Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Der Abbau anthropogener, chemischer Verunreinigungen im Wasser ist komplex und aktuell nicht vollst\u00e4ndig m\u00f6glich. Ein vielversprechendes Verfahren ist die photokatalytische Behandlung des Wassers mit Anatas (TiO2)-Pulver, welches i. d. R. in den zu behandelnden W\u00e4ssern fein suspendiert wird. Das Projekt verfolgt den innovativen Ansatz, statt Pulver eine an- bzw. durchstr\u00f6mbare, mit TiO2 oberfl\u00e4chlich funktionalisierte Membran (=nanostrukturierte TiO2-Filtrationsmembran, \u0084nPK-Membran\u0093) zu nutzen. Dadurch k\u00f6nnen nicht nur organische Verunreinigungen, wie Tenside, Medikamente und Farbstoffe, effizient abgebaut, sondern zeitgleich auch Partikel und Schwebstoffe aus dem Wasser entfernt werden.
\nZiel des Projektes ist es, eine neuartige Prozessroute f\u00fcr die Herstellung solcher nPK-Membranen auf Basis von D\u00fcnnschichttechnologie und elektrochemischen Verfahren im Laborma\u00dfstab aufzusetzen. Weiterhin sollen die so erzeugten nPK-Membranen hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert werden, wobei der Fokus vor allem auf dem Filtrations- und photokatalytischen Verhalten liegt. Diese Ergebnisse sollen die Grundlage bilden, um das Prinzip nach Projektende in den Demonstrator-Ma\u00dfstab zu skalieren.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Herstellung der nPK-Membranen wurden keramische Filtrationsmembranen aus glasgebundenem Siliciumcarbid mittels PVD mit metallischem Titan beschichtet, welches anschlie\u00dfend elektrochemisch oxidiert wurde. Daraus resultiert bei geeigneter Wahl der Versuchsbedingungen (Titanschichtdicke, Elektrolyt, Spannung) eine Schicht nanostrukturierten Titandioxids, welches durch W\u00e4rmebehandlung einfach in Anatas umwandelbar ist. Als alternativer Ansatz erfolgte die direkte Applikation von TiO2 mittels reaktiven Magnetronsputterns.
\nDie nPK-Membranen wurden anschlie\u00dfend hinsichtlich ihrer werkstoffseitigen Eigenschaften (Morphologie, Kristallstruktur, Leitungsverhalten) sowie ihres funktionellen Verhaltens (Permeabilit\u00e4t, photokatalytische Aktivit\u00e4t) untersucht. Insbesondere letzteres erfolgte an einem bereits vorhandenen Durchflussmessstand, bzw. durch die bekannten Verfahren der OH-Radikalbildung und Abbauversuche an einem Modellfarbstoff.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Projekt konnten keramische Filtrationsmembranen mit photokatalytisch aktiven TiO2-Schichten erfolgreich hergestellt werden.
\nF\u00fcr die Herstellung wurden im Antrag mehrere Prozessrouten vorgeschlagen, welche im Projekt auf ihre Eignung hin evaluiert wurden. Dabei zeigte sich, dass nur die Variante \u0084Abscheidung von Titan mittels Magnetronsputtern + nachfolgende elektrochemische Oxidation + W\u00e4rmebehandlung\u0093 zu signifikanten photokatalytischen Effekten f\u00fchrte. Die nasschemische Oxidation als alternativer Prozess zur Umwandlung des Titans in nano-TiO2 wurde aus Sicherheitsaspekten, insbesondere hinsichtlich einer m\u00f6glichen Aufskalierung, als nicht geeignet bewertet. Auch die direkte Abscheidung des TiO2 mittels reaktivem Magnetronsputtern erwies sich als ungeeignet f\u00fcr das Erreichen einer signifikanten photokatalytischen Aktivit\u00e4t der Schicht.
\nF\u00fcr die elektrochemische Oxidation ist insbesondere eine ausreichende Schichtdicke des Titans im Mikrometerbereich notwendig, wobei diese hohe Beschichtungsdicke die Permeabilit\u00e4t der Membranen nicht negativ beeinflusste. Dar\u00fcber hinaus zeigen die so erzeugten nPK-Membranen eine exzellente Haftfestigkeit der photokatalytisch aktiven Schichten, selbst unter thermischer Belastung (w\u00e4hrend der W\u00e4rmebehandlung). Die funktionelle Beschichtung beeintr\u00e4chtigt das Permeationsverhalten der Membranen nicht negativ, wie Vergleichsmessungen zu unbeschichteten keramischen Substraten zeigten. Optimierte nano-TiO2-Schichten erreichten photokatalytische Aktivit\u00e4ten, die in vergleichbarer Gr\u00f6\u00dfenordnung wie alternative, in der Literatur beschriebene Systeme liegen.
\nF\u00fcr die nPK-Membranen wurde eine deutliche Abnahme der Aktivit\u00e4t bei wiederholter Nutzung der Membran f\u00fcr photokatalytische Prozesse nachgewiesen, der in dieser Form weder f\u00fcr entsprechend erzeugte nano-TiO2-Schichten auf Titan auftritt noch in dieser Auspr\u00e4gung in der Literatur beschrieben wird. Die Regeneration dieser Membranen \u00fcber verschiedene oxidative Prozesse konnte jedoch ebenfalls erfolgreich durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Angegliedert an das Projekt wurde eine Masterarbeit geschrieben, in welcher der Wachstumsmechanismus der TiO2-Nanotubes sowie ein Zusammengang zwischen ihrer Morphologie und ihrer photokatalytischen Aktivit\u00e4t (SERS) untersucht wurde (Schulze, 2021).
\nDas Projekt wurde im Jahresbericht des Fraunhofer IKTS 2021\/2022 vorgestellt (https:\/\/www.ikts.fraunhofer.de\/de\/downloads\/jahresberichte\/jb2021.html).
\nWeiterhin sind auf Basis der Projektergebnisse zwei Publikationen geplant, die Ende 2022 zur Ver\u00f6ffentlichung eingereicht werden sollen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend l\u00e4sst sich sagen, dass die im Projekt generierten Ergebnisse eine Weiterf\u00fchrung der Arbeiten best\u00e4rken. Zum einen ist die Performance der nPK-Membranen bereits im jetzigen Stadium der Entwicklung vielversprechend, zum anderen wurden Fragestellungen aufgeworfen, die nicht abschlie\u00dfend gekl\u00e4rt werden konnten. F\u00fcr die angestrebte Umsetzung der nPK-Membranen in technische Anwendungen ist jedoch u. a. die Bearbeitung der folgenden offenen Punkte essenziell.
\nEs wurde eine alterungsbedingte Deaktivierung der Membranen bez\u00fcglich ihrer photokatalytischen Aktivit\u00e4t beobachtet. Ein tieferes Verst\u00e4ndnis dieses Effektes ist unabdingbar f\u00fcr eine wissensbasierte Optimierungsstrategie und damit eine konstante Performance der Membranen \u00fcber ihre Lebenszeit. Dar\u00fcber hinaus ist die Gestaltung der Skalierung (sowohl in Gr\u00f6\u00dfe, Geometrie und Anzahl der gefertigten Membranen) f\u00fcr eine erfolgreiche \u00dcberf\u00fchrung in einen Demonstrator bzw. anwendungstaugliche Module noch n\u00e4her zu betrachten.
\nDa f\u00fcr diese Punkte jeweils bereits L\u00f6sungs- und Umsetzungsans\u00e4tze vorhanden sind, wird die Weiterf\u00fchrung der Arbeiten an diesem innovativen funktionalisierten Membransystem von den Projektbeteiligten verfolgt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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