Fabrication of patterned thin film composite reverse osmosis membranes with polymeric micro- and ultrafiltration membrane support

Die Umkehrosmose (UO) zählt zu den zuverlässigsten und kosteneffizientesten Technologien zur Entsalzung von Wasser und basiert wesentlich auf Dünnschicht-Kompositmembranen (Thin-Film Composite membrane, TFC membrane). Zur Verbesserung der Filtrationsleistung, insbesondere hinsichtlich Vermeidung von Konzentrationspolarisation und Fouling, wurde in aktuellen Studien ein vorteilhaftes Filtrationsverhalten von topographisch strukturierten Membranen im Vergleich zu flachen Membranen festgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Machbarkeit zweier Herstellungsverfahren für strukturierte TFC-Membranen untersucht: (1) direkte Prägung der flachen TFC-Membran sowie (2) Prägung kommerzieller Ultrafiltrations- (UF) oder Mikrofiltrations- (MF) Membranen, gefolgt von einer Grenzflächenpolymerisation (Interfacial Polymerization, IP). Die Ergebnisse der Machbarkeitsprüfung zeigten, dass die erste Methode aufgrund von Schäden an der Polyamid-(PA)-Schicht während der Prägung nicht umsetzbar ist. Daher wurde die zweite Prägungsmethode im weiteren Verlauf der Studien verfolgt. Die Prägung der Membranen erfolgte mittels Heißprägetechnik, auch bekannt als Mikropräge-Lithografie (Micro Imprinting Lithography, MIL), wobei eine flache Membran unter definierten Prozessparametern (Druck, Temperatur, und Dauer) auf eine mikrostrukturierte Schablone gepresst wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Prägung kommerzieller UF-Membranen durch die Abtrennung der Polyethersulfon- (PES) Schicht vom Vliesträger bei hoher Temperatur und/oder Druck eingeschränkt wird. MF-Membranen sind von diesem Problem nicht betroffen, da sie keine zusätzliche Trägerschicht besitzen. Allerdings treten bei MF-Membranen Haftungsprobleme der PA-Schicht auf, die auf eine unzureichende Anbindung an die Trägermembran zurückzuführen sind. Eine Vorbehandlung mit Polydopamin (PDA) vor der IP erwies sich als wirksam zur Verbesserung der PA-Haftung. Kontaktwinkelmessungen zeigten eine hohe Hydrophilie der unbehandelten MF-Membran, sodass angenommen wird, dass zusätzliche funktionelle Gruppen durch die PDA-Behandlung die chemische Bindung zwischen Träger und PA-Schicht verbessern. Durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde festgestellt, dass die resultierenden TFC-Membranen aus mit PDA vorbehandelten PES-MF-Membranen eine scheinbar poröse PA-Schicht besitzen. Dennoch wiesen die Membranen zufriedenstellender Salzrückhaltung auf, was auf eine Ausbildung der PA-Schicht innerhalb der Membranstruktur hinweist. Die Ergebnisse der Tangentialflussfiltrationstests zeigten keine signifikante Leistungsverbesserung der strukturierten gegenüber den flachen Membranen, was vermutlich auf die Abprägung der Vliesstruktur bei hohem Filtrationsdruck zurückzuführen ist. Dennoch zeigt die Membran Potenzial für Anwendungen bei niedrigerem Betriebsdruck. Bei den TFC-Membranen, die auf UF-Membranen mit Vliesträger basieren, war die Ausprägung sekundärer Rauheit deutlich geringer. Dennoch konnte bei hohen Drücken und Einsatz von Salzlösungen mit hoher Konzentration (10.000 ppm NaCl) eine verbesserte Minderung der Konzentrationspolarisation durch die strukturierte Membran beobachtet werden.