Poren

In der Membranfiltration wird häufig von „Poren“ gesprochen – insbesondere zur Beschreibung von Trennmechanismen, Porengrössenverteilungen und Retentionsverhalten. Dabei ist wichtig zu verstehen, dass es sich bei der „Pore“ primär um ein theoretisches Konstrukt handelt, das vor allem zur Modellierung und Klassifizierung dient.

Im idealisierten Modell werden Poren als zylindrische, glatte und gleichmässig verteilte Öffnungen beschrieben, durch die Flüssigkeiten und Partikel strömen. Diese Vorstellung vereinfacht die Beschreibung von Membraneigenschaften wie Permeabilität, Trenngrenze oder Partikelrückhalt und erlaubt eine rechnerische Annäherung an das Filtrationsverhalten.

In der Realität jedoch weisen Membranen komplexe, heterogene Strukturen auf. Die Poren sind unregelmässig geformt, verzweigt, grössenvariabel und oft dreidimensional vernetzt. Die tatsächliche Membranmorphologie ähnelt weniger einem Sieb mit klar definierten Öffnungen, sondern eher einem mikroskopisch feinen Schwamm.

Trotz dieser Diskrepanz ist der Begriff „Pore“ in der Praxis hilfreich – solange klar ist, dass er eine stark vereinfachte Darstellung der tatsächlichen Struktur darstellt. Für die Prozessbewertung und das Verständnis technischer Kennzahlen bleibt er ein zentrales, wenn auch idealisiertes Hilfsmittel.

Eine Grösse zur Charakterisierung einer Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsmembran, ist der nominelle Porendurchmesser. Obwohl mikroporöse Membranen in der Regel durch einen einzigen Wert für den Porendurchmesser charakterisiert werden, enthalten die meisten Membranen tatsächlich einen gestreuten Bereich von Porengrössen. Bei der Ultrafiltration ist der angegebene Porendurchmesser in der Regel ein Durchschnittswert. Die idealisierte Ultrafiltrationspore hat einen "Durchmesser" zwischen 10...100 nm.

Porengrösseverteilung

Die Porengrösseverteilung gibt an, wie gross die Poren sind und wie viele es von jeder Grösse gibt. Sie beschreibt die Verteilung der Porengrössen innerhalb eines Materials. Die Verteilung der Porengrössen beeinflusst die Trenneigenschaften einer UF-Membran entscheidend.

Allerdings lässt sich In der "schwammähnlichen" Struktur der trennenden Schicht bei UF Membranen nur schwer eine Porengrösseverteilung bestimmen.

Porosität

Die Porosität bezeichnet den Anteil an Hohl- oder Leerraum am Gesamtvolumen einer Membran, also dem Anteil, der den Durchgang von Flüssigkeit oder Gas ermöglicht. Die Porosität gibt an, wie viel Volumenanteil des Materials aus Poren besteht – also das Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvolumen, meist in Prozent. Die Porosität einer Membran kann durch verschiedene Techniken wie Quecksilberintrusionsporosimetrie, Gasadsorption und Bildanalyse gemessen werden.

Typische mikroporöse Membranen haben eine durchschnittliche Porosität im Bereich von 0,3-0,7. Diese Zahl lässt sich ermitteln, indem die Membran vor und nach dem Füllen der Poren mit einer inerten Flüssigkeit gewogen wird. Die Porosität einer Membran variiert. Anisotrope UF-Membranen haben eine durchschnittliche Porosität von 0,7 bis 0,8. Die Porosität der obersten, sehr dichten Trennschicht liegt jedoch nur bei 0,05.

Tortuosität

Die → Tortuosität (τ ) einer Membran spiegelt die Länge s der durchschnittlichen Pore im Vergleich zur Membrandicke wider. Einfache zylindrische Poren, die rechtwinklig zur Membranoberfläche stehen, haben eine Tortuosität von eins, d. h. die durchschnittliche Länge der Pore entspricht der Membrandicke. Normalerweise verlaufen die Poren eher mäanderförmig durch die Membran, so dass typische Tortuositäten im Bereich von 1,5-2,5 liegen.

Modell von John D. Ferry

Das mechanische Ausschlussmodell von → John D. Ferry bietet eine theoretische Grundlage für das Verständnis, wie Molekülgrösse und -form die Fähigkeit von Substanzen beeinflussen, in Polymernetzwerke einzudringen oder von ihnen ausgeschlossen zu werden.

Polymere haben eine Netzwerkstruktur mit Poren oder Hohlräumen. Die Grösse dieser Poren kann entscheidend dafür sein, wie andere Moleküle mit dem Polymer interagieren. Nach dem Modell von Ferry, können grosse Moleküle nicht in die Poren des Polymernetzwerks eindringen, weil sie zu gross sind, um durch die Lücken in der Netzwerkstruktur zu passen. Dieser Ausschluss ist rein mechanisch. Kleinere Moleküle können leichter durch das Polymernetzwerk diffundieren.

Die gemessene oder berechneten Porengrössen sind nicht absolut, da die Membranporen miteinander verbunden (vernetzt) und keine zylindrischen Kapillaren sind.

CutOff

Hersteller von Ultrafiltrationsmembranen charakterisieren ihre Membranen häufig mit dem "Cutoff"-Konzept anstelle der Porengrösse. Der nominale Molekulargewichts-Cutoff (MWCO) ist ein leistungsbezogener Parameter, der als untere Grenze des Molekulargewichts eines gelösten Stoffes (z. B. Dextran) definiert ist, für den die Rückweisung 95-98 % beträgt. Der MWCO kann jedoch scharf oder diffus sein, d. h. es gibt einen MWCO-Bereich, und in Wirklichkeit ist der MWCO nur ein grober Anhaltspunkt für die Fähigkeit der Membran, eine bestimmte Verbindung zu entfernen, da die Molekülform, die Polarität und die Wechselwirkung mit der Membran die Abweisung beeinflussen. Darüber hinaus können die Oberflächeneigenschaften der Membran (z. B. die Oberflächenporosität und die Porengrössenverteilung) die scheinbare Grösse der zurückgehaltenen Substanzen beeinflussen.