Projekt 33629/01

Erzeugung hochaktiver nanostrukturierter TiO2-Filtrationsmembranen zur Wasserdesinfektion und Spurenstoffelimination

Projektträger

Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme Dresden (IKTS)
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: 0351 2553-7793

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Abbau anthropogener, chemischer Verunreinigungen im Wasser ist komplex und aktuell nicht vollständig möglich. Ein vielversprechendes Verfahren ist die photokatalytische Behandlung des Wassers mit Anatas (TiO2)-Pulver, welches i. d. R. in den zu behandelnden Wässern fein suspendiert wird. Das Projekt verfolgt den innovativen Ansatz, statt Pulver eine an- bzw. durchströmbare, mit TiO2 oberflächlich funktionalisierte Membran (=nanostrukturierte TiO2-Filtrationsmembran, „nPK-Membran“) zu nutzen. Dadurch können nicht nur organische Verunreinigungen, wie Tenside, Medikamente und Farbstoffe, effizient abgebaut, sondern zeitgleich auch Partikel und Schwebstoffe aus dem Wasser entfernt werden.
Ziel des Projektes ist es, eine neuartige Prozessroute für die Herstellung solcher nPK-Membranen auf Basis von Dünnschichttechnologie und elektrochemischen Verfahren im Labormaßstab 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-Maßstab zu skalieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Herstellung der nPK-Membranen wurden keramische Filtrationsmembranen aus glasgebundenem Siliciumcarbid mittels PVD mit metallischem Titan beschichtet, welches anschließend elektrochemisch oxidiert wurde. Daraus resultiert bei geeigneter Wahl der Versuchsbedingungen (Titanschichtdicke, Elektrolyt, Spannung) eine Schicht nanostrukturierten Titandioxids, welches durch Wärmebehandlung einfach in Anatas umwandelbar ist. Als alternativer Ansatz erfolgte die direkte Applikation von TiO2 mittels reaktiven Magnetronsputterns.
Die nPK-Membranen wurden anschließend hinsichtlich ihrer werkstoffseitigen Eigenschaften (Morphologie, Kristallstruktur, Leitungsverhalten) sowie ihres funktionellen Verhaltens (Permeabilität, photokatalytische Aktivität) untersucht. Insbesondere letzteres erfolgte an einem bereits vorhandenen Durchflussmessstand, bzw. durch die bekannten Verfahren der OH-Radikalbildung und Abbauversuche an einem Modellfarbstoff.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projekt konnten keramische Filtrationsmembranen mit photokatalytisch aktiven TiO2-Schichten erfolgreich hergestellt werden.
Für die Herstellung wurden im Antrag mehrere Prozessrouten vorgeschlagen, welche im Projekt auf ihre Eignung hin evaluiert wurden. Dabei zeigte sich, dass nur die Variante „Abscheidung von Titan mittels Magnetronsputtern + nachfolgende elektrochemische Oxidation + Wärmebehandlung“ zu signifikanten photokatalytischen Effekten führte. Die nasschemische Oxidation als alternativer Prozess zur Umwandlung des Titans in nano-TiO2 wurde aus Sicherheitsaspekten, insbesondere hinsichtlich einer möglichen Aufskalierung, als nicht geeignet bewertet. Auch die direkte Abscheidung des TiO2 mittels reaktivem Magnetronsputtern erwies sich als ungeeignet für das Erreichen einer signifikanten photokatalytischen Aktivität der Schicht.
Für die elektrochemische Oxidation ist insbesondere eine ausreichende Schichtdicke des Titans im Mikrometerbereich notwendig, wobei diese hohe Beschichtungsdicke die Permeabilität der Membranen nicht negativ beeinflusste. Darüber hinaus zeigen die so erzeugten nPK-Membranen eine exzellente Haftfestigkeit der photokatalytisch aktiven Schichten, selbst unter thermischer Belastung (während der Wärmebehandlung). Die funktionelle Beschichtung beeinträchtigt das Permeationsverhalten der Membranen nicht negativ, wie Vergleichsmessungen zu unbeschichteten keramischen Substraten zeigten. Optimierte nano-TiO2-Schichten erreichten photokatalytische Aktivitäten, die in vergleichbarer Größenordnung wie alternative, in der Literatur beschriebene Systeme liegen.
Für die nPK-Membranen wurde eine deutliche Abnahme der Aktivität bei wiederholter Nutzung der Membran für photokatalytische Prozesse nachgewiesen, der in dieser Form weder für entsprechend erzeugte nano-TiO2-Schichten auf Titan auftritt noch in dieser Ausprägung in der Literatur beschrieben wird. Die Regeneration dieser Membranen über verschiedene oxidative Prozesse konnte jedoch ebenfalls erfolgreich durchgeführt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Angegliedert an das Projekt wurde eine Masterarbeit geschrieben, in welcher der Wachstumsmechanismus der TiO2-Nanotubes sowie ein Zusammengang zwischen ihrer Morphologie und ihrer photokatalytischen Aktivität (SERS) untersucht wurde (Schulze, 2021).
Das Projekt wurde im Jahresbericht des Fraunhofer IKTS 2021/2022 vorgestellt (https://www.ikts.fraunhofer.de/de/downloads/jahresberichte/jb2021.html).
Weiterhin sind auf Basis der Projektergebnisse zwei Publikationen geplant, die Ende 2022 zur Veröffentlichung eingereicht werden sollen.


Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die im Projekt generierten Ergebnisse eine Weiterführung der Arbeiten bestärken. Zum einen ist die Performance der nPK-Membranen bereits im jetzigen Stadium der Entwicklung vielversprechend, zum anderen wurden Fragestellungen aufgeworfen, die nicht abschließend geklärt werden konnten. Für die angestrebte Umsetzung der nPK-Membranen in technische Anwendungen ist jedoch u. a. die Bearbeitung der folgenden offenen Punkte essenziell.
Es wurde eine alterungsbedingte Deaktivierung der Membranen bezüglich ihrer photokatalytischen Aktivität beobachtet. Ein tieferes Verständnis dieses Effektes ist unabdingbar für eine wissensbasierte Optimierungsstrategie und damit eine konstante Performance der Membranen über ihre Lebenszeit. Darüber hinaus ist die Gestaltung der Skalierung (sowohl in Größe, Geometrie und Anzahl der gefertigten Membranen) für eine erfolgreiche Überführung in einen Demonstrator bzw. anwendungstaugliche Module noch näher zu betrachten.
Da für diese Punkte jeweils bereits Lösungs- und Umsetzungsansätze vorhanden sind, wird die Weiterführung der Arbeiten an diesem innovativen funktionalisierten Membransystem von den Projektbeteiligten verfolgt.