Was sind Membranen?

Als Membran (mittelhochdeutsch membrane „Pergament“ bzw. lateinisch membrana „Häutchen“) bezeichnet man eine dünne Schicht eines oder mehrerer Materialien. Diese Schicht trennt einerseits die Räume auf beiden Seiten der Membran voneinander, andererseits beeinflusst sie den Transport von Stoffen durch die Membran.

So ist jede lebende Zelle von einer Membran umgeben, welche die beiden eben genannten Funktionen hat: die Abgrenzung der Zelle von der Umgebung und die Regulierung des Stofftransports in die Zelle (Wasser, Salze, lebenswichtige Stoffe) und aus der Zelle heraus (Stoffwechselprodukte, Abfallstoffe). Neben solchen biologischen Membranen gibt es aber auch synthetische, also künstlich hergestellte Membranen. Sie werden in technischen Prozessen zur Stofftrennung oder Filtration eingesetzt, in so unterschiedlichen Anwendungen wie der Wasseraufbereitung, der chemischen Trenntechnik oder der Medizintechnik, z.B. bei der Blutwäsche in der künstlichen Niere.  

Welche Eigenschaften haben Membranen und wofür werden sie eingesetzt?

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von Membranen ist ihre Durchlässigkeit (Permeabilität). Diese kann von komplett undurchlässig (impermeabel) über halbdurchlässig (semipermeabel) bis durchlässig (omnipermeabel) reichen. Die halbdurchlässige (semipermeable) Membran kann man sich als eine poröse Schicht vorstellen. Deren Porengröße lässt Wasser, Lösungsmittel oder andere Teilchen nur bis zu einer gewissen Größe durch. Für größere Teilchen ist sie undurchlässig. Beispielsweise verfügen biologische Zellen über solche halbdurchlässigen Membranen. Wasser kann von der Seite mit geringerer auf die mit höherer Salzkonzentration gelangen. Das Wasser tritt umso schneller durch die Membran, je größer der Konzentrationsunterschied zwischen den durch die Membran getrennten Räumen ist. Die Triebkraft wird auch als osmotischer Druck bezeichnet. Technisch kann man diesen Vorgang auch in die andere Richtung laufen lassen. Dies nennt man Umkehrosmose. Man drückt die Seite mit höherer Salzkonzentration mechanisch so gegen die Membran, dass der Druckunterschied in die andere Richtung verläuft. Dieses Verfahren wird bei der Wasseraufbereitung oder der Meerwasserentsalzung eingesetzt. Ein weiterer wichtiger Fall ist die selektiv durchlässige Membran. Sie sorgt u.a. bei biologischen Membranen dafür, dass nur bestimmte Stoffe (z.B. Natrium oder Calcium) durch die Membran treten (permeieren) können. Selektivität ist die Fähigkeit der Membran, zwischen mindestens zwei Komponenten eines Gemischs zu unterscheiden. Im Gegensatz zur semipermeablen Membran bestimmt hier nicht die Größe, sondern die Art der Teilchen darüber, ob sie durch die Membran treten können. Bei biologischen Membranen sind häufig Proteine (sog. Membranproteine) an aktiven oder passiven Transportprozessen beteiligt. Diese Prozesse sind hochselektiv und  laufen u.a. durch Poren ab. In technischen Anwendungen verwendet man Membranen zur Trennung von Stoffgemischen. Die Selektivität wird als Verhältnis der Durchlässigkeit der Membran für die verschiedenen Stoffe ausgedrückt.  

Wirtschaftliche Bedeutung

Der Energieverbrauch für Trennprozesse macht rund 10 – 15% des Gesamtenergieverbrauchs in industrialisierten Ländern aus. Trennverfahren auf der Basis von Membranen sind deshalb interessant, weil sie gegenüber anderen Trennverfahren in der Regel nur einen Bruchteil des Energiebedarfs haben. So würde eine Membrantrennung von zwei Flüssigkeiten rund 90% weniger Energie verbrauchen als eine Destillation, ein Trennverfahren, das auf der unterschiedlichen Verdampfung der zu trennenden Komponenten beruht. Das Anwendungsfeld technischer Membrantrennverfahren ist sehr groß. Dazu zählt man die Wasseraufbereitung und -entsalzung, ebenso die Medizintechnik mit der Blutwäsche, aber auch die Sauerstoffanreicherung in Herz-Lungen-Maschinen und Lungenunterstützungssysteme. Die Lebensmitteltechnik verwendet Membranen z.B. zum Trennen von Milchbestandteilen oder zur Klärung bzw. Filtration von Flüssigkeiten. Im Energiebereich sind Membranen unerlässliche Bestandteile in Batterien oder in den Elektrolyseuren zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Anwendungen in der Gastrennung reichen von der Aufbereitung von Biogas über die Reinigung von Gasen, die Abtrennung von CO₂ aus Erdgas bis zur Trennung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff. Schließlich gibt es ein großes Anwendungsspektrum in der chemischen Technik zur Abtrennung von Produkten, Nebenprodukten oder Verunreinigungen in chemischen Produktionsverfahren.  

Welche Materialien werden für synthetische Membranen eingesetzt und wie sehen Membranmodule aus?

Synthetische Membranen kann man grundsätzlich in anorganische Membranen und Kunststoffmembranen (polymere Membranen) unterteilen. Anorganische Membranen bestehen aus keramischen Materialien, aus Kohlenstoff oder aus Metallen. Keramische und Kohlenstoffmembranen können je nach Anwendung größere oder feinere Poren enthalten. Die feinsten Poren sind nur noch in speziellen Mikroskopen sichtbar. Anorganische Membranen haben meist den Vorteil einer hohen mechanischen Stabilität und guter chemischer Beständigkeit auch gegenüber aggressiven Chemikalien wie Säuren oder Laugen oder gegen organische Lösungsmittel. Außerdem sind sie bei hohen Temperaturen einsetzbar. Der weitaus höhere Anteil der technisch eingesetzten Membranen gehört jedoch zur Gruppe der Kunststoffmembranen, bei denen kostengünstige und automatisierte Herstellungsprozesse die gezielte Anpassung von Strukturen und Eigenschaften ermöglichen. Diese Materialien lassen sich außerdem leicht formen und können verklebt oder verschweißt werden. Auf der anderen Seite ist die mechanische Stabilität, chemische Beständigkeit und der anwendbare Temperaturbereich bei den Kunststoffmembranen deutlich eingeschränkter. Für technische Anwendungen in der Trenntechnik benötigt man selektive, hoch durchlässige und möglichst langlebige Membranen. Für einen hohen Durchsatz versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dünne Membranen und große Membranflächen zu realisieren. Membranschichten können dabei 100fach dünner werden als ein Blatt Papier. Damit die Membran ausreichend stabil ist, wird die eigentliche Membranschicht häufig auf ein stabiles Trägermaterial aufgebracht. Dieses kann dann schon in der notwendigen Geometrie vorliegen, also rohrförmig oder scheibenförmig. Membranen können auch in einem Modul gestapelt oder in einem sog. Hohlfasermembranmodul aufgewickelt werden. Membrananwendungen haben somit ein großes Potenzial für energie- und ressourceneffiziente Verfahren. Die in Projekten der Fördermaßnahme MaterialNeutral verfolgten Entwicklungen von Membranverfahren und -materialien können Sie in unserer Rubrik Projekte  finden.