Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, Deutschland

Bezeichnung

Stützende Membranhalterung für eine permeable Membran, Verfahren zur Herstellung und Anwendung einer solchen stützenden Membranhalterung

Beschreibung

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.

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

Stofftrennung erfüllt sein. Es können sowohl gleichphasige Trennungen

(Trennung von Flüssigkeiten oder Gasen) als auch verschiedenphasige

Trennungen (Trennung von gelösten Gasen aus einer Flüssigkeit oder von verdampften oder vernebelten Flüssigkeiten aus einem Gas) durchgeführt werden.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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

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

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.

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

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.

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 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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

Durch die Membranhalterung nach der Erfindung ist ein effektives, hoch sensibles

Umweltmonitoring in verschiedenen Bereichen ist möglich:

• 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.

• Kontinuierliche Umweltüberwachung: Dicht besiedelte Gebiete sind

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.

• 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.

Dabei sind folgende Verbesserungen der Nachhaltigkeit zu verzeichnen:

• 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.

• 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.

• Aufwändige, wiederholte Probenahme zur Laboranalyse entfallen. Damit reduzieren sich die benötigte Schiffzeit und die damit verbundenen Schadstoffemissionen in erheblichem Umfang.

• 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.

• 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.

Für die Entsalzung von salinen sowie verunreinigten Wässern hat sich die

Hochdruck-Membranfiltration mithilfe von Lösungs-Diffusions-Membranen

(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.

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

Zeitpunkt werden Vliese, Glas oder Keramik zur Trennung von Anode und

Kathode verwendet. Mittels der neuen Membranhalterung in Verbindung mit geeigneten Membranen können verbesserte Strukturen für den lonenübergang geschaffen werden.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend werden die stützende Membranhalterung nach der Erfindung und ihre vorteilhaften Modifikationen anhand der schematischen Figuren zum besseren Verständnis der Erfindung an Ausführungsbeispielen noch

weitergehend erläutert. Dabei zeigt die

Figur 1 A, B aus dem Stand der Technik: Vorbilder aus der Natur für

Konzeptionsmöglichkeiten für die stützende Membranhalterung,

Figur 2 eine erste Ausführungsform der stützenden Membranhalterung mit geraden Verbindungsstreben in der

perspektivischen Ansicht,

Figur 3 eine zweite Ausführungsform der stützenden Membranhalterung mit einfachen Unterstreben in der perspektivischen Ansicht,

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,

Figur 6 eine fünfte Ausführungsform der stützenden Membran- halterung mit einer diskontinuierlichen Verteilung von Poren und Verbindungsstreben im Längsschnitt und

Figur 7 einen Querschnitt durch die Ausführungsform gemäß Figur 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

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.

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.

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 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.

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

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

Ausführungsform eine einstückige Ausbildung der Membranhalterung 01 vor.

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.

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

Längsachse 10 auf, in die eine Heizvorrichtung eingeschoben werden kann.

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

Zentralzylinder 12 in Anbindungspunkten 23 ist ebenfalls gut zu erkennen.

Mit der modular in verschiedenen Anordnungen einsetzbaren stützenden

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

01 stützende Membranhalterung

02 Innenraum von 01

03 Außenraum von 01

05 Pore

08 Verbindungsstrebe

09 Fußpunkt von 08 an 04

10 zentrale Längsachse von 1 1

1 1 zylindrische Rohrwandung

12 Zentralzylinder

13 radiale Ebene von 08

14 1 1 zugewandtes Ende von 08

15 Unterstrebe

16 axiale Ebene von 08, 17

17 Unterstrebe

18 hohle Aufnahme in 12

19 Heizvorrichtung

20 Heizdraht

21 Bereich für 05

22 Abschnitt für 09

23 Anbindungspunkt von 09 an 1 1