels dreidimensionalem Drucken ist besonders von Vorteil. Bezugszeichenliste Membrane holder 01 according to the invention is the basis for a particularly efficient membrane system for cross-flow filtration for a variety of applications requiring a separation of substances in a fluid. Due to the particularly high pressure stability and permeability of the membrane holder, applications in the deep sea can also be implemented. In the case of applications in the measuring range, for example in an underwater mass spectrometer, the high permeability guarantees high measurement resolution and accuracy. An efficient thermal conductivity contributes to a faster detection of even the lowest concentrations of, for example, environmentally relevant substances and measured quantities. Due to the reliable reproducible porosity of the membrane holder accounts in this operation also relevant calibrations largely. A preparation of the membrane holder by means of three-dimensional printing is particularly advantageous. LIST OF REFERENCE NUMBERS
01 stützende Membranhalterung01 supporting membrane holder
02 Innenraum von 01 02 Interior of 01
03 Außenraum von 01  03 outdoor space from 01
05 Pore  05 pore
08 Verbindungsstrebe  08 connecting strut
09 Fußpunkt von 08 an 04 09 foot from 08 to 04
10 zentrale Längsachse von 1 110 central longitudinal axis of 1 1
1 1 zylindrische Rohrwandung1 1 cylindrical pipe wall
12 Zentralzylinder 12 central cylinders
13 radiale Ebene von 08  13 radial plane of 08
14 1 1 zugewandtes Ende von 08 14 1 1 end facing 08
15 Unterstrebe 15 lower strut
16 axiale Ebene von 08, 17 16 axial plane of 08, 17
17 Unterstrebe 17 understeer
18 hohle Aufnahme in 12  18 hollow intake in 12th
19 Heizvorrichtung  19 heating device
20 Heizdraht  20 heating wire
21 Bereich für 05  21 area for 05
22 Abschnitt für 09  22 section for 09
23 Anbindungspunkt von 09 an 1 1  23 Connection point from 09 to 1 1

Claims

Patentansprüche claims
1. Stützende Membranhalterung (01 ) für eine permeable Membran als Grenzfläche zwischen einem Innenraum (02) und einem Außenraum (03) der Membranhalterung (01) zur differenzdruckunterstützten Trennung suspendierter oder gelöster Stoffe in einem Fluid, wobei die Membranhalterung (01 ) eine zylindrische Rohrwandung (11) mit einer zentralen Längsachse (10) und durchlässigen Poren (05) aufweist, 1. Supporting membrane holder (01) for a permeable membrane as an interface between an interior (02) and an outer space (03) of the membrane holder (01) for differential pressure assisted separation of suspended or dissolved substances in a fluid, wherein the membrane holder (01) has a cylindrical tube wall (11) having a central longitudinal axis (10) and permeable pores (05),
dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (02) der Membranhalterung (01 ) zumindest ein Zentralzylinder (12) entlang der zentralen Längsachse (10) und Verbindungsstreben (08) zwischen dem Zentralzylinder (12) und der zylindrischen Rohrwandung (1 1) angeordnet sind, wobei die Verbindungsstreben (08) radial um den Zentralzylinder ( 2) herum in gleichmäßiger, symmetrischer Verteilung angeordnet sind und in Fußpunkten (09) an der Rohrwandung (1 1) enden, und dass die Poren (05) in der Rohrwandung (1 1 ) in einer vorgegebenen Verteilung angeordnet sind. characterized in that in the interior (02) of the membrane holder (01) at least one central cylinder (12) along the central longitudinal axis (10) and connecting struts (08) between the central cylinder (12) and the cylindrical tube wall (1 1) are arranged, the connecting struts (08) are arranged radially around the central cylinder (2) in a uniform, symmetrical distribution and end at foot points (09) on the pipe wall (1 1), and in that the pores (05) in the pipe wall (1 1) in a predetermined distribution are arranged.
2. Stützende Membranhalterung (01) nach Anspruch 1 , 2. Supporting membrane holder (01) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstreben (08) in mehreren radialen Ebenen (13) entlang des Zentralzylinders (12) angeordnet sind. characterized in that the connecting struts (08) in a plurality of radial planes (13) along the central cylinder (12) are arranged.
3. Stützende Membranhalterung (01 ) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Supporting membrane holder (01) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fußpunkte (09) in einzelnen Abschnitten (22) der Rohrwandung (1 1) oder über die gesamte Rohrwandung (1 1 ) gleichmäßig verteilt angeordnet sind. characterized in that the foot points (09) in individual sections (22) of the pipe wall (1 1) or over the entire pipe wall (1 1) are arranged uniformly distributed.
4. Stützende Membranhalterung (01 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, 4. Supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstreben (08) an ihrem der characterized in that the connecting struts (08) at their the
Rohrwandung (11) zugewandten Ende (14) in mehrere Unterstreben (17) verzweigt sind und mehrere, zueinander beabstandete Fußpunkte (09) an der Rohrwandung (11) aufweisen. Having the pipe wall (11) facing the end (14) in several sub-struts (17) are branched and a plurality of mutually spaced foot points (09) on the pipe wall (11).
5. Stützende Membranhalterung (01) nach Anspruch 4, 5. Supporting membrane holder (01) according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstreben (08) in mehreren axialen Ebenen (16) fraktal in die Unterstreben (15) verzweigt sind. characterized in that the connecting struts (08) in several axial planes (16) are fractally branched into the lower struts (15).
6. Stützende Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 , 6. Supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fußpunkte (09) kontinuierlich in die characterized in that the foot points (09) continuously in the
Rohrwandung (11) übergehen und/oder kontinuierlich von dem Zentralzylinder (12) abgehen. Pass over the pipe wall (11) and / or continuously depart from the central cylinder (12).
7. Stützende Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche I bis 6, 7. Supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims I to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass eine einstückige Ausbildung der Rohrwandung (11 ) mit den Verbindungstreben (08) und/oder der Verbindungsstreben (08) mit dem Zentralzylinder (12) vorgesehen ist. characterized in that an integral formation of the pipe wall (11) with the connecting struts (08) and / or the connecting struts (08) with the central cylinder (12) is provided.
8. Stützende Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, 8. Supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (05) zumindest 80% der Rohrwandung (1 1) ausmachen. characterized in that the pores (05) make up at least 80% of the pipe wall (1 1).
9. Stützende Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, 9. Supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (05) in einzelnen Bereichen (21) der · Rohrwandung (1 1) oder in der gesamten Rohrwandung (1 1 ) gleichmäßig verteilt angeordnet sind. characterized in that the pores (05) in individual regions (21) of the pipe wall (1 1) or in the entire pipe wall (1 1) are arranged uniformly distributed.
10. Stützende Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden 10. Supporting membrane holder (01) according to one of the preceding
Ansprüche 1 bis 9, Claims 1 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass in das Zentralzylinder (12) eine Heizvorrichtung (19) integriert ist und die Verbindungstreben (08) und die Rohrwandung (11) wärmeleitend ausgebildet sind. characterized in that in the central cylinder (12) has a heating device (19) is integrated and the connecting struts (08) and the pipe wall (11) are formed thermally conductive.
11. Stützende Membranhalterung (01 ) nach Anspruch 10, 11. Supporting membrane holder (01) according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (19) als Heizdraht (20) ausgebildet ist. characterized in that the heating device (19) is designed as a heating wire (20).
12. Verfahren zur Herstellung der stützenden Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 12. A method for producing the supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass ein selektives Sintern oder Schmelzen zumindest eines pulverförmigen Ausgangsstoffes mithilfe eines Lasers durchgeführt wird. characterized in that a selective sintering or melting of at least one powdered starting material is carried out by means of a laser.
13. Anwendung der stützenden Membranhalterung (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 13. Application of the supporting membrane holder (01) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Verwendung in einer Trennvorrichtung zur Elektrolyttrennung zwischen der Anode und der Kathode einer Batterie oder einer Brennstoffzelle vorgesehen ist. characterized in that a use is provided in a separating device for separating the electrolyte between the anode and the cathode of a battery or a fuel cell.
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