Ellipsopermeation - Zum Zusammenspiel von Quellung und Permeation in Polymeren mit intrinsischer Mikroporosität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397270430

In den vergangenen Jahrzehnten ist der Anteil von Polymermembranen zur Trennung von Gasgemischen wie Luft, Erdgas, Biogas, Abgase aus Ammoniakreaktoren oder Propylen aus der Trocknung von Polypropylen stetig gewachsen. Obwohl es eine Vielzahl an verschiedenen Polymeren mit interessanten Trenneigenschaften gibt, haben sich nur wenige Polymere in der industriellen Anwendung durchgesetzt. Das Trennprinzip aller dieser Membranen ist ein Lösungsdiffusionsmechanismus, bei dem sich das permeierende Gas im Polymer löst und in Richtung des niedrigeren chemischen Potenzials diffundiert. Derzeit zeichnet sich eine neue Klasse von Polymeren für den Einsatz zur Gastrennung ab: Polymere mit intrinsischer Mikroporosität (PIM). Diese Polymere haben bemerkenswerte Mischgaspermeations-Eigenschaften, denn sie sind (a) glasartig und (b) invers-selektiv. Dies bedeutet, dass sie größere Gasmoleküle selektiv gegenüber kleineren transportieren. Der genaue Transportmechanismus von Gasgemischen in PIMs ist wenig untersucht und kaum verstanden. Wir beantragen die Durchführung von neuartigen Versuchen an diesen PIMs. Dabei wird mittels in-situ Ellipsometrie das Quellungsverhalten bei verschiedenen Feed- und Permeataktiviäten untersucht. Unser einzigartiger Versuchsaufbau erlaubt noch nie dagewesene experimentelle Analysen des Transportverhaltens bei definierten Partialdruckgradienten. Die PIM-Experimente werden zudem mit dem meist verstandenen Membranmaterial Silikon (PDMS) verglichen. Die Ergebnisse werden zum ersten Mal einen Einblick in die Fundamente des Stofftransports von gequollenen PDMS- und PIM-Membranen geben, während gleichzeitig die Quellung gemessen wird. Der anspruchsvolle Versuchsaufbau ermöglicht die Beantwortung der seit langem offenen Frage: In welchem Ausmaß Feed- und Permeataktivität und der daraus resultierende Konzentrationsgradient die überlagerten Stofftransportphänomene in einem idealen Material wie PDMS sowie in deutlich komplexeren Materialien wie Polymeren mit intrinsischer Mikroporosität beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen