Herstellung keramischer Membranen für die Öl-in-Wasser Emulgierung und die Ölrückgewinnung aus Abwässern

• Antragstellerin: Dr. Michaela Wilhelm
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327896934

Emulsionen spielen eine wichtige Rolle in der Formulierung sowie der Verkapselung von Lebensmitteln, pharmazeutischen und kosmetischen Produkten. Herkömmliche Verfahren zur Emulsionsherstellung oder Trennung weisen einige Nachteile wie eine hohe Scherbeanspruchung, einen hohen Energiebedarf sowie eine polydisperse Tröpfchengrößen-verteilung auf. In diesem Sinne stellt die Membrantechnologie eine alternative Methode dar, diese Probleme zu überwinden, und feine und stabile Emulsionen zu erzeugen. Ein großer Teil der Forschung hat sich bisher auf die Untersuchung polymerer Membranen konzentriert. Aufgrund von Membranfouling muß die Membranleistung jedoch weiter erhöht werden. Keramische Membranen erscheinen in dieser Hinsicht als effektive Lösungen für Emulgierprozesse oder die Ölrückgewinnung aus Abwässern, da sie eine deutlich bessere Temperaturstabilität sowie eine sehr gute Beständigkeit gegenüber hohen Ölgehalten, Foulingbelägen oder Reinigungsmitteln aufweisen. Dem gegenüber zeigen kommerziell verfügbare Filtrationsmembranen häufig eine breite Porengrößenverteilung, die in Emulgierprozessen zu ungleichmäßig großen Tropfendurchmessern führen würde. Daher müssen neue Fertigungstechniken zur Herstellung von keramischen Membranen entwickelt werden, die Porengrößen im Bereich 0.1-1µm mit enger Porengrößenverteilung sowie reduzierter Verschmutzung aufweisen, wodurch die Lebensdauer der Membran und die wirtschaftliche Machbarkeit erhöht wird.Der Neuigkeitsaspekt dieses Projektes liegt in der Fertigung polymerabgeleiteter Keramikmembranen, deren Eigenschaften auf der Nanoskala (Zusammensetzung des Ausgangspolymers) und durch die Verarbeitungstechnik (Formgebung, Pyrolysetemperatur) verändert werden können. Zwei verschiedene Vorstufen, Polysiloxane und ein Polysilazan, werden mit Füller- (z.B. SiO2, SiC) und Templatpartikeln (PMMA, Styrol-Nanopartikel) vermischt und daraus Membranen gegossen oder gepresst. Neben der Herstellung einer definierten Makrostruktur, werden durch Variation der Zusammensetzung und der Pyrolysetemperaturen hydrophile und hydrophobe Oberflächen erzeugt. Zu Vergleichszwecken werden ebenfalls oxidische Keramikmembranen (ZrO2, Al2O3) über einen wasserbasierten kolloidalen Prozess (Tapecasting) hergestellt. Die Oberflächeneigenschaften dieser Membranen werden unter Anbindung von Silanen verschiedener Polarität verändert. Die Einflüsse der Porengrößenverteilung und der Oberflächencharakteristik werden durch spezielle Emulgierversuche sowie durch Versuche zur Ölrückgewinnung aus wässrigen Abwässern untersucht werden. Während die Herstellung neuartiger Keramikmembranen mit angepasstem Eigenschaftenprofil im Wesentlichen durch das deutsche Team untersucht wird, wird die Prozesscharakterisierung und ein erstes Scale-up von Membrangeometrien von dem brasilianischen Partner bearbeitet, wodurch eine zukünftige Herstellung von erschwinglichen und langzeitstabilen Keramikmembranen zum Emulgieren und zur Ölrückgewinnung vorbereitet wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Kooperationspartner: Professor Dachamir Hotza