Die Druckgetriebene Membrantrenntechnik findet in verschiedenen Industrien, wie der Wasseraufbereitung, der Biotechnologie, der Lebensmittelverarbeitung und der chemischen Herstellung, weit verbreitete Anwendung. Trotz der vielen Vorteile dieser Technologie, darunter die modulare Bauweise und die geringe Stellfläche, bleibt die Membranfouling ein erhebliches Problem. Membranfouling, bei dem sich unerwünschte Substanzen auf der Membranoberfläche ablagern, reduziert die Leistung der Membran, indem der Permeatfluss verringert wird oder der Druckbedarf ansteigt. Dies führt zu höheren Energie- und Wartungskosten. Eine vielversprechende Lösung für dieses Problem ist die Nutzung piezoelektrischer Materialien, insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Membranen, die durch ihre piezoelektrischen Eigenschaften die Foulingbildung erheblich reduzieren können.

Piezoelektrische Materialien erzeugen elektrische Signale in Reaktion auf Druckänderungen und können mechanische Verformungen erzeugen, wenn sie einem elektrischen Signal ausgesetzt werden. Dies hat eine große Bedeutung für die Membrantechnologie, da durch die Anwendung eines Wechselfelds auf die PVDF-Membranen diese mikroskopisch in Bewegung versetzt werden, wodurch die Anhaftung von Partikeln und Bakterien auf der Membranoberfläche verringert wird. In verschiedenen Studien, wie denen von Coster und Kollegen, wurde gezeigt, dass die Anwendung von Wechselstrom an den Enden einer PVDF-Piezoelektrischen Membran die Membran dazu anregt, sich zu verformen und dabei die Foulingbildung zu verhindern. Diese Methode hat das Potenzial, besonders in Systemen wie aeroben oder anaeroben Membranbioreaktoren von Bedeutung zu sein, wo die Biofouling-Problematik häufig auftritt.

Ein weiteres innovatives Konzept, das die Effizienz der PVDF-Membranen im Bereich der Wasseraufbereitung verbessern könnte, ist die Verwendung von piezoelektrischen β-PVDF-Membranen. Diese Membranen wurden in einer Reihe von Experimenten eingesetzt, die zeigen, wie die Druckfluktuationen, die in hydraulischen Prozessen auftreten, in elektrische Signale umgewandelt werden können. Dies reduziert die Anhaftung von negativ geladenen Verunreinigungen, die häufig eine Herausforderung bei der Wasseraufbereitung darstellen. Cui und Kollegen haben in ihrer Forschung den Zusammenhang zwischen Kristallphase, Vibrationseinheit und der Filtrationsleistung piezoelektrischer β-PVDF-Membranen untersucht und festgestellt, dass die Fähigkeit der Membran, auf Druck zu reagieren, die Oberflächenpotentiale der Membran verändert, was die Foulingbildung drastisch verringert.

Ein weiteres bemerkenswertes Konzept, das in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, ist die Anwendung piezoelektrischer Membranen, um organische Moleküle, Öltropfen, Proteine, Bakterien und anorganische Kolloide abzustoßen. In einer Studie von Gao und Kollegen wurde gezeigt, dass die piezoelektrischen Eigenschaften der Membranen durch die Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies und die dielektrophoretische Abstoßung von Verunreinigungen die Foulingbildung verringern können. Diese Erkenntnisse könnten in der Praxis zu einer Verbesserung der Effizienz von Membransystemen führen, da sie nicht nur die Membran selbst reinigen, sondern auch die Lebensdauer der Membran verlängern.

Neben der mechanischen Aktivierung piezoelektrischer Membranen gibt es noch weitere Ansätze, um Membranfouling zu reduzieren. Eine Möglichkeit besteht darin, die Materialeigenschaften der Membranen zu optimieren oder die Trennbedingungen zu verändern. Eine solche Anpassung könnte dazu führen, dass sich die Wechselwirkungen zwischen der Membran und dem zu trennenden Medium verringern, was das Fouling erheblich reduziert. In einigen Fällen hat sich auch die Verwendung von Hydrodynamik zur Verringerung von Membranfouling als hilfreich erwiesen. Techniken wie der Einsatz von Turbulenzförderern, rotierenden Scheiben oder Ultraschallwellen können die Flüssigkeitsströmung so verändern, dass die Scherkräfte an der Membranoberfläche erhöht werden, was die Foulingbildung mindert. Jedoch ist diese Methode sehr energieaufwendig und könnte langfristig die Lebensdauer der Membran beeinträchtigen.

Die piezoelektrische Aktivierung von PVDF-Membranen stellt jedoch einen besonders vielversprechenden Ansatz dar. Indem die Membran durch Anlegen eines Wechselfeldes mikroskopische Vibrationen erzeugt, entstehen Turbulenzen und selbst Ultraschallkavitationen, die die Bildung eines Konzentrationsgradienten an der Membranoberfläche verhindern. Dies kann nicht nur die Foulingbildung verringern, sondern auch den stabilen Fluss von Permeat erhöhen, was für viele industrielle Anwendungen von großer Bedeutung ist. Die Ergebnisse aus Laborexperimenten lassen darauf schließen, dass diese Technik auch auf industrieller Ebene gut skalierbar sein könnte.

Ein weiterer innovativer Anwendungsbereich für PVDF-Membranen ist der Bereich der Biomaterialien und der Gewebezüchtung. P(VDF-TrFE)-Membranen, die unterschiedliche Mengen des β-Phaseninhalts aufweisen, können so modifiziert werden, dass ihre Oberflächenpotenziale je nach Bedarf angepasst werden. In der Biomedizin könnte dies genutzt werden, um das Wachstum von Knochenzellen zu fördern, indem die Oberfläche der Membran eine bestimmte elektrische Stimulation auf die Zellen ausübt. Bei Implantationen in Knochengewebe zeigte sich, dass Membranen mit höherem β-Phaseninhalt die Regeneration von Knochenzellen effektiv stimulieren können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der regenerativen Medizin und Gewebezüchtung.

Für die Praxis ist es entscheidend, dass die potenziellen Vorteile piezoelektrischer Membranen nicht nur im Labor, sondern auch in realen, industriellen Anwendungen bestätigt werden. Langfristig könnte die Integration dieser Technologien in die Membrantrennungstechniken die Effizienz der Wasseraufbereitung und anderer industrieller Prozesse erheblich steigern. Auch wenn die piezoelektrischen PVDF-Membranen noch nicht vollständig optimiert sind, bieten sie ein vielversprechendes Konzept zur Lösung eines der größten Probleme in der Membrantechnologie.

Was sind die Herausforderungen und Möglichkeiten von DMFC und AEMFC bei der Anwendung von PEMs?

Die Direktmetanol-Brennstoffzelle (DMFC) nutzt die katalytische Oxidation von flüssigem Methanol am Anoden, wobei Protonen und Elektronen erzeugt werden. Diese Protonen diffundieren durch die Protonenaustauschmembran (PEM) zur Kathode, wo sie mit Elektronen reagieren und elektrische Energie erzeugen. Dabei entstehen als Nebenprodukte Wasser und Kohlendioxid. Die chemischen Reaktionen an der Anode, Kathode und in der Zelle insgesamt lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Anode: 2CH₃OH + 2H₂O → 12H⁺ + 12e⁻ + 2CO₂

  • Kathode: 3O₂ + 12H⁺ + 12e⁻ → 6H₂O

  • Gesamtreaktion: CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Um jedoch die volle Effizienz der DMFC zu erreichen, sind eine Vielzahl von Anforderungen an die PEM zu stellen. Diese beinhalten unter anderem den Betrieb bei höheren Temperaturen, eine geringe Methanol-Durchdringung (MCO) (<10⁻⁶ molmin⁻¹ cm⁻²), eine hohe Protonenleitfähigkeit (>80 mS cm⁻¹), eine hohe chemische und mechanische Haltbarkeit, insbesondere bei Temperaturen über 80°C (für eine verbesserte CO-Toleranz), und eine niedrige Ruthenium-Durchdringung. Zusätzlich sollte die Kostenstruktur die Grenze von 10 US-Dollar pro kW nicht überschreiten.

Trotz der Tatsache, dass die derzeitigen DMFCs doppelt so hohe Leistungsdichten wie aktuelle Lithium-Ionen-Batterien (LiBs) aufweisen und eine Gesamteffizienz von etwa 20–25% erreichen, gibt es kritische Faktoren, die die DMFC daran hindern, ihre maximale Effizienz von etwa 100% zu erreichen. Die langsamen Reaktionskinetiken an der Anode und die hohe Methanol-Durchdringung in der Membran (MCO) gehören zu den Haupthindernissen. Eine hohe MCO führt zu einem ineffizienten Zellbetrieb, was wiederum die Lebensdauer und Gesamtleistung der Brennstoffzelle beeinträchtigt. Wenn Methanol an der Kathode reagiert, wird Brennstoff verbraucht und die Kathodenspannung sinkt – ein Problem, das als „gemischtes Potenzial“ bekannt ist. Dies führt zu einer Verringerung der Zellspannung und der Gesamtleistung.

Die Konzentration von Methanol hat ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Leistung der DMFC. Eine Erhöhung der Methanolkonzentration im Anodenstrom von 2M auf 6M führt zu einem dramatischen Rückgang der Spannung und einer Reduzierung der Leerlaufspannung (OCV). Diese Effekte müssen durch die Wahl der richtigen Betriebsparameter wie Temperatur und Anoden- sowie Kathodenstromraten berücksichtigt werden.

Im Gegensatz dazu steht die Anionenaustausch-Brennstoffzelle (AEMFC), die aufgrund der niedrigen Leitfähigkeit von Hydroxidionen (OH⁻) in vielen AEMs bislang geringere Leistungen erzielt als die etablierteren PEMFCs. Ein weiterer Grund für die geringere Leistung der AEMFC ist das Fehlen geeigneter Anionenaustauschionomere (AEIs), die für die OH⁻-Leitfähigkeit in den Katalysatorlagen (CLs) der Elektroden notwendig sind. Bei der AEMFC erfolgt die Reaktion von Wasserstoff und Katalysatoren am Anoden (2H₂ + 4OH⁻ → 4H₂O + 4e⁻), während an der Kathode Sauerstoff, Wasser und Elektronen verbraucht werden, um Hydroxidionen zu erzeugen (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻). Die Gesamtreaktion ist somit 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Die AEMFC leidet jedoch unter einem Wassermangel an der Kathode, was zu einer sogenannten „Trockenheit“ führen kann. Dies geschieht, weil an der Anode vier Wassermoleküle gebildet werden, während an der Kathode nur zwei Wassermoleküle verbraucht werden. Um eine optimale elektrochemische Leistung zu erzielen, muss daher ein effizientes Wasser-Management sowohl durch Diffusion von Wasser von der Anode zur Kathode als auch durch eine Rückdiffusion des Wassers erreicht werden.

Ein weiterer Aspekt, der die Leistung der AEMFC beeinflusst, ist die Stabilität der Anionenaustauschmembranen. Diese werden maßgeblich durch die Art der anionischen Gruppen und das Polymergerüst bestimmt. Die chemische, thermische und mechanische Stabilität der Membranen wird durch die Alkalität des Mediums und den hohen pH-Wert negativ beeinflusst, was insbesondere in Materialien mit geringeren Hydratationszahlen zu einem Problem führen kann. AEMs bestehen aus einer Vielzahl von Polymergerüsten, einschließlich nicht-fluorierter, teilweise fluorierter und voll fluorierter Polymere, wie Polyethylen, Polysulfonen oder Poly(phenylenglykolen). Die kovalent gebundenen Seitenketten, die Quaternärammoniumgruppen enthalten, sind für die Leitung der Hydroxidionen verantwortlich.

Die Vorteile von AEMs gegenüber PEMFCs und DMFCs umfassen eine geringere Brennstoffdurchdringung, da die OH⁻-Ionen von der Kathode zur Anode transportiert werden, was die Wahl dünnerer Membranen ermöglicht und somit die Leistung der Brennstoffzelle steigert. Zudem begünstigen Alkalimediien die Verwendung kostengünstigerer Katalysatoren, wie Nickel und Kobalt, für die Reaktionen der Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion. Eine solche Wahl an Katalysatoren verhindert die Leistungseinbußen durch Brennstoffdurchdringung und verbessert das Wasser-Management an der Kathode, was bei passiven DMFCs für mobile Geräte von Bedeutung ist.

Fluorpolymere, die aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit und hervorragenden Temperatureigenschaften bevorzugt in aggressiven chemischen Umgebungen eingesetzt werden, stellen ebenfalls ein bedeutendes Material für Membranen in Brennstoffzellen dar. Diese Materialien bieten Schutz vor chemischen Angriffen durch starke C—F-Bindungen und ermöglichen eine hohe Beständigkeit gegen Strahlung und thermische Belastung. Fluorpolymere wie PTFE und ihre Strukturanpassungen durch Bestrahlung sind weit verbreitet und werden in verschiedenen Brennstoffzellentechnologien eingesetzt, einschließlich der AEMFC und PEMFC.

Die Wahl der richtigen Membran für Brennstoffzellen ist entscheidend für deren Effizienz und Lebensdauer. Auch wenn aktuelle DMFCs und AEMFCs vielversprechende Eigenschaften zeigen, bleibt die Herausforderung, die Effizienz durch die Reduzierung von Brennstoffdurchdringung und die Optimierung der Katalysatorwahl zu maximieren.

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