Wasserfilter aus Graphenoxid: Mehr Löcher sind keine Lösung

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Foller et al.: Mass Transport via In-Plane Nanopores in Graphene Oxide Membranes, ACS Nano Lett. 22, 4941 (2022); DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01615
• Ultraintensive Anregung durch hochgeladene und schnelle schwere Ionen, 2D-Materialien (M. Schleberger), Experimentalphysik, Universität Duisburg-Essen