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Dokumentenidentifikation DE10209774A1 29.07.2004
Titel Composites und Compositemembranen
Anmelder Universität Stuttgart - Institut für Chemische Verfahrenstechnik, 70199 Stuttgart, DE;
Häring, Thomas, 70619 Stuttgart, DE
Erfinder Kerres, Jochen, Dr., 73760 Ostfildern, DE;
Ullrich, Andreas, 73734 Esslingen, DE;
Hein, Martin, 70190 Stuttgart, DE;
Linkov, Vladimir, Prof., Bellville, SA;
Tang, Chy-Ming, 69469 Weinheim, DE;
Häring, Thomas, 70619 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 28.02.2002
DE-Aktenzeichen 10209774
Offenlegungstag 29.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.2004
IPC-Hauptklasse B01D 69/12
IPC-Nebenklasse B01D 61/00   B01D 53/22   C08J 5/20   H01M 8/02   
Zusammenfassung Beansprucht werden folgende Typen von Compositemembranen:
1. Composites oder Compositemembranen durch Addition eines Metallsalzes, z. B. von ZrOCl2, in einem Lösungsmittel, beispielsweise DMSO, zur Lösung eines oder mehrerer Polymere in einem organischen Lösungsmittel oder in wässrigen Systemen sowie die nachträgliche Ausfällung in der Matrix der daraus hergestellten Compositemembran durch Nachbehandlung in einer Säure oder in einer Salzlösung, beispielsweise Phosphorsäure.
2. Composites oder Compositemembranen durch nachträglichen Ionenaustausch von fertigen Polymermembranen mit einem geeigneten Salzkation, beispielsweise ZrO2+, wobei die Polymermembran gegebenenfalls mit einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch von organischem Lösungsmittel mit Wasser vor dem Ionenaustausch aufgequollen wurde sowie die nachträgliche Ausfällung eines schwerlöslichen Salzes, z. B. von Zr3(PO4)4, in der Membran durch Nachbehandlung in einer Säure oder in einer Salzlösung, beispielsweise Phosphorsäure.
3. Composites oder Compositemembranen durch Addition von nanoskaligem Zr3(PO4)4-Pulver zu einer Polymerlösung.
4. Beansprucht werden auch Composites oder Compositemembranen, die nach 1. und/oder 2. und/oder 3. hergestellt worden waren, wobei noch zusätzlich Heteropolysäuren in die Polymer- oder Membranmorphologie eingebaut werden.
Beansprucht werden auch Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Polymere und Membranen.

Beschreibung[de]

Composite-Membranen aus Organopolymeren und anorganischen Füllstoffen sind schon häufig beschrieben worden, und zwar sowohl in Zeitschriften als auch in Patenten. Ein Patentbeispiel, das auch viele Hinweise auf andere Entwicklungen bei Composite-Membranen enthält, ist ein US-Patent von Lynntech, Inc.1 U. S. 6,059,943, 0. J. Murphy, A. J. Cisar, Lynntech, Inc. (2000) . In diesem Patent sind allerdings keine Compositemembranen beschrieben, deren organische Phase ionisch und/oder kovalent vernetzt ist, wie es in der vorliegenden Patentanmeldung der Fall ist. In2 C. Yang, et al., Electrochem. Solid St. Lett. 4(4) A31–A34 (2001) werden Compositemembranen aus Nafion® und Zirkoniumphosphat beschrieben, bei denen das Zirkoniumphosphat in der Membran nachträglich inkorporiert wurde durch 1) Ionenaustausch H+ gegen ZrO2+ in der Nafion®-Membran, 2) Einlegen der ausgetauschten Nafion®-Membran in Phosphorsäure und Ausfällen der ZrO2+-Ionen in der Membranmatrix zu Zr-Phosphaten. Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass immer nur soviel Zr-Phosphat in der Membran ausgefällt werden kann, wie SO3H-Gruppen in der Nafion®-Matrix enthalten sind. Auch eigene Entwicklungen in diesem Arbeitsgebiet wurden bereits zum Patent angemeldet: zum einen Composite-Membranen aus Kationenaustauschergruppen und/oder basische Gruppen beziehungsweise nichtionische Vorstufen von Kationenaustauschergruppen enthaltenden enthaltenden Organopolymeren und Organopolymerblends, wobei Säure-Base-Blends bevorzugt sind, und anorganischen Stoffen, wobei die anorganischen Stoffe als Organometallverbindungen (wie z. B. Metallacetylacetonate, Metallalkoxide) in die Membranmatrix eingebracht und in der Membranmatrix zum jeweiligen Metalloxid oder -hydroxid hydrolysiert wurden3 Jochen Kerres, Deutsche Patentanmeldung 10021106 vom 2.5.2000 ,4 Jochen Kerres, Thomas Häring, Deutsche Patentanmeldung 10021104 vom 2.5.2000 . In den genannten eigenen Patentanmeldungen sind die in dieser Erfindung beschriebenen erfindungsgemäßen Materialien beziehungsweise Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polymere und Membranen nicht vorbeschrieben. Eine weitere Gruppe von Compositemembranen betrifft Composites aus sulfonierten Poly(etherketonen) und den Heteropolysäuren Phosphorwolframsäure Hydrat H3PW1 2O4 0x29 H2O (TPA) und Molybdatophosphorsäure Hydrat H3PMo1 2O40x29 H2O (MPA) sowie das Dinatriumsalz von TPA (Na-TPA)5 M. J. Zaidi, S. D. Mikhailenko, G. P. Robertson, M. D. Guiver, S. Kaliaguine, J. Memb. Sci. 173, 17–34 (2000) . In diesem Artikel wurden keine ionisch und/oder kovalent vernetzten Ionomermembranen beschrieben, wie es in der vorliegenden Erfindung der Fall ist.

Beschreibung

Überraschend wurde festgestellt, dass Polymer-Metallsalz- oder Polymer-Metalloxid- oder Polymer-Metallhydroxid-Composites oder -Compositemembranen mit folgender Methode Methode I in ihrer allgemeinsten Ausführungsform hergestellt werden können:

  • I.1. Herstellung der Lösung eines oder mehrerer Polymere des Typs A (Polymer mit Kationenaustauschergruppen oder deren nichtionischen Vorstufen) und gegebenenfalls eines oder mehrerer Polymere des Typs B (Polymer mit N-basischen Gruppen und/oder Anionenaustauschergruppen) und gegebenenfalls des Typs C (Polymere mit Vernetzungsgruppen wie Sulfinatgruppen und/oder ungesättigten Gruppen) und/oder Polymere des Typs D (Polymere mit Kationenaustauschergruppen oder deren nichtionischen Vorstufen und Anionenaustauschergruppen und/oder basischen N-Gruppen und/oder Vernetzungsgruppen) in einem Lösungsmittel L1 und gegebenenfalls eines gegebenenfalls nanoskaligen Metalloxid-, Metallsalz- oder Metallhydroxidpulvers (8);
  • I.2. Herstellung der Lösung eines oder mehrerer Metallsalze Me+X (10) in einem geeigneten Lösungsmittel L2 (11), gegebenenfalls unter Hinzufügen einer (Hetero)polysäure oder deren Alkalimetallsalz (9);
  • I.3. Vereinigung der Lösungen aus 1. und 2.;
  • I.4. Ziehen oder sprühen eines dünnen Films des Gemischs aus 3. auf einer Unterlage (Folie oder Gewebe oder Vlies oder Glasplatte oder Metallplatte);
  • I.5. Abdampfen der Lösungsmittel L1 und L2 bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erniedrigtem Druck;
  • I.6. Ablösen des Compositefilms von der Unterlage;
  • I.7. Einlegen des Compositefilms in folgende Flüssigkeiten:

    I.7a wässrige Lösung eines basischen Metallhydroxids MOH oder eines Amins oder Ammoniak N(R2)3 bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, wobei Ausfällung eines schwerlöslichen Metalloxids MemOn oder Metallhydroxids Mem(OH)n oder gemischter Metalloxid-hydroxide MemOa·x H2O in der Membranmatrix stattfindet;

    I.7b wässrige Lösung einer Mineralsäure HY bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, die ein schwerlösliches Metallsalz MemYn in der Membranmatrix ausfällt;

    I.7c Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C,

    I.7d wässrige Lösung eines Metallsalzes MY bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, die ein schwerlösliches Metallsalz MemYn durch Umsalzung in der Membranmatrix ausfallt.

Weiter wurde überraschend festgestellt, dass Polymer-Metallsalz- oder Polymer-Metalloxid- oder Polymer-Metallhydroxid-Composites oder -Compositemembranen auch mit folgender Methode Methode II in ihrer allgemeinsten Ausführungsform hergestellt werden können:

  • II.1. Herstellung der Lösung eines oder mehrerer Polymere des Typs A (Polymer mit Kationenaustauschergruppen oder deren nichtionischen Vorstufen) und gegebenenfalls eines oder mehrerer Polymere des Typs B (Polymer mit N-basischen Gruppen und/oder Anionenaustauschergruppen) und gegebenenfalls des Typs C (Polymere mit Vernetzungsgruppen wie Sulfinatgruppen und/oder ungesättigten Gruppen) und/oder Polymere des Typs D (Polymere mit Kationenaustauschergruppen oder deren nichtionischen Vorstufen und Anionenaustauschergruppen und/oder basischen N-Gruppen und/oder Vernetzungsgruppen) und gegebenenfalls Zugabe eines Vernetzers (beispielsweise Alkylierungsvernetzer (z. B. &agr;,&ohgr;-Dihalogenalkan)) oder Radikalstarters in einem Lösungsmittel L1 und gegebenenfalls eines gegebenenfalls nanoskaligen Metalloxid-, Metallsalz- oder Metallhydroxidpulvers und/oder einer (Hetero)polysäure;
  • II.2. Ziehen oder sprühen eines dünnen Films des Gemischs aus 1. auf einer Unterlage (Folie oder Gewebe oder Vlies oder Glasplatte oder Metallplatte);
  • II.3. Abdampfen der Lösungsmittel L1 bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erniedrigtem Druck; während der Lösungsmittelabdampfung findet gegebenenfalls die Vernetzung der Vernetzungskomponente statt;
  • II.4. Ablösen des Polymerfilms von der Unterlage;
  • II.5. Einlegen des Compositefilms in folgende Flüssigkeiten:

    II.5a Wasser oder Gemische von Wasser mit organischem Lösungsmittel L1 bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5b wässrige Lösung oder Lösung eines oder mehrerer Metallsalze Me+X oder Lösung eines oder mehrerer Metallsalze Me+X in einem Gemisch aus Wasser und organischem Lösungsmittel L2 bei Temperaturen von 0°C bis 100°C; dabei findet Ionenaustausch statt: Polymer-RC+ + Me+X → Polymer-RMe+ + C+X Me+ = beliebiges 1- bis 4-wertiges Metalkation oder Metalloxykation, X = beliebiges Anion, R= Polymer-Festanion, C+ = Gegenion (beliebiges Kation)

    II.5c Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5d wässrige Lösung eines basischen Metallhydroxids MOH bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, wobei Ausfällung eines schwerlöslichen Metalloxids MemOn oder Metallhydroxids Mem(OH)n in der Membranmatrix stattfindet;

    II.5e Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5f wässrige Lösung einer Mineralsäure HY bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, die ein schwerlösliches Metallsalz MemYn in der Membranmatrix ausfällt;

    II.5g wässrige Lösung eines Metallsalzes MY bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, die ein schwerlösliches Metallsalz MemYn durch Umsalzung in der Membranmatrix ausfällt,

    II.5h Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5i 1- oder mehrmalige Wiederholung der Prozedur 5a bis 5h.

Dabei wurde überraschend gefunden, dass sich die Herstellungsmethoden Methode I und Methode II auch in folgender Form kombinieren lassen:

Zuerst wird der Compositefilm nach Methode I hergestellt. Danach erfolgt die Weiterverarbeitung nach Methode II ab II.5. Dabei entstehen multinäre Compositefilme, die aufgrund der Einlagerung der anorganischen Bestandteile in die verschiedenen Bereiche der Polymermorphologie sowohl sehr gute mechanische und thermische Stabilität als auch sehr gute Ionenleitfähigkeit und beim Einsatz in Direktmethanol-Brennstofzellen auch sehr gute Methanol-Retention aufweisen.

Die Vorteile der nach Methode I oder Methode II oder einer Kombination von Methode I mit der Methode II hergestellten Compositemembranen sind:

  • – die durch Ionenaustausch-Ausfällung in der Polymermatrix nach Methode II, II.5 eingelagerten gegebenenfalls eigenprotonenleitfähigen anorganischen Stoffe sind hauptsächlich in den ionenleitfähigen Kanälen eingelagert. Dort erhöhen sie die Protonenleitfähigkeit der Membran auch bei T > 100°C, da die anorganischen Stoffe insbesondere bei T > 100°C die Wasserhaltefähigkeit der Compositemembran verbessern und auch zum Teil eine Eigenprotonenleitfähigkeit aufweisen (wie z. B. Heteropolysäuren, Vanadinoxide, Zirkoniumphosphate);
  • – die nach Methode I oder einer Kombination von Methode I mit der Methode II hergestellten Compositemembranen besitzen eine hohe mechanische Stabilität, da sich das Netzwerk der anorganischen Komponente(n) über die gesamte Morphologie erstreckt. Darüberhinaus erhöhen die anorganischen Komponenten die thermische Stabilität der Compositemembranen ganz erheblich;
  • – die Compositemembranen weisen durch die anorganischen Komponenten in der Membranmatrix eine sehr gute Methanol-Sperrwirkung auf, was die Effizienz der Membranen beim Einsatz in Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) ganz erheblich steigert, wobei die Effizienz insbesondere bei T > 100°C durch die anorganische(n) Komponente(n) durch deren gute Wasserhaltefähigkeit gesteigert wird. Wird eine DMFC bei T > 100°C betrieben, ist die Effizienz auch durch die schnellere Elektrodenkinetik in diesem Temperaturbereich (Mitteltemperatur-DMFC) verbessert. Die MeOH-Sperrung ist insbesondere bei erfindungsgemäßen Compositemembranen sehr ausgeprägt, bei denen die anorganische Verbindung in den ionenleitenden Kanälen eingelagert wurde (wie z. B. bei II.5). Die MeOH-Sperrwirkung bei nach II.5 hergestellten Compositemembranen kann dabei überraschend noch gesteigert werden, wenn der Ionenaustausch-Fällungs-Prozess mehrmals wiederholt wird.
  • – Es wurde überraschend festgestellt, dass ein Einlegen der Membran in ein Gemisch aus Wasser und organischem Lösungsmittel (II.5.a) vor dem Ionenaustausch-Ausfällungsprozess zu einer um so stärkeren Erhöhung der Ionenleitfähigkeit der Membranen führt, je höher der Anteil des organischen Lösungsmittels in dem Lösungsmittel/Wasser-Gemisch ist.
  • – Es wurde überraschend festgestellt, dass Heteropolysäuren in der Membranmatrix besser gehalten werden, wenn eine schwerlösliche anorganische Phase in der Compositemembran vorliegt. Wenn keine anorganische Phase in der Membran vorliegt, wird (werden) die Heteropolysäure(n) während der Membrannachbehandlung in Wasser, Säuren und/oder wässrigen Laugen größtenteils wieder herausgelöst.
  • – Es wurde überraschend ergänzend festgestellt, dass insbesondere Oxid- oder Salz-Polymer-Composite(blend)membranen, die ionische Vernetzungsstellen in der Organopolymerkomponente enthielten, eine besonders hohe MeOH-Retention aufwiesen, verglichen mit den entsprechenden reinen Organopolymer(blend)membranen.
  • – Es wurde überraschend festgestellt, dass in der Polymerphase kovalent und/oder ionisch vernetzte Oxid- oder Salz-Polymer-Composite(blend)membranen eine besonders gute Quellungsstabilität auch bei T > 70°C aufwiesen, verglichen mit den entsprechenden reinen Organopolymer(blend)membranen.
  • – Werden erfindungsgemäße Polymermischungen, beispielsweise aus einem sulfonierten Polymer (z. B. sulfoniertes PEK in der Imidazoliumsalzform SO3 ImH+) und einem basischen Polymer (z. B. Polybenzimidazol PBI Celazol®), in einem dipolar-aprotischen Lösungsmittel, beispielsweise N-Methylpyrrolidinon, noch zusätzlich mit Heteropolysäuren versetzt, kommt es überraschenderweise zu keiner signifikanten Ausfällung eines Polyelektrolytkomplexes aus basischem Polymer und Heteropolysäure, wie es eigentlich zu erwarten gewesen wäre.

Die Komponenten der erfindungsgemäßen Compositemembranen sind folgendermaßen definiert:

(1) Hauptketten (Backbones) der erfindungsgemäßen Polymere:

Als Polymerhauptketten sind alle Polymere möglich. Bevorzugt als Hauptketten werden jedoch:

  • – Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Polynorbornen, Polymethylpenten, Poly(1,4-isopren), Poly(3,4-isopren), Poly(1,4-butadien), Poly(1,2-butadien)
  • – Styrol(co)polymere wie Polystyrol, Poly(methylstyrol), Poly(&agr;,&bgr;,&bgr;-trifluorstyrol), Poly(pentafluorostyrol)
  • – perfluorierten Ionomere wie Nafion® oder der SO2Hal-Vorstufe von Nafion® (Hal=F, Cl, Br, I), Dow®-Membrane, GoreSelect®-Membrane.
  • – N-basische Polymere wie Polyvinylcarbazol, Polyethylenimin, Poly(2-vinylpyridin), Poly(3-vinylpyridin), Poly(4-vinylpyridin)
  • – (Het)arylhauptkettenpolymere, die die in 1 aufgeführten Baugruppen enthalten.

Besonders bevorzugt werden (Het)arylhauptkettenpolymere wie:

  • – Polyetherketone wie Polyetherketon PEK Victrex®, Polyetheretherketon PEEK Victrex®, Polyetheretherketonketon PEEKK, Polyetherketonetherketonketon PEKEKK Ultrapek®
  • – Polyethersulfone wie Polysulfon Udel®, Polyphenylsulfon Radel R®, Polyetherethersulfon Radel A®, Polyethersulfon PES Victrex®
  • – Poly(benz)imidazole wie PBI Celazol® und andere den (Benz)imidazol-Baustein enthaltende Oligomere und Polymere, wobei die (Benz)imidazolgruppe in der Hauptkette oder in der Polymerseitenkette vorhanden sein kann
  • – Polyphenylenether wie z. B. Poly(2,6-dimethyloxyphenylen), Poly(2,6-diphenyloxyphenylen)
  • – Polyphenylensulfid und Copolymere
  • – Poly(1,4-phenylene) oder Poly(1,3-phenylene), die in der Seitengruppe ggf. mit Benzoyl-, Naphtoyl- oder o-Phenyloxy-1,4-Benzoylgruppen, m-Phenyloxy-1,4-Benzoylgruppen oder p-Phenyloxy-1,4-Benzoylgruppen modifiziert sein können.
  • – Poly(benzoxazole) und Copolymere
  • – Poly(benzthiazole) und Copolymere
  • – Poly(phtalazinone) und Copolymere
  • – Polyanilin und Copolymere
  • – Polythiazol
  • – Polypyrrol

(2) Polymere des Typs A (Polymere mit Kationenaustauschergruppen oder deren nichionischen Vorstufen):

Unter den Polymertyp A fallen alle Polymere, die aus den o. g. Polymerhauptketten (1) und folgenden Kationenaustauschergruppen oder ihren nichtionischen Vorstufen bestehen können: SO3H, SO3Me; PO3H2, PO3Me2; COOH, COOMe

Dabei sind SO3H, SO3Me; PO3H2, PO3Me2 bzw. SO2X, POX2 als funktionelle Gruppen bevorzugt. Besonders bevorzugt als funktionelle Gruppen sind die stark sauren Sulfonsäuregruppen oder ihre nichtionischen Vorstufen. Als Polymerhauptketten sind Arylhauptkettenpolymere bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Poly(etherketone) und Poly(ethersulfone)

(3) Polymere des Typs B (Polymere mit N-basischen Gruppen und/oder Anionenaustauschergruppen):

Unter den Polymertyp A fallen alle Polymere, die aus den o. g. Polymerhauptketten (1) bestehen und folgende Anionenaustauschergruppen oder ihren nichtionischen Vorstufen (mit primärem, sekundärem, tertiärem basischem N) tragen können:

N(R2)3 +Y, P(R2)3 +Y, wobei die R2-Reste gleich oder voneinander verschieden sein können;

N(R2)2 (primäre, sekundäre oder tertiäre Amine);

Polymere mit den in 2 aufgeführten N-basischen (Het)aryl- und Heterocyclusgruppen. Als Polymerhauptketten sind (Het)arylhauptkettenpolymere wie Poly(etherketone), Poly(ethersulfone) und Poly(benzimidazole) bevorzugt. Als basische Gruppen sind bevorzugt primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen, Pyridylgruppen und Imidazolgruppen.

(4) Polymere des Typs C (Polymere mit Vernetzungsgruppen wie Sulfinatgruppen und/oder ungesättigten Gruppen):

Unter den Polymertyp C fallen alle Polymere, die aus den o. g. Polymerhauptketten (1) und Vernetzungsgruppen bestehen. Vernetzungsgruppen sind beispielsweise:

  • 4a) Alkengruppen: Polymer-C(R1 3)=C(R1 4R1 5) mit R1 3, R1 4, R1 5 = R2 oder R4
  • 4b) Polymer-Si(R1 6R1 7)-H mit R1 6, R1 7 = R2 oder R4
  • 4c) Polymer-COX, Polymer-SO2X, Polymer-POX2
  • 4d) Sulfinatgruppen Polymer-SO2Me
  • 4e) Polymer-N(R2)2 mit R2 ≠ H.

Dabei kann auf der Polymerhauptkette einer der genannten Vernetzungsgruppen oder mehrere der genannten Vernetzungsgruppen liegen. Die Vernetzung kann dabei durchgeführt werden durch folgende literaturbekannte Reaktionen:

  • (I) Gruppe 4a) durch Addition von Peroxiden;
  • (II) Gruppe 4a) mit Gruppe 4b) unter Pt-Katalyse via Hydrosilylierung;
  • (III) Gruppe 4d) mit Dihalogenalkan- oder Dihalogenaryl-Vernetzern (z. B. Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20) unter S-Alkylierung der Sulfinatgruppe;
  • (IV) Gruppe 4e) mit Dihalogenalkan- oder Dihalogenaryl-Vernetzern (z. B. Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20) unter Alkylierung der tertiären basischen N-Gruppe
  • (V) Gruppe 4d) und Gruppe 4e) mit Dihalogenalkan- oder Dihalogenaryl-Vernetzern (z. B. Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20) unter S-Alkylierung der Sulfinatgruppe und Alkylierung der tertiären basischen N-Gruppe
  • (VI) Gruppe 4c) durch Reaktion mit Diaminen.

Dabei sind die Vernetzungsreaktionen (III) und (IV) und (V) bevorzugt, insbesondere die Vernetzungsreaktion (III).

(5) Polymere des Typs D (Polymere mit Kationenaustauschergruppen und Anionenaustauschergruppen und/oder basischen N-Gruppen und/oder Vernetzungsgruppen):

Unter den Polymertyp (5) fallen Polymere, welche die Hauptketten aus (1) enthalten können, die verschiedenartige Gruppen tragen können: die in (2) aufgeführten Kationenaustauschergruppen oder ihre nichtionischen Vorstufen und die in (3) aufgeführten Anionenaustauschergruppen oder primären, sekundären oder tertiären N-basischen Gruppen und/oder die in (4) aufgeführten Vernetzungsgruppen.

Folgende Kombinationen sind dabei möglich:

Polymer D1: Polymer mit Kationentauschergruppen oder ihren nichtionischen Vorstufen und mit Anionentauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen

Polymer D2: Polymere mit Kationenaustauschergruppen oder ihren nichtionischen Vorstufen und mit Vernetzungsgruppen

Polymer D3: Polymere mit Anionentauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen und mit Vernetzungsgruppen

Polymer D4: Polymer mit Kationentauschergruppen oder ihren nichtionischen Vorstufen und mit Anionentauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen und mit Vernetzungsgruppen

(6) Membrantypen: (6.1) Kovalent vernetzte (Blend)membranen:

Die kovalent vernetzten (Blend)membranen können aus folgenden Komponenten bestehen

  • (6.1.1) Blendmembranen aus:

    (6.1.1.1) Polymer A: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2)

    + Polymer C: Hauptketten (1) mit Vernetzergruppen (4)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator oder

    (6.1.1.2) Polymer D2: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Vernetzergruppen (4)

    + Polymer C: Hauptketten (1) mit Vernetzergruppen (4)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator
  • (6.1.2) Polymer D2: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Vernetzergruppen (4)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator

Als Hauptketten (1) sind dabei Arylhauptkettenpolymere und insbesondere Poly(etherketone) oder Poly(ethersulfone) bevorzugt, als Kationenaustauschergruppen (2) SO3H-Gruppen oder Phosphonsäuregruppen oder deren nichtionischen Vorstufen, und als Vernetzergruppen (4) SO2Me-Gruppen. Als Vernetzer sind Dihalogenalkan- oder Dihalogenarylverbindungen bevorzugt. Besonders bevorzugt als Vernetzer sind Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20, mit Hal = I, Br, Cl, F.

(6.2) Ionisch vernetzte (Blend)membranen:

Die ionisch vernetzten (Blend)membranen können aus folgenden Komponenten bestehen

  • (6.2.1) Blendmembranen aus:

    (6.2.1.1) Polymer A: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2)

    + Polymer B: Hauptketten (1) mit Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3) oder

    (6.2.1.2) Polymer D 1: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3)

    + Polymer B: Hauptketten (1) mit Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3)
  • (6.2.2) Polymer D 1: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3)

Als Hauptketten (1) sind dabei Arylhauptkettenpolymere und insbesondere Poly(etherketone) oder Poly(ethersulfone) bevorzugt, als Kationenaustauschergruppen (2) SO3H-Gruppen oder Phosphonatgruppen oder deren nichtionische Vorstufen.

(6.3) Kovalent-ionisch vernetzte (Blend)membranen:

Die kovalent-ionisch vernetzten (Blend)membranen können aus folgenden Komponenten bestehen:

  • (6.3.1) Blendmembranen aus:

    (6.3.1.1) Polymer A: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2)

    + Polymer C: Hauptketten (1) mit Vernetzergruppen (4)

    + Polymer B: Hauptketten (1) mit Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator oder

    (6.3.1.2) Polymer D2: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Vernetzergruppen (4)

    + Polymer B: Hauptketten (1) mit Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator oder

    (6.3.1.3) Polymer D 1: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3)

    + Polymer C: Hauptketten (1) mit Vernetzergruppen (4)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator oder

    (6.3.1.4) Polymer A: Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2)

    + Polymer B: Hauptketten (1) mit Anionenaustauschergruppen oder anderen N-basischen Gruppen (3)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator
  • (6.3.2) Polymer D4: Membranen aus Hauptketten (1) mit Kationenaustauschergruppen (2) und Anionentauscher- oder anderen N-basischen Gruppen (3) und Vernetzergruppen (4)

    + Vernetzer oder Vernetzungsinitiator

Als Hauptketten (1) sind dabei Arylhauptkettenpolymere und insbesondere Poly(etherketone) oder Poly(ethersulfone) bevorzugt, als Kationenaustauschergruppen (2) SO3H-Gruppen oder Phosphonsäuregruppen oder deren nichtionischen Vorstufen, und als Vernetzergruppen (4) SO2Me-Gruppen. Als Vernetzer sind Dihalogenalkan- oder Dihalogenarylverbindungen bevorzugt. Besonders bevorzugt als Vernetzer sind Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20, mit Hal=I, Br, Cl, F.

(7) Lösungsmittel L1: (7.1) Protische Lösungsmittel:

Wasser, Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, i-Propanol, tert.Butanol); wässrige und/oder alkoholische Metallsalzlösungen, wässrige und/oder alkoholische niedermolekulare Polymerlösungen die Kationenaustauschergruppen enthalten.

(7.2) Dipolar-aprotische Lösungsmittel:

Aceton, Methylethylketon (MEK), Acetonitril (ACN), N-Methylformamid, N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methylacetamid, N,N-Dimethylacetamid (DMAc), N-Methylpyrrolidinon (NMP), Dimethylsulfoxid (DMSO), Sulfolan;

(7.3) Etherlösungsmittel:

Tetrahydrofuran, Oxan, Dioxan, Glyme, Diglyme, Triglyme, Tetraglyme, Diethylether, Di-tert.Butylether

(8) Metalloxid-, Metallsalz- oder Metallhydroxidpulver, besonders bevorzugt sind nanoskalige Pulver:
  • – Schichtsilikate auf der Basis von Montmorillonit, Smectit, Illit, Sepiolit, Palygorskit, Muscovit, Allevardit, Amesit, Hectorit, Talkum, Fluorhectorit, Saponit, Beidelit, Nontronit, Stevensit, Bentonit, Glimmer, Vermiculit, Fluorvermiculit, Halloysit, Fluor enthaltende synthetische Talkumtypen oder Mischungen aus zwei oder mehr der genannten Schichtsilikate.
  • – Natürliche und synthetische, gegebenenfalls ionenausgetauschte Zeolithe, insbesondere ZSM-5 Zeolith und Klinopthiolites
  • – Zusätzlich sind die Carbonate wie z. B. MgCO3xH2O und La(CO3)2xH2O sowie Oxycarbonate und die protonenleitenden perowskitischen Oxide wie z. B. Strontium-Barium-Ceroxid, Barium-Calcium-Niobat etc. als keramische Komponenten geeignet.
  • – Wasserhaltige Partikel, die OH-Gruppen an ihrer Oberfläche besitzen, vor allem auf Al2O3 basierend (Bayern, Pseudoböhmit, Gibbsit = Hydrargillit, Diaspor, Böhmit), sowie Vanadium- oder Wolfram-basierende Oxide (V2O5, VOx, WOx) oder Legierungen aus diesen Oxiden:

    Al2O3·xH2O x = 1–10

    V2O5 ·xH2O x = 1–10

    VOx·yH2O y = 1–10 x = 1,5–3

    WOx·yH2O y = 1–10 x = 2–3
  • – ionenausgetauschte, besonders bevorzugt sind protonierte Legierungen von Oxiden, die in ihrer ursprünglichen Ausgangszusammensetzung die &bgr;-Aluminat-Struktur formen. Diese Verbindungsklasse bildet sich aus den Legierungen der unten aufgezählten Oxide. Die Zusammensetzungsformeln beschreiben die Bereiche, in denen sich die Ausgangsverbindung, die &bgr;-Aluminate, bilden.

Als bevorzugte Komponente Me in Me2O wird Na oder K verwendet. Die hergestellten, alkalihaltigen Verbindungen müssen, bevor sie für die Membran verwendet werden können, einem Ionenaustausch unterzogen werden. Dabei wird das Alkaliion entfernt und die protonierte Form hergestellt.

zMe2O-xMgO-yAl2O3, zMe2O-xZnO-yAl2O3, zMe2O-xCoO-yAl2O3, zMe2O-xMnO-yAl2O3, zMe2O-xNiO-yAl2O3, zMe2O-xCrO-yAl2O3, zMe2O-xEuO-yAl2O3, zMe2O-xFeO-yAl2O3, zMe2O-xSmO-yAl2O3

mit Me = Na, K, z = 0,7–1,2.

(mit x = 0,1–10, y = 0,1–10), stabil bis ca. 300 °C

  • – Als weitere keramische Pulver kommen Zusammensetzungen in Betracht, welche die Komponenten

    MgO, ZnO, CoO, MnO, NiO, CrO, EuO, FeO, SmO enthalten. Weitere geeignete Oxide basieren auf den Elementen

    Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La
  • – Andere geeignete, z. T. schwerlösliche Metallsalze können sein: Phosphate und Hydrogenphosphate sowie saure und vollständig neutralisierte Diphosphate von Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La.
  • – Auch Siliciumdioxid in seinen verschiedenen Modifikationen ist als keramische Komponente geeignet. Besonders bevorzugt sind hochdisperse Siliciumdioxide, beispielsweise aus der Gruppe der Aerosile®.

Besonders bevorzugt sind die Oxide TiO2, ZrO2 und Al2O3 und die schwerlöslichen Metallphosphate Zr3(PO4)4 und ZrP2O7 und Zirkonhydrogenphosphate.

(9) (Hetero)polysäuren und ihre Salze:

Als (Hetero)polysäuren können zur Verwendung kommen: Polyphosphorsäure und Heteropolysäuren wie die Phosphorwolframsäure Hydrat H3PW1 2O4 0x29 H2O (TPA) und Molybdatophosphorsäure Hydrat H3PMo1 2O4 0x29 H2O (MPA) sowie die Alkalimetallsalze von Heteropolysäuren wie beispielsweise das Dinatriumsalz von TPA (Na-TPA).

(10) Metallsalze Me+X und kovalente Metallverbindungen:

Die Metallsalze sind Salze aus Übergangsmetallkationen (z. B. der Metalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Sn, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La) oder Übergangsmetalloxykationen wie ZrO2+, TiO2+, und Anionen von Mineralsäuren, wie z. B. Hal (Hal=F, Cl, Br, I) oder SO4 2–, die in Lösungsmitteln L2 (s. u.) löslich sind. Als Metallsalze sind insbesondere ZrOCl2, ZrOSO4, TiOCl2, TiOSO4, ZrCl4 oder TiCl4 bevorzugt.

(11) Organisches Lösungsmittel L2:

Als organische Lösungsmittel für die Metallsalze (10) kommen hauptsächlich dipolaraprotische Lösungsmittel in Betracht. Als Lösungsmittel L2 ist insbesondere DMSO bevorzugt.

(13) Kationenaustauscher-Gegenionen C+:

Als C+ sind grundsätzlich alle dissoziierenden Kationen möglich. Bevorzugt werden dabei jedoch Alkalimetallkationen oder primäre, sekundäre oder tertiäre Ammoniumionen oder Pyrazolium- oder Imidazoliumionen sowie Pyridiniumionen.

(14) Basische Metallhydroxide MOH oder Amine:

Geignete basische Metallhydroxide sind die Alkali- oder die Erdalkalimetallhydroxide, dabei sind NaOH und KOH bevorzugt. Geeignete Amine sind Ammoniak oder Triethylamin.

(15) Schwerlösliche Metalloxide MemOn:

Als schwerlösliche Metalloxide sind grundsätzlich alle in (8) genannten Oxide möglich. Bevorzugt sind jedoch die z. T. wasserhaltigen Oxide, die durch Reaktion der Verbindungen (10) mit den wässrigen Basen (14) entstehen. Dabei sind insbesondere TiO2 oder ZrO2 bevorzugt.

Schwerlösliche Metallhydroxide Mem(OH)n:

Als schwerlösliche Metallhydroxide sind grundsätzlich alle in (8) genannten Hydroxide möglich.

Mineralsäure HY:

Als Mineralsäuren kommen Mono- Di- oder Polyphosphorsäuren oder Heteropolysäuren oder Schwefelsäure in Betracht. Bevorzugt wird jedoch Orthophosphorsäure.

1. Säure-Base-Blend-Composite-Membranen durch Addition einer Lösung von ZrOCl2·8H2O in Dimethylsulfoxid zur Polymerlösung Vorbereitungen:

In dieser Arbeit wurden Blend-Membranen aus sulfoniertem Poly(etherketon) PEK (S-PEK; IEC = 1,8 meq SO3H/g Polymer) und PBI (IEC = 6,5 meq basisches N/g Polymer ) als Säure- bzw. Basenkomponente hergestellt. Eine weitere Base (Imidazol) wurde zur Neutralisation von S-PEK verwendet. Und als anorganisches Material, das in den Membranen eingebaut werden sollte, wurde ZrOCl2·8H2O gewählt. Aus S-PEK und Imidazol wurde jeweils eine 10%ige Lösung in NMP hergestellt. PBI-Lösung ließ sich in DMAc zu 9,5%ig herstellen. Aufgrund ihrer Löslichkeit und Mischbarkeit mit Polymerlösungen wurde ZrOCl2·8H2O in DMSO gelöst (auch 10%).

Um klare Membranen herstellen zu können, wurden alle Lösungen von Schwebeteilchen durch Filtration getrennt.

Membranherstellung:

S-PEK-Lösung wurde mit Imidazol (Lösung3) neutralisiert anschließend mit PBI versetzt (Lösung2) und gerührt. Dann wurde ZrOCl2·8H2O zugegeben und gerührt. Als Vergleichsmembran (CPM2) wurde eine Lösung ohne Zugabe von ZrOCl2·8H2O hergestellt. Die Polymerlösung wurde auf eine saubere Glasplatte gegossen und mit einer Rakel (1,0 mm Einkerbung) ausgerakelt. Die Glasplatte wurde umgehend in einen Trockenschrank bei 120°C 3h gelagert unddann über Nacht ein Vakuum angelegt.

Die Glasplatte wurde auf RT gekühlt und schließlich zur Ablösung der Membran für einige Minuten ins Wasser gelegt. Die Membranen wurde in drei Stücke zerlegt und als A, B oder C gekennzeichnet. Die Teilstücke wurden auf folgende Weise nachbehandelt:

A: in 10% NaOH bei 70°C, 24h; dann in VE-Wasser bei 70°C, 24h

B: in 10% NaOH bei 70°C, 24h; mit Wasser ausgespült; in 10% H3PO4, 70°C, 24h; dann in VE-Wasser bei 70°C, 24h

C: in 10% H3PO4, 70°C, 24h; dann in VE-Wasser bei 70°C, 24h Die Referenzmembran CPM2 wurde entsprechend C behandelt, da sie kein anorganisches Material enthielt.

Es wurden folgende Membranen entsprechend der Tabelle 1 hergestellt.

Tab. 1: Membranzusammensetzungen

Ergebnisse: Quellverhalten:

3 zeigt das temperaturabhängige Quellverhalten von CPM 1 und der Referenzmembran im Wasser. Bis 60°C weisen beide Membranen nahezu keine Temperaturabhängigkeit auf. Zwischen 60°C und 90°C jedoch steigt die Wasseraufnahme bei CPM1 um ca. 10% an und bei der Referenzmembran um ca. 20%. Das Quellverhalten der auf verschiedene Weise behandelten Membranen ähneln sich. Die nach Methode A nachbehandelte Membran weist die geringste Quellung auf, die nach C nimmt ca. 10% mehr Wasser auf.

Erhöht man die Menge an ZrOCl2·8H2O um das Doppelte (CPM4), so verhält sich die Membran wie folgt: Zwischen 25°C und 90°C wird kaum mehr Wasser aufgenommen.

4 stellt das Quellverhalten von CPM4 dar. Die Quellung dieser Membran liegt zwischen 28% und 45%.

Die Anwesenheit der anorganischen Bestandteile bewirkt offensichtlich und überraschenderweise eine Stabilisierung der Quellung über einen weiten Temperaturbereich. In beiden Fällen (CPM 1 und CPM4) haben die mit NaOH behandelten Membranstücke die geringste Quellung gefolgt von denen mit H3PO4 behandelten. Die größte Wasseraufnahmefähigkeit zeigen die in NaOH und anschließend in H3PO4 nachbehandelten Membranen

Rückstandbestimmung mit Hilfe von TGA:

Mit Hilfe der thermischen Gravimetrie (TGA) werden die Rückstände der erwähnten Membranen bestimmt. Hierfür werden kleine Membranstücke vorher in einem Trockenschrank bei 100°C über 3 Tage getrocknet. Dann werden sie für die Thermowaage zurecht geschnitten. Sie werden mit einer Heizrate von 20K/min. unter Sauerstoff geglüht.

In der Tabelle 2 sind die Mengen der berechneten und experimentell bestimmten Rückstände der Membranen aufgelistet.

Tab. 2: Membranrückstände

Membranen der A-Reihe, welche in NaOH nachbehandelt wurden und gemäß Gleichung 1 ZrO2 als Rückstand enthalten, weisen eine gute Übereinstimmung des berechneten Werts mit dem experimentellen Befund auf. (CPM1-A: 5,0%/5,4%; CPM4-A: 9,4%/8,1 %).

Wird das Zirkonoxidaquat, welches aus der Nachbehandlung gemäß Gl(1) entstand, mit Phosphorsäure behandelt (Membranstücke B), so findet anfänglich eine Adsorption6 E. Wedekind, H. Wilke, Koll.-Z. 34 [1924] 283/9, 284 statt, die allmählich von der Reaktion der Bildung des Zirkonphosphat überlagert wird (Gl. 2). Die Adsorptionsverbindung enthält (formal) ZrO2 und P2O5, welche beim Waschen (formal) P2O5 abgibt.

Beim Glühen von Zirkonphosphat bleibt als Rückstand laut7 G.v.Hevesy, K. Kimura, Z.anorg.Ch. 38 [1925] 774/6; J. Am. Soc. 47 [1925] 2540/4 Zirkonylmetaphosphat ZrO(PO3)2 zurück. J.H. De Boer8 J.H. De Boer, Z. Anorg. Ch. 144 [1925] 190/6 fasste jedoch den Rückstand als Diphosphat (ZrP2O7) auf. Unabhängig von den unterschiedlichen Auffassungen sind beide Formeln für die Deutung von Analysenergebnissen gleichwertig. Demzufolge befinden sich im Rückstand der B-Reihe ZrO(PO3)2 oder ZrP2O7.

Unter der Annahme, dass (formal) P2O5 während der Nachbehandlung teilweise ausgewaschen wird, entspricht der experimentell gefundene Rückstand von CPM1-B in Höhe von 7,9% einen Wert, der zwischen dem reinen ZrO2 und ZrO(PO3)2 liegt. Allerdings lässt sich der hohe Rückstand von CPM4B auf diese Weise nicht erklären.

Anders verhält sich das direkt durch HP3O4 aus den Lösungen von Zr-Salzen hergestellte Zirkonphosphat (Membranstücke C). Wegen der großen Stabilität des ZrO2+-Ions und der praktischen Nichtexistenz von Zr4+-Ionen in wässriger Lösung halten G.v. Hevesy und K. Kimura7 G.v.Hevesy, K. Kimura, Z.anorg.Ch. 38 [1925] 774/6; J. Am. Soc. 47 [1925] 2540/4 die Formel ZrO(H2PO4)2 für wahrscheinlich. In diesem Fall lässt sich P2O5 (formal) nicht auswaschen6 E. Wedekind, H. Wilke, Koll.-Z. 34 [1924] 283/9, 284 . Das Zirkonyldihydrogenphosphat geht beim Glühen ebenfalls in Metaphosphat ZrO(PO3)2 über. Die gefundenen Rückstandsmengen bei CPM 1 C und CPM4Cstimmen mit dem theoretischen Wert für ZrO(PO3)2 gut überein (CPM1-C: 14,8%/11,1%, CPM4-C: 15,9%/16,1 %).

Die Referenzmembran CPM2 verglüht aufgrund fehlenden anorganischen Bestandteils, ohne einen Rückstand zu hinterlassen.

Ionische Kapazität und der Spezifische Widerstand

Die ionische Kapazität einer Membran wird bestimmt, indem ein Membranstück in eine wässrige gesättigte NaCl-Lsg. eingelegt und konditioniert wird. Dabei findet ein Ionenaustausch statt, bei dem Na+-Ionen in die Membran diffundieren, während H+-Ionen aus ihr verdrängt werden. Die nun in der Lösung vorliegenden Protonen werden mit NaOH bis zum Äquivalenzpunkt titriert. Aus der verbrauchten NaOH-Menge lässt sich die direkte Ionenkapazität (IEC Dir.) berechnen. Sie entspricht der Anzahl der in der Membran frei vorliegenden H+-Ionen. Titriert man mit NaOH über, bricht man die vorhandenen ionischen Wechselwirkungen der Membran auf. Diesen Mehrverbrauch an NaOH, den man durch Rücktitration bestimmen kann, entspricht genau der Menge ionischer Wechselwirkungen und geht in die Gesamtionenkapazität (IEC Ges.) ein.

Tabelle 3 zeigt die experimentell ermittelte und die theoretisch berechnete Ionenkapazität der Membranen CPM1, CPM2 und CPM4.

Tab. 3: Ionenkapazität und Spez. Widerstand

Für die Berechnung der theoretischen Ionenkapazität der A-Reihe (NaOH-Nachbehandlung) wird gemäß Gl. (1) neben S-PEK und PBI Zirkondioxid in die Gesamtmassenbilanz einbezogen, und für die C-Reihe (HP3O4-Nachbehandlung) ZrO(H2PO4)2 gemäß Gl (3). Darüber hinaus werden Protonen des Dihydrogenphosphats mit in die Gesamt-Ionenkapazität bilanziert. Auf die Berechnung für Membranen der B-Reihe (NaOH-H3PO4-Nachbehandlung) wird verzichtet, da nach Gl. (2) unklar ist, wie viel (formal) P2O5 ausgewaschen wird. Die IEC dieser Membranreihe müsse im Bereich zwischen den IEC der A und C-Reihe liegen.

Gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentell ermittelten IEC zeigen sowohl Membranen mit anorganischem Bestandteil (CPM1 und CPM4) als auch die ohne Zirkonverbindung enthaltende Referenzmembran (CPM2). Lediglich bei den mit NaOH nachbehandelten Membranen (A-Reihe) werden größere Abweichungen festgestellt. (fett hervorgehoben).

Auffällig ist die große Differenz zwischen IECdir. und IECges . von CPM1-C und CPM4-C (ca. 1,5 Eq./g) im Vergleich zur Referenzmembran (ca. 0,6 Eq./g).

Es wird darauf zurückgeführt, dass diese Membranen Zirkondihydrogenphosphat enthalten, welche ihre beiden Protonen erst im neutralen bis stark alkalischen Medium abgeben9 Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 91.–100. [1985] 653 , und somit erst bei der Bestimmung der Gesamt-Ionenkapazität erfasst werden.

Diese durch das Dihydrogenphosphat zusätzlich zur Verfügung gestellten Protonen sollten den ionischen Widerstand der Membran stark herabsetzen. Der Widerstand der Membranen der C-Reihe sollte demnach kleiner sein als der der A- und B-Reihe. Die experimentellen Befunde zeigen jedoch ein umgekehrtes Bild.

Ursache dieser Diskrepanz liegt in der routinenmäßigen Probenvorbereitung zur Bestimmung der Membranimpedanz. Hierzu werden die Membranen in kleine Stücke (ca. 1,5cm × 1,5cm) geschnitten und in 1N H2SO4 konditionert. In diesem sauren Medium wird der spezifische Widerstand bestimmt.

Laut10 Gmelin, Handbuch Syst. Nr. 42 [1958] 337 entsteht aus einer Lösung von ZrO2 und überschüssigem H2SO4 das Zirkonsulfat Zr(SO4)2·4H2O. Dieses liegt in wässriger Lösung als eine komplexe Zirkoniumoxidschwefelsäure der Formel H2[ZrO(SO4)2] vor und dissoziiert unter Freisetzung von Protonen entsprechend der Gleichung 4.

Vermutlich läuft dieselbe Reaktion in den Membranen der Reihe A und teilweise auch der Reihe B ab. In beiden Fällen ist die Schwefelsäure in der Membranmatrix eingebunden und bewirkt, dass der spezifische Widerstand stark abnimmt. Da H2SO4 eine starke Säure ist, ist der Effekt umso ausgeprägter.

Die experimentell ermittelte Membranimpedanz spiegelt insofern nicht den tatsächlichen ionischen Widerstand wider, da dieser durch die Anwesenheit der Schwefelsäure verfälscht wird.

Unklar ist, ob die durch die Dissoziation entstandenen Ionen in der Membran bleiben und den Zustand hoher Protonenleitfähigkeit aufrechterhalten, oder aber mit der Zeit ausgewaschen werden.

Das schwerlösliche Zirkondihydrogenphosphat in CPM1-C und CPM4-C bleibt von dieser Reaktion unberührt10 Gmelin, Handbuch Syst. Nr. 42 [1958] 337 [5]. Zwar existieren im Dihydrogenphosphat Protonen, doch sind sie im sauren Medium festgebunden und haben weniger Einfluss auf die Protonenleitfähigkeit als Zirkoniumoxidschwefelsäure.

Fest steht, Compositemembranen dieser Art haben einen kleineren ionischen Widerstand gegenüber einer rein organischen Membran.

Zusammenfassung:
  • 1) Die Compositemembranen haben einen niedrigeren ionischen Widerstand als die Membran ohne anorganische Bestandteile
  • 2) der spezifische Widerstand der A- und B-Reihe ist kleiner als die C-Reihe, aufgrund der Dissoziation des eingeschlossenen Zirkonsulfats. Unklar ist, ob die durch die Dissoziation entstandenen Ionen aus der Membran ausgewaschen werden.
  • 3) Die Membranen der C-Reihe enthalten Zirkondihydrogenphosphat, welches die Gesamt-Ionenkapazität stark erhöht. Es wird angenommen, dass die Protonen des Dihydrogenphosphats teilweise zur Protonenleitfähigkeit beitragen. Dieser Effekt äußert sich durch einen niedrigeren spezifischen Widerstand gegenüber der Membran ohne anorganischen Bestandteil (CPM1C, CPM4C gegenüber CPM2).
  • 4) Der hohe anorganische Anteil in CPM4 hält die Quellung über einen großen Temperaturbereich konstant.
Anmerkung
  • 1) Optisches Aussehen der Membranen:

    a) S-PEK/Imidazol/PBI/ZrOCl2·8H2O: klar, transparent

    b) S-PEEK/Imidazol/PBI/ZrOCl2·8H2O: klar, transparent

    c) S-PSU/ZrOCl2·8H2O trüb

    d) PSU/ZrOCl2·8H2O trüb
  • 2) ZrOCl2·8H2O-DMSO-Lösung kristallisiert mit der Zeit aus. Wiederholungsversuche zur Membranherstellung, bei denen die über den Bodensatz befindliche Lösung eingesetzt wurde, zeigen dass die Membranen kein Zirkon und Phosphor enthalten (laut WDX-Methode) und thermogravimetrisch keinen Rückstand hinterlassen. Aus diesem Grund sollte die Lösung immer frisch angesetzt werden.
  • 3) Mechanische Stabilität:

    Wie mittels sensorischer Prüfung festgestellt werden konnte, sind Compositemembranen, besonders im System Polyetherketon, sehr stabil. Es sind über einen weiten Mischungsbereich keine signifikanten Nachteile gegenüber rein organischen Membranen erkennbar. Lediglich CPM4, die einen erhöhten Anteil an Zirkonverbindung enthält, zeigt größere Sprödigkeit gegenüber CPM1.
2. Compositemembranen durch nachträglichen Ionenaustausch/Ausfällung in vorgeformten Arylhauptkettenpolymerblendmembranen
Untersuchte Membranen:
Jochen Kerres, Wei Cui, Martin Junginger, J. Memb. Sci. 139, 227–241 (1998)
J. Kerres, W. Cui, S. Reichte, J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 34, 2421–2438 (1996) J. Kerres, A. Ullrich, M. Hein, J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 39, 2874–2888 (2001) Herstellung der Nachbehandlungs-Lösung:
  • 1. ZrOCl2 wird in folgenden Gemischen zu einer 1molaren Lösung aufgelöst:

    Mischung 1: Wasser/NMP 70/30

    Mischung 2: Wasser/NMP 50/50

    Mischung 3: Wasser/NMP 30/70
  • 2. 10%ige Phosphorsäure wird hergestellt durch Mischen von 85%iger Phosphorsäure mit Wasser
Membran-Nachbehandlung:
  • 1. Die Membranen werden bei Raumtemperatur für 24h in die entsprechende 1M ZrOCl2-Lösung eingelegt, um die H+-Ionen der Sulfonsäuregruppen gegen ZrO2+-Ionen auszutauschen.
  • 2. Die Membranen werden bei Raumtemperatur für 24h in vollentsalztes Wasser eingelegt, um alles überschüssige ZrOCl2 aus der Membranmatrix zu entfernen.
  • 3. Die Membranen werden bei Raumtemperatur für 24h in 10%ige Phosphorsäure eingelegt, um in der Membranmatrix Zr3(PO4)4 auszufällen.
  • 4. Die Membranen werden für 24h in vollentsalztes Wasser eingelegt, um überschüssige Phosphorsäure aus der Membranmatrix zu entfernen.
Ergebnisse der Ermittlung des Widerstands der Membranen mit der jeweiligen Nachbehandlung:

Aus der Tabelle kann ersehen werden, dass (von Ausreißern abgesehen) der Widerstand der Membranen mit steigendem Anteil an NMP in der 1molaren ZrOCl2-Lösung abnimmt. Die Ausreißer können daher rühren, dass die Membrannachbehandlung bei Raumtemperatur durchgeführt wurde, wodurch die Zugänglichkeit der Membran für die Ionenaustausch- und Ausfällungsreaktion limitiert sein könnte.

Zitierte Nichtpatentliteratur
  • 2 C. Yang, et al., Electrochem. Solid St. Lett. 4(4) A31–A34 (2001)
  • 3 Kerres, Deutsche Patentanmeldung 10021106 vom 2.5.2000
  • 4 Jochen Kerres, Thomas Häring, Deutsche Patentanmeldung 10021104 vom 2.5.2000
  • 5 S. M. J. Zaidi, S. D. Mikhailenko, G. P. Robertson, M. D. Guiver, S. Kaliaguine, J. Memb. Sci. 173, 17–34 (2000)
  • 6 E. Wedekind, H. Wilke, Koll.-Z. 34 [1924] 283/9, 284
  • 7 G.v.Hevesy, K. Kimura, Z.anorg.Ch. 38 [1925] 774/6; J. Am. Soc. 47 [1925] 2540/4
  • 8 J.H. De Boer, Z. Anorg. Ch. 144 [1925] 190/6
  • 9 Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 91.–100. [1985] 653
  • 10 Gmelin, Handbuch Syst. Nr. 42 [1958] 337
  • 11 Jochen Kerres, Wei Cui, Martin Junginger, J. Memb. Sci. 139, 227–241 (1998)
  • 12 J. Kerres, W. Cui, S. Reichle, J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 34, 2421–2438 (1996)
  • 13 J. Kerres, A. Ullrich, M. Hein, J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 39, 2874–2888 (2001)

Anspruch[de]
  1. Ionisch vernetzte Compositemembran, bestehend aus:

    a) einem Polymer A mit wenigstens Kationenaustauschergruppierungen oder deren nichtionischen Vorstufen; und

    einem Polymer B mit wenigstens Anionenaustauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    b) einem Polymer D1 mit Kationenaustauschergruppierungen oder deren nichtionischen Vorstufen und Anionenaustauscher- und/oder anderen N-basischen Gruppen; und

    einem Polymer B mit wenigstens Anionenaustauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    c) einem Polymer D1 mit Kationenaustauschergruppierungen oder deren nichtionischen Vorstufen und Anionenaustauscher- und/oder anderen N-basischen Gruppen; und

    einem Polymer B mit wenigstens Anionenaustauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war;
  2. Kovalent vernetzte Compositemembran, bestehend aus:

    a) einem Polymer A mit wenigstens Kationenaustauschergruppierungen oder deren nichtionischen Vorstufen; und

    einem Polymer C mit wenigstens Vernetzergruppen, die durch einen Vernetzer oder Vernetzungsinitiator vernetzt worden waren; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    b) einem Polymer D2 mit Kationenaustauschergruppierungen oder deren nichtionischen Vorstufen und mit wenigstens Vernetzergruppen, die durch einen Vernetzer oder Vernetzungsinitiator vernetzt worden waren; und

    einem Polymer C mit wenigstens Vernetzergruppen, die durch einen Vernetzer oder Vernetzungsinitiator vernetzt worden waren; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    c) einem Polymer D2 mit Kationenaustauschergruppierungen oder deren nichtionischen Vorstufen und mit wenigstens Vernetzergruppen, die durch einen Vernetzer oder Vernetzungsinitiator vernetzt worden waren; und

    einem Polymer B mit wenigstens Anionenaustauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war.
  3. Kovalent-ionisch vernetzte Compositemembran, bestehend aus:

    a) einem Polymer A und

    einem Polymer C und

    einem Polymer B und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    b) einem Polymer D2; und

    einem Polymer B; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    c) einem Polymer D1; und

    einem Polymer C; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    d) einem Polymer A; und

    einem Polymer B; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    e) einem Polymer D4 mit Kationenaustauschergruppen oder deren nichtionischen Vorstufen und mit Anionenaustauscher- oder anderen N-basischen Gruppen und mit Vernetzergruppen; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war; oder

    f) einem Polymer A; und

    einem Polymer D3 mit Anionenaustauschergruppen und/oder N-basischen Gruppen und mit Vernetzergruppen; und

    einem anorganischen Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war; und gegebenenfalls

    einer Heteropolysäure oder einer Polysäure oder deren Alkalimetallsalzen; und gegebenenfalls

    einem feinen, gegebenenfalls nanoskaligen schwerlöslichen Salz-, Oxid- oder Hydroxidpulver, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war.
  4. Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerhauptketten der Polymere A, B, C, D1, D2, D3 und D4 ausgewählt sind aus:

    – Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Polynorbornen, Polymethylpenten, Poly(1,4-isopren), Poly(3,4-isopren), Poly(1,4-butadien), Poly(1,2-butadien)

    – Styrol(co)polymere wie Polystyrol, Poly(methylstyrol), Poly(&agr;,&bgr;,&bgr;-trifluorstyrol), Poly(pentafluorostyrol)

    – perfluorierten Ionomere wie Nafion® oder der SO2Hal-Vorstufe von Nafion® (Hal=F, Cl, Br, I), Dow®-Membrane, GoreSelect®-Membrane.

    – N-basische Polymere wie Polyvinylcarbazol, Polyethylenimin, Poly(2-vinylpyridin), Poly(3-vinylpyridin), Poly(4-vinylpyridin)

    – (Het)arylhauptkettenpolymere, die folgende Baugruppen enthalten:
  5. Membranen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptketten der Polymere A, B, C, D1, D2, D3 und D4 ausgewählt sind aus:

    – Polyetherketone wie Polyetherketon PEK Victrex®, Polyetheretherketon PEEK Victrex®, Polyetheretherketonketon PEEKK, Polyetherketonetherketonketon PEKEKK Ultrapek®, Polyetherketonketon PEKK

    – Polyethersulfone wie Polysulfon Udel®, Polyphenylsulfon Radel R®, Polyetherethersulfon Radel A®, Polyethersulfon PES Victrex®

    – Poly(benz)imidazole wie PBI Celazol® und andere den (Benz)imidazol-Baustein enthaltende Oligomere und Polymere, wobei die (Benz)imidazolgruppe in der Hauptkette oder in der Polymerseitenkette vorhanden sein kann

    – Polyphenylenether wie z. B. Poly(2,6-dimethyloxyphenylen), Poly(2,6-diphenyloxyphenylen)

    – Polyphenylensulfid und Copolymere

    – Poly(1,4-phenylene) oder Poly(1,3-phenylene), die in der Seitengruppe ggf. mit Benzoyl-, Naphtoyl- oder o-Phenyloxy-1,4-Benzoylgruppen, m-Phenyloxy-1,4-Benzoylgruppen oder p-Phenyloxy-1,4-Benzoylgruppen modifiziert sein können.

    – Poly(benzoxazole) und Copolymere

    – Poly(benzthiazole) und Copolymere

    – Poly(phtalazinone) und Copolymere

    – Polyanilin und Copolymere

    – Polythiazol

    – Polypyrrol
  6. Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationenaustauschergruppen oder deren nichtionische Vorstufen ausgewählt sind aus: SO3H, SO3Me; PO3H2, PO3Me2; COOH, COOMe
    Mit Me = beliebiges Kation
  7. Membranen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als funktionelle Gruppen folgende Gruppierungen bevorzugt sind:

    SO3H, SO3Me; PO3H2, PO3Me2 bzw. SO2X, POX2
  8. Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anionenaustauschergruppen oder N-basischen Gruppen ausgewählt sind aus:

    N(R2)3+Y, P(R2)3 +Y, wobei die R2-Reste gleich oder voneinander verschieden sein können;

    N(R2)2 (primäre, sekundäre oder tertiäre Amine);

    Polymere mit folgenden N-basischen (Het)aryl- und Heterocyclusgruppen:
    Sch = Schutzgruppe = Trityl (Triphenylmethyl) oder BOC, CBz, Dan, Tos, Tfa, Aca, FMOC, THP 9-BBN
    Sch = Schutzgruppe = Trityl (Triphenylmethyl) oder BOC, CBz, Dan, Tos, Tfa, Aca, FMOC, THP, 9-BBN
  9. Membranen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als basische Gruppen primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen, Pyridylgruppen und Imidazolgruppen bevorzugt werden, wobei die Imidazolgruppen in der Polymerhauptkette liegen können oder eine Seitengruppe darstellen können.
  10. Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere folgende Vernetzungsgruppen aufweisen können:

    a) Alkengruppen: Polymer-C(R1 3)=C(R1 4R1 5) mit R1 3, R1 4, R1 5 = R2 oder R4

    b) Polymer-Si(R1 6R1 7)-H mit R1 6, R1 7 = R2 oder R4

    c) Polymer-COX, Polymer-SO2X, Polymer-POX2

    d) Sulfinatgruppen Polymer-SO2Me

    e) Polymer-N(R2)2 mit R2 ≠ H.

    und dass die Vernetzung stattfinden kann durch:

    (I) Gruppe a) durch Addition von Peroxiden;

    (II) Gruppe a) mit Gruppe b) unter Pt-Katalyse via Hydrosilylierung;

    (III) Gruppe d) mit Dihalogenalkan- oder Dihalogenaryl-Vernetzern (z. B. Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20) unter S-Alkylierung der Sulfinatgruppe;

    (IV) Gruppe e) mit Dihalogenalkan- oder Dihalogenaryl-Vernetzern (z. B. Hal-(CH2)x-Hal, x = 3–20) unter Alkylierung der tertiären basischen N-Gruppe

    (V) Gruppe d) und Gruppe e) mit Dihalogenalkan- oder Dihalogenaryl-Vernetzern (z. B. Hal-(CH2)X-Hal, x = 3–20) unter S-Alkylierung der Sulfinatgruppe und Alkylierung der tertiären basischen N-Gruppe

    (VI) Gruppe c) durch Reaktion mit Diaminen.
  11. Membranen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Vernetzungsreaktionen die Vernetzungsreaktionen (III), (IV) und (V) und insbesondere die Vernetzungsreaktion (III) bevorzugt sind.
  12. Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Salz und/oder Oxid und/oder Hydroxid, das durch einen Hydrolyse- und/oder Fällungsprozess in der Membranmatrix ausgefällt worden war, ausgewählt ist aus:

    – Phosphate und Hydrogenphosphate sowie saure und vollständig neutralisierte Diphosphate oder Carbonate von Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La;

    – Oxide und Hydroxide bzw. wasserhaltige Oxide von Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La
  13. Membranen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxide TiO2, ZrO2 und die schwerlöslichen Metallphosphate Zr3(PO4)4, Ti3(PO4)4, ZrP2O7, TiP2O7 und Zirkon- sowie Titanhydrogenphosphate bevorzugt sind.
  14. Membranen nach den Ansprüchen 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heteropolysäure oder die Polysäure oder deren Alkalimetallsalze ausgewählt sind aus:

    Polyphosphorsäure und Heteropolysäuren wie die Phosphorwolframsäure Hydrat H3PW12O40x29 H2O (TPA) und Molybdatophosphorsäure Hydrat H3PMo1 2O40x29 H2O (MPA) sowie die Alkalimetallsalze von Heteropolysäuren wie beispielsweise das Dinatriumsalz von TPA (Na-TPA).
  15. Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das feine, gegebenenfalls nanoskalige Salz- Oxid- oder Hydroxid, das in Pulverform der Polymerlösung zugesetzt worden war, ausgewählt ist aus:

    – Wasserhaltige Partikel, die OH-Gruppen an ihrer Oberfläche besitzen, vor allem auf Al2O3 basierend (z.B. Bayerit, Pseudoböhmit, Gibbsit = Hydrargillit, Diaspor, Böhmit), sowie Vanadium- oder Wolfram-basierende Oxide (V2O5, VOx, WOx) oder Legierungen aus diesen Oxiden:

    Al2O3·xH2O x = 1–10

    V2O5 ·xH2O x = 1–10

    VOx·yH2O y = 1–10 x = 1,5–3

    WOx·yH2O y = 1–10 x = 2–3

    – protonierte, ionenausgetauschte Legierungen von Oxiden, die in ihrer wsprünglichen Ausgangszusammensetzung die &bgr;-Aluminat-Struktur formen. Diese Verbindungsklasse bildet sich aus den Legierungen der unten aufgezählten Oxide. Die Zusammensetzungsformeln beschreiben die Bereiche, in denen sich die Ausgangsverbindung, die &bgr;-Aluminate, bilden.

    Als bevorzugte Komponente Me in Me2O wird Na oder K verwendet. Die hergestelltenalkalihaltigen Verbindungen müssen, bevor sie für die Membran verwendet werden können, einem Ionenaustausch unterzogen werden. Dabei wird das Alkaliion entfernt und die protonierte Form hergestellt.

    zMe2O-xMgO-yAl2O3, zMe2O-xZnO-yAl2O3, zMe2O-xCoO-yAl2O3, zMe2O-xMnO-yAl2O3, zMe2O-xNiO-yAl2O3, zMe2O-xCrO-yAl2O3, zMe2O-xEuO-yAl2O3, zMe2O-xFeO-yAl2O3, zMe2O-xSmO-yAl2O3

    mit Me = Na, K, z = 0,7–1,2.

    (mit x = 0,1–10, y = 0,1–10), stabil bis ca. 300 °C

    – Als weitere keramische Pulver kommen Zusammensetzungen in Betracht, welche die Komponenten MgO, ZnO, CoO, MnO, NiO, CrO, EuO, FeO, SmO enthalten. Weitere geeignete Oxide basieren auf den Elementen Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La

    – Zusätzlich sind die Carbonate wie z. B. MgCO3 x H2O und La(CO3)2 x H2O sowie Oxycarbonate und die protonenleitenden perowskitischen Oxide wie z. B. Strontium-Barium-Ceroxid, Barium-Calcium-Niobat etc. als keramische Komponenten geeignet.

    – Andere geeignete, z. T. schwerlösliche Metallsalze können sein: Phosphate und Hydrogenphosphate sowie saure und vollständig neutralisierte Diphosphate sowie Phosphorwolframate und Phosphormolybdate von Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La.

    – Auch Siliciumdioxid in seinen verschiedenen Modifikationen ist als keramische Komponente geeignet. Besonders bevorzugt sind hochdisperse Siliciumdioxide, beispielsweise aus der Gruppe der Aerosile®.

    – Schichtsilikate auf der Basis von Montmorillonit, Smectit, Illit, Sepiolit, Palygorskit, Muscovit, Allevardit, Amesit, Hectorit, Talkum, Fluorhectorit, Saponit, Beidelit, Nontronit, Stevensit, Bentonit, Glimmer, Vermiculit, Fluorvermiculit, Halloysit, Fluor enthaltende synthetische Talkumtypen oder Mischungen aus zwei oder mehr der genannten Schichtsilikate.

    – Natürliche und synthetische, gegebenenfalls ionenausgetauschte Zeolithe, insbesondere ZSM-5 Zeolith und Klinopthiolites
  16. Methode „Methode I" zur Herstellung von Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus folgenden Arbeitsschritten besteht:

    I.1. Herstellung der Lösung eines oder mehrerer Polymere des Typs A (Polymer mit Kationenaustauschergruppen in der Säure- oder Salzform oder deren nichtionischen Vorstufen) und gegebenenfalls eines oder mehrerer Polymere des Typs B (Polymer mit N-basischen Gruppen und/oder Anionenaustauschergruppen) und gegebenenfalls des Typs C (Polymere mit Vernetzungsgruppen wie Sulfinatgruppen und/oder ungesättigten Gruppen) und/oder Polymere des Typs D (Polymere mit Kationenaustauschergruppen in der Säure- oder Salzform oder deren nichtionischen Vorstufen und Anionenaustauschergruppen und/oder basischen N-Gruppen und/oder Vernetzungsgruppen) in einem Lösungsmittel L1 und gegebenenfalls eines gegebenenfalls nanoskaligen Metalloxid-, Metallsalz- oder Metallhydroxidpulvers (8);

    I.2. Herstellung der Lösung eines oder mehrerer Metallsalze Me+X (10) in einem organischen Lösungsmittel L2 (11), gegebenenfalls unter Hinzufügen einer (Hetero)polysäure oder deren Alkalimetallsalz (9);

    I.3. Vereinigung der Lösungen aus I.1. und I.2.;

    I.4. Ziehen eines dünnen Films des Gemischs aus 3. auf einer Unterlage (Folie oder Gewebe oder Vlies oder Glasplatte oder Metallplatte);

    I.5. Abdampfen der Lösungsmittel L1 und L2 bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erniedrigtem Druck;

    I.6. Ablösen des Compositefilms von der Unterlage;

    I.7. Einlegen des Compositefilms in folgende Flüssigkeiten:

    I.7a wässrige Lösung eines basischen Metallhydroxids MOH oder eines Amins oder Ammoniak N(R2)3 bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, wobei Ausfällung eines schwerlöslichen Metalloxids Memon oder Metallhydroxids Mem(OH)n oder gemischter Metalloxid-hydroxide MemOn·xH2O in der Membranmatrix stattfindet; I.7b wässrige Lösung einer Mineralsäure HY bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, die ein schwerlösliches Metallsalz MemYn in der Membranmatrix ausfällt; I.7c Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C.
  17. Methode „Methode II" zur Herstellung von Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus folgenden Arbeitsschritten besteht:

    II.1. Herstellung der Lösung eines oder mehrerer Polymere des Typs A (Polymer mit Kationenaustauschergruppen in der Säure- oder Salzform oder deren nichtionischen Vorstufen) und gegebenenfalls eines oder mehrerer Polymere des Typs B (Polymer mit N-basischen Gruppen und/oder Anionenaustauschergruppen) und gegebenenfalls des Typs C (Polymere mit Vernetzungsgruppen wie Sulfinatgruppen und/oder ungesättigten Gruppen) und/oder Polymere des Typs D (Polymere mit Kationenaustauschergruppen in der Säure- oder Salzform oder deren nichtionischen Vorstufen und Anionenaustauschergruppen und/oder basischen N-Gruppen und/oder Vernetzungsgruppen) und gegebenenfalls Zugabe eines Vernetzers (beispielsweise Alkylierungsvernetzer (z. B. &agr;,&ohgr;-Dihalogenalkan)) oder Radikalstarters in einem Lösungsmittel L1 und gegebenenfalls eines gegebenenfalls nanoskaligen Metalloxid-, Metallsalz- oder Metallhydroxidpulvers und/oder einer (Hetero)polysäure;

    II.2. Ziehen eines dünnen Films des Gemischs aus 1. auf einer Unterlage (Folie oder Gewebe oder Vlies oder Glasplatte oder Metallplatte);

    II.3. Abdampfen der Lösungsmittel L1 bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erniedrigtem Druck; während der Lösungsmittelabdampfung findet gegebenenfalls die Vernetzung der Vernetzungskomponente statt;

    II.4. Ablösen des Polymerfilms von der Unterlage;

    II.5. Einlegen des Compositefilms in folgende Flüssigkeiten:

    II.5a Wasser oder Gemische von Wasser mit organischem Lösungsmittel L1 bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5b wässrige Lösung oder Lösung eines oder mehrerer Metallsalze Me+X oder Lösung eines oder mehrerer Metallsalze Me+X in einem Gemisch aus Wasser und organischem Lösungsmittel L2 bei Temperaturen von 0°C bis 100°C; dabei findet Ionenaustausch statt: Polymer-RC+ + Me+X → Polymer-RMe+ + C+X Me+ = beliebiges 1- bis 4-wertiges Metalkation oder Metalloxykation, X = beliebiges Anion, R= Polymer-Festanion, C+ = Gegenion (beliebiges Kation)

    II.5c Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5d wässrige Lösung eines basischen Metallhydroxids MOH bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, wobei Ausfällung eines schwerlöslichen Metalloxids MemOn oder Metallhydroxids Mem(OH)n in der Membranmatrix stattfindet;

    II.5e Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5f wässrige Lösung einer Mineralsäure HY bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, die ein schwerlösliches Metallsalz MemYn in der Membranmatrix ausfällt;

    II.5g Wasser bei Temperaturen von 0°C bis 100°C;

    II.5h 1- oder mehrmalige Wiederholung der Prozedur 5a bis 5g.
  18. Methode III zur Herstellung von Compositemembranfilmen nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Kombination der Methode I und Methode II besteht und folgende Arbeitsschritte beinhaltet:

    III.1: Herstellung der Compositemembran nach Methode I;

    III.2: Weiterverarbeitung nach Methode II ab Schritt II.5
  19. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel L1 ausgewählt ist aus:

    – Protische Lösungsmittel:

    Wasser, Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, i-Propanol, tert. Butanol);

    – Dipolar-anrotische Lösungsmittel:

    Aceton, Methylethylketon (MEK), Acetonitril (ACN), N-Methylformamid, N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methylacetamid, N,N-Dimethylacetamid (DMAc), N-Methylpyrrolidinon (NMP), Dimethylsulfoxid (DMSO), Sulfolan;

    – Etherlösungsmittel:

    Tetrahydrofuran, Oxan, Dioxan, Glyme, Diglyme, Triglyme, Tetraglyme, Diethylether, Di-tert.Butyl-ether.

    Dabei sind als Lösungsmittel L1 dipolar-aprotische Lösungsmittel bevorzugt.
  20. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsalz Me+X ausgewählt ist aus:

    Salze aus Übergangsmetallkationen (z. B. der Metalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Sn, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La) oder Übergangsmetalloxykationen wie ZrO2+, TiO2+, und Anionen von Mineralsäuren, wie z. B. Hal (Hal = F, Cl, Br, I) oder SO4 2–, die in Lösungsmitteln L2 löslich sind. Als Metallsalze sind insbesondere ZrOCl2, ZrOSO4, TiOCl2, TiOSO4, ZrCl4 oder TiCl4 bevorzugt.
  21. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel L2 ausgewählt ist aus dipolar-aprotischen Lösungsmitteln. Dabei sind als Lösungsmittel insbesondere DMSO und Sulfolan bevorzugt.
  22. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das basische Metallhydroxid oder Amin oder Ammoniak ausgewählt ist aus: Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxiden, Ammoniak, Triethylamin oder n-Alkylamin CnH2n-1NH2 mit n = 1–20. Dabei werden NaOH, KOH und NH3 bevorzugt.
  23. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Membranmatrix ausgefällte schwerlösliche Metalloxid Memon oder Metallhydroxid Mem(OH)n oder gemischte Metalloxid-hydroxid MemOn·xH2O ausgewählt ist aus Metalloxiden, Metallhydroxiden oder Metalloxid-hydroxiden der Metalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La. Dabei sind Ti, Zr, Mo und W bevorzugt.
  24. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralsäure HY ausgewählt ist aus: Mono- Di- oder Polyphosphorsäure oder Heteropolysäuren oder Schwefelsäure. Bevorzugt ist dabei Orthophosphorsäure.
  25. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerlösliche Metallsalz MemYn ausgewählt ist aus:

    Orthophosphaten, Diphosphaten, Polyphosphaten oder Hydrogenphosphaten oder Sulfaten von Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ce, Ta, W, Sm, Eu, Gd, Yb, La, Ba.
  26. Verwendung der Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 25 zur Gewinnung von Energie auf elektrochemischem Weg.
  27. Verwendung der Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 25 als Bestandteil von Membranbrennstoffzellen (H2- oder Direktmethanol-Brennstoffzellen) bei Temperaturen von –20 bis +180°C.
  28. Verwendung der Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 25 in elektrochemischen Zellen.
  29. Verwendung der Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 25 in sekundären Batterien.
  30. Verwendung der Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 25 in Elektrolysezellen.
  31. Verwendung der Membranen nach den Ansprüchen 1 bis 25 in Membrantrennprozessen wie Gastrennung, Pervaporation, Perstraktion, Umkehrosmose, Elektrodialyse, und Diffusionsdialyse.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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