14.07.2022 • Nanophysik

Wasserfilter aus Graphenoxid: Mehr Löcher sind keine Lösung

Forscher finden Optimum für maßgeschneiderte Graphenoxid-Membranen.

Etwa zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt, rund 97 Prozent davon sind Salzwasser. Um den immer höheren Bedarf an Trinkwasser zu decken, muss die Entsalzung optimiert werden. Ein internationales Team konnte jetzt zeigen, warum mehr und dicht nebeneinanderliegende Löcher in der Filtermembran dabei keine Lösung sind.

Abb.: Mittels Ionenbeschuss werden Poren in die Graphenoxidschicht... — Abb.: Mittels Ionenbeschuss werden Poren in die Graphenoxidschicht eingebracht (oben). Das erhöht – bis zu einer bestimmten Menge – den Wasserfluss. (Bild: T. Foller, U. New South Wales)

Entsalzung basiert auf zwei unterschiedlichen Verfahren: entweder auf Verdampfung und anschließender Kondensation oder auf Umkehrosmose. Bei Letzterer wird Wasser unter Druck durch eine Membran gepresst, die das flüssige Element durchlässt und Salze zurückhält. Diese Filterung ist zwar technisch anspruchsvoller, verbraucht aber weniger Energie als Erhitzen und Verdampfen.

Membranen aus mehreren Lagen Graphenoxid – das nur eine Atomlage dick ist – haben sich bei der Umkehrosmose als äußerst effiziente Filter erwiesen. Sie ermöglichen eine kostengünstige und ressourcenschonende Wasserentsalzung. Die Wissenschaftler fanden nun heraus, wie sich die Transporteigenschaften durch zusätzliche Poren im Material gezielt manipulieren lassen.

Die Idee der Forscher, um den Prozess zu optimieren: schlitzförmige Poren mittels Ionenbestrahlung in die Lagen einbringen. Und tatsächlich, das Wasser fließt zunächst schneller durch den Filter – bis zu einem bestimmten Punkt. „Überraschend war, dass die Wasserdurchflussmenge ab einer gewissen Porendichte nicht mehr ansteigt, sondern abnimmt und sogar ganz versiegt“, erklärt Marika Schleberger von der Universität Duisburg-Essen.

Der Grund: Der Ionenbeschuss, durch den die Löcher hergestellt werden, erwärmt die Ränder der Poren – und zerstört bei zu vielen und zu dicht aneinander liegenden Poren chemische Gruppen wie Hydroxylgruppen oder Carbonsäuren. Aus Graphenoxid wird Graphen und der Wasserfilm, der sich zwischen den Lagen bildet, bewegt sich nicht mehr. Erst durch die chemischen Gruppen bricht dieser Wasserfilm auf, das Wasser bindet sich über Wasserstoffbrückenbindung und wechselt so in die nächste Lage.

Dieses Wissen half den Wissenschaftlern ein Optimum zu finden, bei dem ausreichend Graphenoxid vorhanden ist und dennoch genügend Löcher für den schnelleren Durchfluss eingebracht werden können. Die Ergebnisse sind wichtig für maßgeschneiderte Graphenoxid-Membranen, zum Beispiel für die Energieumwandlung, elektrochemische Katalyse und Biomedizin.

UDE / RK