Membranfilter werden in vielen Bereichen eingesetzt. Beispiele sind die Abtrennung von chemischen Produkten aus Mutterlaugen, die Abziehung von Bioprodukten aus Fermentern, die Rückgewinnung von Wertstoffen wie Katalysatoren in Produktionsprozessen, die Abtrennung von Mikroorganismen aus Trinkwasser, sowie die Reinigung von Abwasser und die Abtrennung von Rußpartikeln und Feinststaub aus Abgas. Die Vielfalt der Anwendungsbereiche spiegelt sich wider in einer Mannigfaltigkeit von Membranarten, Modultypen und Betriebsweisen. Die Filtrationsmembranen lassen sich grob in organische Polymermembranen, anorganische Keramikmembranen, Glasmembranen und Metallmembranen unterscheiden. Wichtige Kriterien bei der Auswahl einer Filtrationsmembran sind: scharfe Trenngrenze, hohe Permeabilität, große Filterfläche pro Volumen, Materialkosten, Oberflächeneigenschaften (hydrophil oder hydrophob), Druckfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Lösungsmittelbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und pH-Stabilität, Abrasionsfestigkeit.

Der jeweilige Anwendungsfall bestimmt, wie die einzelnen Kriterien zu gewichten sind. Es ist beispielsweise leicht verständlich, dass eine organische Polymermembran wegen der fehlenden Hitzestabilität als Rußpartikelfilter für Kraftfahrzeuge unbrauchbar ist. Bei harschen Betriebsbedingungen haben keramische Membranen Vorteile. Keramikmembranen bestehen in den meisten Fällen aus Aluminiumoxid.
Mit dem Fokus auf extremer Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit wurden in jüngerer Zeit von der Saint-Gobain Industriekeramik Rödental Filtrationsmembranen aus Siliziumcarbid entwickelt. Korrosionsversuche zeigen, dass SiC auch in folgenden Medien beständig ist, in denen Keramik aus Al2O3 versagt: 50% Natronlauge bei 100°C, 25% Salzsäure bei 70°C, 100% Salpetersäure bei 100°C und 98% Schwefelsäure bei 95°C.

Unter extremen Bedingungen beständig

Siliziumcarbid wird in einer endothermen Reaktion aus Petrolkoks und hochreinem Quarzsand mit Grafitelektroden bei 2300 bis 2500°C hergestellt. Das Produkt wird abgekühlt und zerkleinert. Durch erneutes Erhitzen bis zur Schmelze und langsames Abkühlen erhält man rekristallisiertes Siliziumcarbid (R-SiC). Dieses wird gemahlen und in Kornfraktionen klassiert.

Zur Herstellung von Matrix-Körpern mit Kanalröhren schlämmt man eine bestimmte Kornfraktion zusammen mit Additiven in Wasser auf, extrudiert dieses Gemisch und erhitzt es bis zur Sintertemperatur. Auf diese Weise entsteht eine Matrix mit einer definierten Porenverteilung, die vorzugsweise im Bereich von 30 bis 40µm liegt. Mehrere solche Matrixkörper werden zu einer größeren Struktur von beispielsweise 300×300 mm (Länge x Durchmesser) zusammengefügt und direkt als Dieselrußpartikelfilter in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Rußpartikel adsorbieren an die innere Oberfläche der Röhren und bilden einen Filterkuchen. Ab einem bestimmten Differenzdruck erfolgt Regenerierung durch Temperaturerhöhung und Verbrennung.
Zur Filtration von Flüssigkeiten überzieht man die Innenwand der Röhren des Matrixkörpers mit einer Schicht von feinkörnigem Siliziumcarbid. Dazu wird eine Suspension von feinkörnigem Material mehrmals durch die Röhren gepumpt und anschließend durch Sintern mit der Matrix verbunden. Je nach verwendeter Korngröße lassen sich Membranen mit Porenweiten von 200 bis 3000nm aufbringen.

Größere Filterfläche durch quadratische Kanäle

Die derzeit bevorzugten Siliziumcarbid-Filterelemente haben eine Länge von 0,5 oder 1m und einen Durchmesser von 32mm mit 37 Kanalröhren von 3,2mm Durchmesser. Neu sind Membranen mit quadratischem Kanalquerschnitt und abgerundeten Ecken. Dadurch wird, im Vergleich mit einem kreisrunden Kanal, eine um 6% größere Querschnittsfläche und eine um 14% größere Filterfläche erzielt. Für ein Filterelement von 1m Länge beträgt die Filterfläche 0,42m2. An beiden Enden der Filterelemente wird die Matrix mit einem geeigneten (auch für den Lebensmittelbereich zugelassenen) Epoxid oder Fluorpolymer versiegelt.

Umfangreiche Betriebserfahrung liegt bei der Aufkonzentrierung von Sililziumcarbid-Suspensionen mit Hilfe von Siliziumcarbid-Membranen vor. Dabei ließen sich Konzentrate von bis zu 750g/l SiC erzielen. Bei diesem Anwendungsfall führten Siliziumcarbid-Membranen zu einer Leistungssteigerung um 10 bis 20% im Vergleich mit den zuvor verwendeten Aluminiumoxid-Membranen.
Andere Versuche zeigen eine vorteilhafte Anwendung von Siliziumcarbid-Filterelementen in der Solarindustrie. Hier wird bei der Herstellung von Silizium-Wafern eine Suspension von Siliziumcarbid in Polyethylenglykol zum Läppen eingesetzt. In diesem Prozess reichert sich die Suspension mit Silizium-Partikeln an und wird zunehmend unbrauchbar. Durch Filtration mit Siliziumcarbid-Membranen können die Partikel abgetrennt und Polyethylenglykol in reiner Form zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden. Die dadurch mögliche Einsparung für die Beschaffung von Polyethylenglykol ist enorm.

Ein großes Potenzial für Siliziumcarbid-Filterelemente besteht in der chemischen und pharmazeutischen Industrie bei der Abtrennung ausgefällter Produkte von der Mutterlauge und bei der Rückgewinnung von partikelförmigen Katalysatoren. Die Kosten von Silizumcarbid-Filterelementen sind etwa gleich wie die Kosten von Aluminumoxid-Filterelementen.

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