Neuer mikrofluidischer Flüssig-Flüssig-Separator
Kalte Plasmen in Mikrokanälen stellen Oberflächenspannung gezielt ein.
Für die Auftrennung von flüssigen Zweiphasensystemen wie z. B. von Öl-Wasser-Gemischen werden in der Regel Schwerkraftabscheider, Zentrifugen und Skimmer sowie Membransysteme eingesetzt, die nur mit relativ hohem technischem Aufwand in kontinuierliche Prozessketten integriert werden können. Eine deutlich einfachere Prozessintegration bei hohen Trennleistungen ermöglicht der am Fraunhofer IST entwickelte Flüssig-Flüssig-Separator, der auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle 10, Stand G05) der Medica vom 16.–19. November zu sehen sein wird.
Abb.: Beschichtung eines Separators (Simulation mit COMSOL® Multiphysics): Es werden nur der Zweig A und ein Teil des Hauptkanals beschichtet. Im Hauptkanal erlischt die Entladung durch das Inertgas aus Zweig B. (Bild: IST)
Verfahren zur Trennung von flüssigen Mehrphasensystemen nutzen häufig den Dichteunterschied zwischen den Flüssigkeiten aus, wie z. B. Zentrifugen oder Abscheider. Die Effizienz dieser Verfahren hängt dabei von der Größe des Dichteunterschieds ab. Eine weitere Möglichkeit, flüssige Mehrphasensysteme aufzutrennen, ergibt sich unter Ausnutzung der unterschiedlichen Oberflächenspannungen der einzelnen Phasen. Entsprechende Separatoren benötigen kleine Kanaldimensionen oder Membranstrukturen, sodass die einzelnen Flüssigkeitsphasen mit unterschiedlichen Oberflächenbereichen in Kontakt kommen können.
Unterschiedliche fluidische Phasen lassen sich durch Ausnutzung der in der Regel stark unterschiedlichen Oberflächenspannungen der Flüssigkeiten trennen, indem das Mehrphasensystem durch eine Kanalstruktur geleitet wird, die sich in hydrophile und hydrophobe Kanäle aufspaltet. Dabei gilt: Je besser die Auslegung und Dimensionierung der Kanalstrukturen hinsichtlich von Parametern wie Oberfläche, Volumen- und Aspektverhältnis den Tröpfchendurchmessern der dispersen Phase entsprechen, desto besser gelingt die vollständige Separation. Durch Kombination von Mikrostrukturierungstechniken und Oberflächenbeschichtungsverfahren können derartige Trennsysteme in einer breiten Materialvielfalt realisiert werden.
Das Besondere dabei ist, dass sich durch den Einsatz kalter Plasmen bei Atmosphärendruck die Mikrokanäle direkt von innen beschichten lassen. Dazu wird das Bauteil zwischen zwei Elektroden positioniert. Mittels Wechselspannung werden elektrische Felder erzeugt, die die Zündfeldstärke des Prozessgases in den Kanälen übersteigen. Durch geeignete Wahl des Gases bzw. Gasgemisches, das durch die Kanäle strömt, können die inneren Oberflächen in Form eines Post Processings beschichtet oder aktiviert werden.
Dieses universelle Verfahren eignet sich auch für die schnelle und kostengünstige Behandlung von Disposables, um deren innere und äußere Oberflächen mit vielfältigen Funktionen und Eigenschaften auszustatten.
IST / LK
