Herstellung von porösen Graphen-Polymer-Kompositmembranen für die Ultrafiltration

Schumacher, Jens GND

In der Membranwissenschaft besteht ein Bedarf an Membranen, die über eine hohe Permeabilität und Selektivität sowie über eine hohe mechanische und chemische Stabilität verfügen. Eine perforierte Monolage Graphen erfüllt alle diese Eigenschaften und eignet sich daher theoretisch perfekt als selektive Schicht in einer Membran. Zur Realisierung einer Membran mit einer selektiven Monolage Graphen werden in dieser Arbeit poröse Graphen-Polymer-Kompositmembranen hergestellt. Dabei dient eine poröse PET-Schicht (Polyethylenterephthalat) als Stützschicht für das Graphen. Die Perforierung erfolgt durch die Bestrahlung mit Schwerionen. Diese bilden Poren in der Graphenschicht und Ionenspuren in dem darunterliegenden Polymer. Durch einen anschließenden Ätzschritt werden die Ionenspuren im Polymer in Poren umgewandelt. Mit diesem Herstellungsverfahren sind Poren im Graphen und in der Stützschicht perfekt übereinander ausgerichtet. Auf diese Weise sollen Graphen-PET-Kompositmembranen (GPK) hergestellt werden, die eine für die Ultrafiltration (UF) passende Porengröße besitzen, mechanisch stabil sind und zudem über eine höhere Permeabilität als kommerzielle UF-Membranen bei ähnlicher Selektivität verfügen. In einer separaten Betrachtung der PET-Stützschicht konnten alle Anforderungen an die mechanische Stabilität, den variierbaren Porendurchmesser und die Permeabilität erreicht werden. Es konnten zudem großflächige (d ~ 8 mm) GPK hergestellt werden, die mechanisch ausreichend stabil für die UF sind. Dabei betrug die Graphenbedeckung bis zu 99 % und der Porendurchmesser im Graphen ca. 12 nm. Der Anteil des defekten Graphens befand sich im niedrigen einstelligen Prozentbereich und konnte durch die Verwendung von zwei und drei Schichten Graphen weiter verringert werden. Mit der Verwendung von mehreren Schichten Graphen konnte zudem der Goldnanopartikelrückhalt (d = 50 nm) auf bis zu 52 % erhöht werden. Die Wasserpermeabilität dieser Membranen betrug ca. 400 bis 7000 Lm-2h-1bar-1 und befindet sich damit im Bereich kommerzieller UF-Membranen und darüber. Es wurde zudem eine Gleichung postuliert, die die experimentelle Wasserpermeabilität der GPK gut beschreiben kann. Diese Arbeit stellt einen wichtigen Schritt zur Herstellung großflächiger poröser Graphenmembranen für die UF dar. Es konnte gezeigt werden, dass die Realisierung von großflächiger Graphenbedeckung mit einer Zahl an Defekten möglich ist, die einen UF-Trennprozess erlauben. Um die Leistung von kommerziellen UF-Membranen zu erreichen muss jedoch die Selektivität durch eine geringere Defektdichte im Graphen erhöht werden.

In membrane science there is a need for membranes which have a high permeability and selectivity as well as a high mechanical and chemical stability. A perforated monolayer of graphene fulfills all of these properties and therefore in theory represents the perfect material for a selective layer in a membrane. To realise a membrane with a selective monolayer of graphene, porous graphene polymer composite membranes are produced in this work. A porous PET (polyethylene terephthalate) layer serves as a support layer for the graphene. The perforation is realised by the irradiation with swift heavy ions. These ions form pores in the graphene layer and ion tracks in the underlying polymer. A subsequent etching step transforms the ion tracks in the polymer into pores. This manufacturing process yields perfectly aligned pores in the graphene and in the support layer. The aim of this work is to produce graphene PET composite membranes (GPK) which have a pore size suitable for ultrafiltration (UF), are mechanically stable and also have a higher permeability than commercial UF membranes with a similar selectivity. First, the PET support layer was produced and characterised. All requirements regarding mechanical stability, variable pore diameter and permeability could be met. It was also possible to produce large-area (d ~ 8 mm) GPK that are stable enough for UF. The graphene coverage was up to 99% and the pore diameter in graphene was approximately 12 nm. The density of defective graphene was in the low single-digit percentage range and could be further reduced by using two and three layers of graphene. By using several layers of graphene, gold nanoparticle retention (d = 50 nm) could be increased up to 52%. The water permeability of these membranes was approximately 400 to 7000 Lm-2h-1bar-1 and is therefore in the range of commercial UF membranes and above. An equation that can describe the experimental water permeability of GPK was postulated. This work represents an important step towards the realisation of large-area porous graphene membranes for UF. The results show that the production of membranes with large-area graphene covering is possible. Furthermore, GPK allows a UF separation process. To achieve the performance of commercial UF membranes, however, the selectivity must be increased by a lower defect density in the graphene layer.

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Schumacher, J., 2020. Herstellung von porösen Graphen-Polymer-Kompositmembranen für die Ultrafiltration. https://doi.org/10.17185/duepublico/72680
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