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Fritz Thomas Walter
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1 Urheberrechtshinweis Die Inhalte dieser Präsentation (u.a. Texte, Grafiken, Fotos, Logos etc.) und die Präsentation selbst sind urheberrechtlich geschützt. Sie wurden durch Fraunhofer UMSICHT selbständig erstellt. Eine Weitergabe von Präsentation und/oder Inhalten ist nur mit schriftlicher Genehmigung von Fraunhofer UMSICHT zulässig. Ohne schriftliche Genehmigung von Fraunhofer UMSICHT dürfen dieses Dokument und/oder Teile daraus nicht weitergegeben, modifiziert, veröffentlicht, übersetzt oder reproduziert werden, weder durch Fotokopien, Mikroverfilmung, noch durch andere insbesondere elektronische - Verfahren. Der Vorbehalt erstreckt sich auch auf die Aufnahme in oder die Auswertung durch Datenbanken. Zuwiderhandlungen werden gerichtlich verfolgt. Copyright Fraunhofer UMSICHT, 2012 Bei Fragen wenden Sie sich bitte an: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Dr.-Ing. Hartmut Pflaum Leiter Innovationsmanagement und Schutzrechte Osterfelder Straße Oberhausen Tel.: hartmut.pflaum@umsicht.fraunhofer.de

2 Ressourceneffiziente Verfahren der Wassertechnik mit nanostrukturierten Komponenten I. Gehrke, Keuter, V nano meets water IV 08. November 2012 Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen Folie 1

3 Weltweite Wasserknappheit 2012 Die Hälfte aller Europäischen Länder (ca. 70 % der Bevölkerung) leiden unter Wasserknappheit. In großen Gebieten der USA wird mehr Wasser aus den Reservoiren entnommen als wieder aufgefüllt wird. In Israel wird trotz aller neuen Wasserspartechnologien mehr Wasser verbraucht als vorhanden ist. In China leiden 550 von 600 der größten Städte unter Wassermangel. Die stark verschmutzten großen Flüsse sind nicht zur Bewässerung geeignet. Folie 2 F. Macedonio et al., Chem. Eng. and Proc. 51 (2012) 2-17

4 Weltweite Wasserknappheit und Klimawandel Der Weltklimarat prognostiziert, dass bis 2020 in Afrika 75 bis 250 Mio. Menschen zu wenig Wasser haben und teilweise flüchten müssen. Amerika erlebt die schlimmste Dürre seit 50 Jahren. Starkregenereignisse können in Deutschland Abschwemmungen bewirken, bei denen neben Bodenbestandteilen und Nährstoffen auch Krankheitserreger in die Gewässer eingetragen werden. Erhöhte Luft- und Rohwassertemperaturen können die Trinkwasserhygiene in Trinkwasserspeichern (Hochbehältern) oder im Leitungsnetz beeinträchtigen. Folie 3 Klimawandel und Wasserwirtschaft: Maßnahmen und Handlungskonzepte in der Wasserwirtschaft zur Anpassung an den Klimawandel, MUNLV

5 Effiziente Wassertechnik mit nanostrukturierten Oberflächen Funktionale Oberflächen in der Wassertechnik chemisch inaktiv chemisch reaktiv Verschleißschutz antikorrosiv reibminimiert ( ) wasser-/ölabweisend bakterizid katalytisch adsorptiv GKSS Folie 4

6 Stand der Technik und Forschung Bionik I Lotuseffekt Beschreibung: μm große Noppen mit 0,5-3 μm großen Wachsstrukturen (hierarchische Struktur). Funktionsprinzip: Tropfen perlt ab und nimmt Schmutzpartikel mit. Technische Umsetzung: Zugabe strukturbildender Partikel in Farben und Lacken. Anwendungen: Dachziegel (Erlus Lotus ),Fassadenfarbe (Lotusan ), Problem: Trübung von Glasoberflächen wegen Rauhheit, Wasser nicht als Reinigungsmittel geeignet. Lotusan Folie 5

7 Stand der Technik und Forschung Bionik II Schwarzkäfer Beschreibung: noppenartige hydrophile Bereiche auf hydrophoben, wachsartigen Untergrund Funktionsprinzip: Kondensation von Nebeltröpfchen an hydrophilen Noppen, Erreichen einer kritischen Größe, zum Kopf hin Abfließen Technische Umsetzung: chemische Oberflächenmodifizierung, Einbettung von Glaskugeln in Wachs, Prägeverfahren Anwendungen: Wasserkollektoren auf Dächern und Zelten, 2005: erste Wassernetze am Rande der Atacama-Wüste Folie 6

8 Stand der Technik und Forschung Bionik III Haifischhaut Beschreibung: Riblet-Struktur der Oberfläche, Nanorauheit? Funktionsprinzip: Abstände der Riblets verhindern andocken von MO, Reduzieren die Reibung um ca. 9 % im Vgl. zu glatten Oberflächen Technische Umsetzung: Folienprägung, Bürsten von Rohrinnenwänden, Webverfahren Anwendungen: Schwimmanzüge, Beschichtungen von Flugzeugen (3 % weniger Treibstoff), reibminimierte Rohre und Armaturen, Antifoulingoberflächen Speedo Fastskin swimsuit (scale bar, 1.0mm) Folie 7 Phil. Trans. R. Soc. A (2010) 368,

9 Stand der Technik und Forschung Eisfreie Oberflächen Beschreibung: Wasserabweisende mikro- und nanostrukturierte Schichten Funktionsprinzip: Hydrophobe Oberfläche bietet keine Kristallisationskeime. Technische Umsetzung: Plasmabehandlung zur Abscheidung von nanostrukturierten Schichten auf Polyurethanfolien Anwendungen: Flugzeugtragflächen, Windräder, Freileitungen Eisbildung auf dem Blatt eines Frauenmantels, Folie 8

10 Stand der Technik und Forschung Amphiphobe Oberflächen Beschreibung: Schwammartige Glasstruktur auf der Oberfläche Funktionsprinzip:? Laobortechnische Umsetzung: Beschichtung mit fluorhaltigen Silizium- Verbindungen mit einer schwammartigen Struktur aus ca. 60 nm großen Kugeln Angestrebte Anwendungen: selbstreinigende Gläser /Metalle, Problem: Abrasion Science / Xu Deng MPI für Polymerforschung Science / Xu Deng MPI für Polymerforschung Folie 9 MPI für Polymerforschung, TU Darmstadt

11 Stand der Technik und Forschung nanostrukt. Textilfilter Beschreibung: Nanopartikel kleiner 10 nm auf der Oberfläche des Textilfilters Funktionsprinzip: Erhöhung der Tröpfchenmobilität/-haftung durch Nanopartikel, bessere Koaleszenz und Ablösung der Tröpfchen (hydrophiler/hydrophob-oleophiler Abscheidefilter) Laobortechnische Umsetzung: Plasmavorbehandlung, Foulard (Walzverfahren zum Aufbringen von Nanopartikeln) Angestrebte Anwendungen: Filtration von Metallpartikeln und Schleifpartikeln, Kraftstofffiltration, Aufarbeitung von Biokraftstoffen Steinhaus GmbH Nanoskalige Filterfaser durch lokale Nanopartikelanordnung, C. Funk, LFG Erlangen Folie 10 S. Agarwal, Diss. Uni Stuttgart, 2012

12 Nano-/Mikrostrukturierung bei UMSICHT Nano enhanced Wasseraufbereitungsverfahren Ni-Mikrosiebe mit Nanobeschichtung Dekontaminierung mit LEDs Nano-/Mikro- Strukturierung mit Ultrakurzpulslaser geringerer Energieverbrauch, Reduzierung des Chemikalieneinsatzes hohe Effizienz, hohe Abbaurate Folie 11

13 Mikrosiebe mit Ultrakurzpulslaser Laserparameter Wellenlänge: Mittlere Leistung: Pulslänge: Verfahrweg: Max. Lochrate: 343 nm 5 W 10 ps 640*445 mm² Löcher/s Lasersystem (Array 70 x 70 mm²) Labortests (Arrays 1x 1 mm²) Folie 12

14 Großflächige Herstellung von mikro- und nanonostrukturierten Folien und Komponenten Mikrogalvanik für die Abformung der Topographie in Metalle Spritzgussanlagen für die Serienherstellung mikro- und nanostrukturierter polymerer Formteile und Folien Folie 13

15 CNT-Ölschwämme nano meets water 2012 Beschreibung: Schwammartiger, robuster Block von CNT mit superhydrophober und oleophiler Oberfläche. Funktionsprinzip: Mehr als das Hundertfache des Schwammgewichts wird an Öl absorbiert, Regeneration z. B. über Verbrennung des Öls, magnetisch steuerbar und elektrisch leitfähig. Laobortechnische Umsetzung: Bor wirkt als Kleber für das Netzwerk und fördert die Bildung von kovalenten Bindungen. Angestrebte Anwendungen: Entfernung von Ölteppichen aus dem Meer Folie 14 Rice University, USA

16 FRAUNHOFER UMSICHT Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kooperationspartner: Ansprechpartner: Fraunhofer UMSICHT Osterfelder Straße 3 D Oberhausen Dipl.-Ing. Volkmar Keuter Telefon: volkmar.keuter@umsicht.fraunhofer.de Folie 15

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