Trinkwasser filtern 08.02.2024, 15:00 Uhr

VaCNT-Membrane reinigen Wasser besonders gut

Membrane aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren (VaCNT) mit speziell angepasster Porengeometrie und -oberflächenstruktur eignen sich besonders gut dafür, selektiv Schadstoffe aus Wasser herauszufiltern. Das haben Forschende aus Karlsruhe herausgefunden.

Membrantechnologie

Vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind eine ideale Membran um das Wechselspiel der Kräfte innerhalb von Nanoporen zu untersuchen.

Foto: IAMT, KIT

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ihre Partner haben die Effizienz von Membranen aus VaCNT für die Wasserreinigung und -entsalzung untersucht. Diese Membranen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, Wasser bei hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck zu filtern. In Experimenten zur Adsorption von Steroidhormonen analysierten sie das Zusammenspiel der Kräfte in den mikroskopisch kleinen Poren. Die Ergebnisse zeigen, dass VaCNT-Membranen mit speziell angepasster Porengeometrie und Oberflächenstruktur besonders selektiv Schadstoffe herausfiltern können.

Sauberes Trinkwasser überlebenswichtig

Sauberes Trinkwasser ist ein lebensnotwendiges Gut für die weltweite Bevölkerung. Zur effizienten Entfernung von Mikroverunreinigungen, darunter gesundheits- und umweltschädigende Steroidhormone, haben sich Membranen bewährt. Dabei gelten vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren (VaCNT) als besonders vielversprechendes Material. Das VaCNT steht hierbei für „Vertically aligned carbon nanotube“.

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„Dieses Material ist genial – mit winzigen Poren, die einen Durchmesser von 1,7 bis 3,3 Nanometer, eine fast perfekte zylindrische Form und eine geringe Verwindung aufweisen“, erklärt Professorin Andrea Iris Schäfer, Leiterin des Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) des KIT. „Die Nanoröhren sollten eigentlich stark adsorbieren, weisen jedoch eine ganz geringe Reibung auf.“ Es gibt aber ein Problem: Momentan sind die Poren für einen effektiven Rückhalt zu groß, kleiner sind sie technisch noch nicht machbar.

Warum eignen sich VaCNT-Membrane so gut als Wasserfilter?

Forschende des IAMT untersuchten die Eignung von VaCNT-Membranen als Wasserfilter, indem sie deren Wirksamkeit bei der Entfernung von Steroid-Mikroverunreinigungen testeten. Die dabei verwendeten Membranen wurden am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien hergestellt. Die jetzt veröffentlichten Studienergebnisse zeigen, dass die geringe Adsorptionsrate der VaCNT-Membranen – also ihre Fähigkeit, Partikel an ihre Oberfläche zu binden – besonders vorteilhaft für die Herstellung hochselektiver Filter ist, die gezielt bestimmte Schadstoffe herausfiltern können.

Die Studie zeigt auch, dass die Effizienz der Adsorption in den Nanoporen der Membran nicht nur von der Oberflächenbeschaffenheit und den Restriktionen für den Stofftransport abhängt, sondern auch durch das Zusammenspiel von hydrodynamischen Kräften, Reibung sowie Anziehungs- und Abstoßungskräften an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Wand beeinflusst wird. Bei stark wasserdurchlässigen Nanoporen führen die geringe Reibung und die hohe Strömungsgeschwindigkeit zu einer geringeren Wechselwirkung.

„Wenn die Moleküle nicht aufgrund ihrer Größe zurückgehalten werden, dann bestimmt oft die Interaktion mit dem Material, was passiert – die Moleküle hüpfen sozusagen durch die Membran, wie ein Kletterer an einer Wand hinaufsteigt. Dies ist einfacher, wenn es viele gute Griffe gibt“, erläutert Schäfer. Untersuchungen wie die von dem Karlsruher Forschungsteam können dabei helfen, Porengeometrie und Porenoberflächenstruktur gezielt zu gestalten.

Perfekte Membrane herzustellen ist extrem schwierig

Wie bereits geschrieben, wurden die Membrane in den USA entwickelt, genauer gesagt von Dr. Francesco Fornasiero und seinem Team am LLNL. Das IAMT verwendete die Membranen für Experimente mit Mikroverunreinigungen und wertete diese mittels modernster analytischer Methoden aus. Die Realisierung der Studie, die in der Membrantechnologie weithin erwartet wurde, dauerte etwa zehn Jahre, von der Idee bis zum Erfolg.

Wie das Forschungsteam erläutert, ist die Herstellung nahezu perfekter Membranen äußerst anspruchsvoll, da Defekte auf größeren Flächen von vielen Quadratzentimetern häufig auftreten und die Ergebnisse beeinflussen können. In den letzten Jahren ist es am LLNL gelungen, Membranen auf größeren Flächen herzustellen, während am IAMT kleine Experimentalsysteme entwickelt wurden, mit denen Spurenschadstoffe auf einer Fläche von nur zwei Quadratzentimetern filtriert werden können.

Schäfer betont, dass das Downsizing extrem schwierig ist und dass es ein großer Erfolg ist, solche Systeme gemeinsam zu realisieren. Das Team wartet nun gespannt auf die Entwicklung von Membranen mit noch kleineren Poren.

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