Asymmetrische polymerabgeleitete keramische Membranen

Aktuelle Bestrebungen zur Entwicklung nachhaltigerer Verfahren sowie die verstärkte Implementierung alternativer Energiegewinnungstechniken führen zu einer verstärkten Anwendung membrangestützter Gastrennverfahren, welche aufgrund der hohen Energieeffizienz und des geringen maschinellen Aufwandes im Betrieb eine Alternative zu thermischen Trennverfahren darstellen. Keramische Membranen sind aufgrund ihrer guten chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften prädestiniert für den Einsatz unter erhöhten Temperaturen und in Anwesenheit aggressiver Medien. Generell erfolgt hier ein mehrschichtiger, asymmetrischer Aufbau: eine gasselektive, mikro- bis mesoporöse Funktionsschicht wird auf eine makroporöse, mechanisch stabile Stützstruktur aufgebracht, oftmals mit zusätzlichen makro-/mesoporösen Zwischenschichten. Die komplexe Strukturierung führt jedoch zu einem hohen Prozessierungsaufwand und einer entsprechend hohen Implementierungsschwelle. Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung neuartiger asymmetrischer keramischer Membranen unter einer Minimierung der notwendigen Prozessschritte. Die Herstellung keramischer Werkstoffe über die Precursorroute, d.h. die kontrollierte thermische Umwandlung präkeramischer siliziumorganischer Polymere in amorphe Keramiken, ist aufgrund der vielfältigen Verarbeitungs- und Anpassungsstrategien für diesen Einsatzzweck prädestiniert. Zum ersten Mal sollen im Rahmen dieses Projekts sowohl die Stützstruktur als auch die gasselektive Funktionsschicht aus keramisierten Poly(carbosilanen) bzw. Poly(methylvinylsilazanen) hergestellt werden, und die entwickelten keramischen Membranen hinsichtlich der für den Gastrenneinsatz relevanten Eigenschaften charakterisiert werden. Die gezielte Darstellung und Steuerung von Porenstrukturen über mehrere Größenordnungen hinweg bedingt einen konsekutiven Aufbau des Projektes. Zunächst erfolgt die Schaffung der makroporösen Stützstruktur durch einen Opferfüllstoff-Ansatz. Eine mit dem Precursorpolymer infiltrierte dichtgepackte Anordnung von Polystyren- oder Poly(methylmethacrylat)-Mikrokugeln wird im Rahmen der thermischen Umwandlung des Precursorpolymers verflüchtigt, und die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden makroporöse Strukturen werden mit den Prozessparametern korreliert. Im Anschluss erfolgt die Entwicklung der polymerabgeleiteten keramischen Selektivschicht. Nach der Entwicklung der Aufbringungsmethodik über Tauchbeschichtung erfolgt die Steuerung der für die Gastrennung entscheidenden Mikro-/Mesoporenstruktur über die Pyrolyseparameter während der thermischen Umwandlung bzw. über den Einsatz molekularer Porogene. Im finalen Teil des Projekts werden die aus den ersten beiden Teilen gewonnenen Erkenntnisse kombiniert, um mit einem integrierten Prozessansatz asymmetrische keramische Membranen zu schaffen, diese hinsichtlich ihrer Gastrenneigenschaften bei Temperaturen bis 800 C zu charakterisieren, und die Prozessparameter-/Struktur-/Eigenschaftsbeziehungen aufzuklären.

Die Anwendung poröser keramischer Membranen zur Trennung von Gasgemischen stellt einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Energieeffizienz einer Vielzahl an Energieproduktions- und Energieumwandlungsprozessen dar. Die komplexe Strukturierung derartiger Werkstoffe führt jedoch zu einem hohen Prozessierungsaufwand und einer dadurch erhöhten Implementierungsschwelle. Der in diesem Projekt verfolgte Einsatz präkeramischer Polymere auf Siliziumbasis als Vorläuferverbindungen zu hochtemperaturbeständigen Keramiken stellt einen neuen Ansatz zur Herstellung enstprechend strukturierter Keramiken dar. Erfolgreich erreichtes Ziel des vorliegenden Projektes war die Herstellung und Charakterisierung neuartiger asymmetrischer Membranen aus einem einzigen Material, sowie der Nachweis der Eignung als Gastrennmembranen bei erhöhten Temperaturen. Im Speziellen wurde im Projekt die Schaffung von Mehrschichtwerkstoffen aus Polysilazan-abgeleiteten SiCN-basierten Keramiken mit gradierten Porenstrukturen im Porengrößenbereich von < 1 Nanometer bis hin zu > 10 Mikrometer verfolgt. Die Herstellung der Membranstrukturen erfolgte stufenweise. Nach der Herstellung der makroporösen Stützstruktur über einen Opferfüllstoffansatz wurde diese erfolgreich mit einer Zwischenschicht und schließlich mit einer wenige Mikrometer dünnen, nanoporösen Selektivschicht beschichtet. Die Herstellung und Kontrolle der Nanoporenstrukturen erfolgte über eine gezielte Temperaturbehandlung des präkeramischen Materials. Nach diesem Prinzip hergestellte Probekörper in Scheibengeometrie wurden erfolgreich in einem eigens konstruierten Prüfstand auf Ihre Permeanzen für eine Reihe von Gasen (He, N2, Ar, C2H6, CO2) bei Temperaturen bis 500 C hin untersucht und die Realisierbarkeit der Herstellung asymmetrischer polymerabgeleiteter keramischer Membranen auf diese Weise erfolgreich demonstriert. Die erfolgreiche Durchführung dieses Projekts stellt nicht nur einen ersten Schritt für weitere wissenschaftliche Aktivitäten auf diesem Gebiet dar, sondern zeigt auch das Potential derartiger neuer Herstellmethoden von Membranmaterialien mit entsprechenden technologischen, ökologischen und ökonomischen Vorteilen.