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1 Copyright notice All rights reserved. The contents of this presentation (a. o. texts, graphics, photos, logos etc.) and the presentation itself are protected by copyright. They have been prepared by Fraunhofer UMSICHT. Any distribution or presentation of the content is prohibited without prior written consent by Fraunhofer UMSICHT. Without the written authorisation by Fraunhofer UMSICHT this document and/or parts thereof must not be distributed, modified, published, translated or reproduced, neither in form of photocopies, microfilming nor other especially electronic processes. This proviso also covers the inclusion into or the evaluation by databases. Contraventions will entail legal prosecution. Copyright Fraunhofer UMSICHT, 2013 In case of any questions, please contact: Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT Dr.-Ing. Hartmut Pflaum Head of Department Resources and Innovation Management Osterfelder Strasse Oberhausen GERMANY Tel.: hartmut.pflaum@umsicht.fraunhofer.de

2 Neue Nano- und Mikromaterialbearbeitungsverfahren für innovative Filtermaterialien Dennis Schlehuber Fraunhofer UMSICHT nano meets water V, 28. November 2013, Oberhausen Folie 1

3 Inhalt Ausgangssituation Stand der Technik verschiedene Arten von Mikrosieben Funktionalisierung Zusammenfassung Folie 2

4 Ausgangssituation Rd. 900 Mio. Menschen fehlt der Zugang zu sauberem Trinkwasser, 2,6 Milliarden sind ohne einfache sanitäre Versorgung. 1 Zwischenprodukte werden immer reiner, Prozesse immer aufwendiger. z. B. Lebensmittel nach Kundenwünschen (Lactosefreie Produkte) Die Nachfrage nach massentauglichen und/oder maßgeschneiderten Trennsystemen steigt stetig! Quellen: 1 WHO und UNICEF im Jahr 2010; Bilder: Googlesuche Folie 3

5 Stand der Technik Einsatz von Membranen zur Mikro- und Ultrafiltration Offenporige, schwammartige Struktur Probleme: Deckschichtbildung / Verblockung geringe Standzeiten große Varianz der Poren chemische Beständigkeit Druckverluste Keramikmembran 1 Polymermembran 2 Quellen: Uni Marburg Folie 4

6 Stand der Forschung Entwicklung von Mikrosieben für die Mikro- und Ultrafiltration Dünne poröse Membranen mit einheitlicher Porengröße [ ] werden als Mikrosiebe bezeichnet. 1 Mikrosieb Vorteile von Mikrosieben: definierte Lochgeometrie hohe chemische Beständigkeit geringe Druckverluste Membran Mikrosiebe können in abtragenden und generativen Fertigungsprozessen hergestellt werden. Quelle: 1 Dissertation Membranen mit integrierter Stützstruktur, D. Wachner, 2013 Folie 5

7 Wafermikrosieb und Nanomembranen Wafermikrosiebe und Nanomembranen werden aus Silizium oder Aluminium mit Hilfe eines Ätzverfahrens hergestellt. Die Anordnung der Poren und die Porenabstände werden durch eine Vorstrukturierung mittels Maske festgelegt. Eigenschaften kommerziell erhältlich thermisch stabil bis 1200ºC sehr empfindliche, spröde Membranen Mikromembran aus Silizium 1 Porengröße Dicke Siebfläche Porosität Material 0,1 10 μm μm < 20 % Silizium nm 0,2 100 μm 10 x 10 cm² % Aluminiumoxid Quelle: 1 Folie 6

8 Schwimmgießen von Mikrosieben Auf eine mit Porenbildnern bedeckte Wasseroberfläche wird eine monomere Lösung aufgebracht, welche eine poröse Membran bildet. Eigenschaften hohe Porositäten ungeordnete Porenanordnung (ggf. Fehlstellen?) Porengröße Dicke Siebfläche Porosität Material > 33 nm ~Porengröße ca. Ø 90 mm (Petrischale) < 50 % Polymere Schwimmgießen von Mikrosieben 1 2 Quellen: 1 Dissertation Membranen mit integrierter Stützstruktur, D. Wachner, TU Chemnitz Mikrosiebe, Prof. Goedel, TU Chemnitz 2012 Folie 7

9 Galvanisch abgeformte Mikrosiebe Mittels eines Galvanikprozesses wird auf einer mikrostrukturierten Maske Material abgeschieden und später abgelöst. Eigenschaften: Prozesszeiten ca. 15 Minuten / Sieb nur begrenzte Materialwahl skalierbar Nickel Mikrosieb Porengröße Dicke Siebfläche Porosität Material 0,5 20 μm ~ 10 μm 15 x 15 cm² < 20 % Nickel, Kupfer, Chrom usw. Folie 8

10 Lasermikrosiebe Mittels eines Lasers können Lochperforationen großflächig in verschiedene Materialien eingebracht werden. Eigenschaften freie Materialwahl Bohrraten bis Löcher/Sekunde bis zu 10 Mrd. Löcher/m² => Prozesszeiten: ca. 6h bei 15 x 15 cm² Lasermikrosieb aus VA-Folie, Lochdurchmesser ca. 12 μm Porengröße Dicke Siebfläche Porosität Material μm > 5 μm 40 x 60 cm² < 40 % Kunststoffe, VA-Stahl, Metalle usw. Folie 9

11 Lasermikrosiebe Erhöhung der Bohrrate durch Mehrstrahllaserbearbeitung. Bei der Einstrahllaserbearbeitung wird nur eine geringer Prozentsatz der zu Verfügung stehenden Laserleistung benötigt. Aufteilen des Laserstrahls auf 4 bis 196 Teilstrahlen durch ein diffraktives optisches Element (DOE). Theoretische Bearbeitungszeit 15 x 15 cm² ca. 2 Minuten bei 196 Teilstrahlen ca. 40 Minuten bei 9 Teilstrahlen Quelle: 1 Process Development for High-Power Laser Ablation, Stephan Eifel, Fraunhofer ILT, 2012 Mehrstrahllaserbearbeitung mittels DOE 1 Folie 10

12 Herstellung Mikrosiebe Stützstruktur Abhängig vom Einsatzgebiet müssen Mikrosiebe aufgrund ihrer geringen Festigkeit stabilisiert werden. Schwimmgegossenes Mikrosieb mit Stützstruktur 1 Ni-Mikrosieb mit Stützstruktur 2 Lasermikrosieb mit Stützstruktur 2 Quellen: 1 Hierarchically Structured Assembly of Polymer Microsieves, Feng Yan, Universität Ulm, Fraunhofer UMSICHT Folie 11

13 Funktionalisierung von Mikrosieben Neben der reinen Trennwirkung können Mikrosiebe aus anorganischen Materialien funktionalisiert werden, um spezielle chemische Eigenschaften zu übernehmen. Sorptionsprozesse (z.b. hochselektive Proteinlayer) Ausnutzung der spezifischen Bindungskapazitäten zur Wertstoffrückgewinnung (Platin-Gruppen-Elemente, Seltene Erden) Projekt: S-Sieves Chemischer Abbau (z.b. photokatalytisch mit TiO 2 ) Durch TiO 2 + UV werden an der Oberfläche Elektronen freigesetzt, die diverse chemische Substanzen zersetzen. Projekte: nanopurification nanoefficency AFM-Bild eines mit Proteinen beschichteten Mikrosiebs 1 Quelle: 1 Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf, Projektantrag S-Sieves, 2012 Folie 12

14 Zusammenfassung und Ausblick Mikrosiebe können mit diversen Verfahren aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden: Wafermikrosiebe (Silizium, Aluminiumoxid) Mikrosiebe durch Schwimmgießen (Polymere) Galvanisch abgeformte Mikrosiebe (Nickel, Kupfer ) Mikrosiebe über Laserablation (Edelstahl, Kunststoffe ) Funktionalisierte Mikrosiebe Anwendungsgebiete: Lebensmitteltechnik, Wasser- und Abwasseraufbereitung, Medizintechnik, Analytik, Wertstoffrückgewinnung Quelle: 1 EnviroChemie MS-Teststand für die Wasserentkeimung 1 Folie 13

15 FRAUNHOFER UMSICHT Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kooperationspartner: Ansprechpartner: Fraunhofer UMSICHT Osterfelder Straße Oberhausen Dennis Schlehuber, M.Sc. Dr. Ing. Ilka Gehrke Telefon: Dennis.Schlehuber@umsicht.fraunhofer.de Ilka.Gehrke@umsicht.fraunhofer.de Folie 14