Festes Aqua-Material für die Wasserreinigung

Membranen für die Wasserreinigung müssen neben ihrer Filter­funktion auch hohen Drücken stand­halten. Können Aqua-Materi­alien, die haupt­säch­lich aus Wasser bestehen, für derart anspruchs­volle Anwen­dungen fest genug gemacht werden? Wissen­schaftler aus Israel konnten jetzt zeigen, dass ein supra­moleku­lares Aqua-Material als nach­haltige Membran für die Wasser­reini­gung bei hohen Drücken einge­setzt werden kann.

Ein polymeres Netzwerk aus kovalenten Bindungen sorgt im Allge­meinen bei Membranen für die Festig­keit. Aller­dings sind polymere Mem­branen häufig schwer zu reinigen und zu recyceln, während einfache Ferti­gung, Reini­gung und Recyc­ling die Membranen beson­ders nach­haltig machen. Supra­moleku­lare Systeme erfüllen im Prinzip viele Nach­haltig­keits­anfor­de­rungen, sind aber meist nicht fest genug. Die Arbeits­gruppe von Boris Rybt­chinski vom Weiz­mann-Institut hat in einer Zusam­men­arbeit mit der BASF eine Hybrid­membran durch Selbst­orga­ni­sation von zwei syner­gis­tischen Kompo­nenten herge­stellt, die den Anfor­de­rungen der indus­triellen Wasser­reini­gung hervor­ragend ent­sprechen.

Eine der Komponenten ist Nafion, ein Sulfonatgruppen enthal­tender Poly­elektro­lyt mit Teflon-ähn­licher Vernet­zungs­struk­tur, der als guter Ionen­aus­tauscher bekannt ist. Die andere Kompo­nente ist ein nicht­kova­lentes PP2b-Netz­werk, das zum Auf­bau von Mem­branen auf Wasser­basis verwen­det werden kann. Solche Mem­branen haben Filter­eigen­schaften, besitzen aber nicht die Festig­keit von Aqua-Kunst­stoffen, also bio­inspi­rierten selbst­organi­sie­renden Materi­alien, die Wasser als Haupt­bestand­teil haben und dennoch so fest wie nor­maler Kunst­stoff sein können. Rybt­chinski und seine Kollegen ver­knüpf­ten beide Materi­alien durch Abschei­dung von kollo­i­dalem Nafion auf einer PP2b-Schicht und beob­ach­teten eine sehr vorteil­hafte gegen­sei­tige Verbes­se­rung der Eigen­schaften. „In Summe bildete sich ein Hydro­gel-artiges Material mit dem 3D-Netz­werk von Nafion und einer stark verdich­teten PP2b-Schicht“, erklären die Forscher.

Durch mechanische Kompression, hydrophobe Wechselwirkungen und osmo­tischem Druck bildete sich eine dichte Hybrid­struktur als Membran. Die Wissen­schaftler testeten diese Membran auf ihre Fähig­keit zur Ent­fer­nung von Schwer­metallen und orga­nischen Mole­külen wie Farb­stoffen und Arznei­mitteln aus konta­mi­niertem Wasser. Die hohe Effek­ti­vität der Hybrid­membran bei beiden Anwen­dungen begrün­deten die Autoren so: „Die Nafion-Schicht dient als Membran mit Ionen­aus­tauscher-Eigen­schaften, während die Verdich­tung von PP2b wohl bei der größen­selek­tiven Filtrie­rung eine Rolle spielt.“

Die Hybridmembran überstand hohen Druck und ließ sich für die Reinigung und das Recycling leicht wieder in seine Bestand­teile zerlegen. Diese syner­gis­tischen nütz­lichen Eigen­schaften, die durch Selbst­organi­sation von zwei sich gegen­seitig ergän­zenden Materi­alien gewonnen wurden, machen die nach­haltige Hybrid­membran zu einem guten Kandi­daten auch für heraus­fordernde groß­formatige Anwen­dungen.

W-VCH / RK