20. Februar 2024 Ι Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben eine faszinierende Entdeckung gemacht: Membranen aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren (VaCNT) können Wasser bei hoher Durchflussgeschwindigkeit und niedrigem Druck effizient reinigen und entsalzen. Diese neue Technologie könnte dazu beitragen, Mikroverunreinigungen wie gesundheits- und umweltschädliche Steroidhormone aus unserem Trinkwasser zu entfernen.
Sauberes Trinkwasser ist für alle Menschen weltweit überlebenswichtig. Um Mikroverunreinigungen wie beispielsweise gesundheits- und umweltschädliche Steroidhormone effizient zu entfernen, eignen sich Membranen. Als besonders vielversprechendes Material dafür bieten sich vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren (Vertically aligned carbon nanotube – VaCNT) an.
VaCNT-Membranen für sauberes Wasser
„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.“
Momentan sind die Poren für einen effektiven Rückhalt zu groß, kleiner sind sie technisch noch nicht machbar.
Warum VaCNT-Membranen hervorragend als Wasserfilter taugen, haben Forschende am IAMT nun anhand von Experimenten mit Steroid-Mikroverunreinigungen untersucht, und zwar mit Membranen, die am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore (Kalifornien, USA) hergestellt wurden. Ergebnis der nun veröffentlichten Studie: Die geringe Adsorption der VaCNT, das heißt die Anlagerung an der Oberfläche, ist durchaus wünschenswert für hochselektive, auf ganz bestimmte Stoffe ausgerichtete Membranen.
Wechselwirkung in Nanoporen: Effiziente Wasseraufbereitung
Wie die Studie zeigt, hängt die Adsorption in Membran-Nanoporen nicht nur von der Adsorptionsoberfläche und der Begrenzung der Stoffübertragung ab, sondern auch vom Wechselspiel der hydrodynamischen Kräfte, der Reibung sowie der Anziehungs- und Abstoßungskräfte an der Flüssigkeit-Wand-Grenzfläche. Bei für Wasser sehr permeablen Nanoporen ist eine Interaktion wegen der geringen Reibung und der hohen Geschwindigkeit schwach.
„Wenn die Moleküle nicht aufgrund ihrer Größe zurückgehalten werden, dann bestimmt oft die Interaktion mit dem Material, was passiert – die Moleküle können an der Oberfläche der Nanoröhren anhaften und so effizient aus dem Wasser entfernt werden“, erklärt Professorin Schäfer.
Diese VaCNT-Membranen könnten einen großen Beitrag zur Lösung des globalen Problems der Wasserverschmutzung leisten.
Vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind eine ideale Membran um das Wechselspiel der Kräfte innerhalb von Nanoporen zu untersuchen. (Foto: IAMT, KIT)
Zehn Jahre intensive Forschung
Die VaCNT-Membranen sind das Ergebnis von zehn Jahren intensiver Forschung und Entwicklung. Dr. Francesco Fornasiero und sein Team am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben diese bahnbrechende Technologie entwickelt. Die Experimente zur Untersuchung von Mikroverunreinigungen wurden am Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) durchgeführt und mit modernsten analytischen Methoden ausgewertet.
Die Herausforderung bestand darin, fast perfekte Membranen herzustellen. Auf größeren Flächen, also Flächen von vielen Quadratzentimetern, treten oft Defekte auf, die die Ergebnisse beeinflussen. Dennoch gelang es dem LLNL, Membranen auf größeren Flächen zu fertigen. Parallel dazu arbeiteten die Forschenden am IAMT an winzigen Experimentalsystemen, mit denen sie Spurenschadstoffe auf nur zwei Quadratzentimetern filtern können. Dieses gemeinsame Unterfangen war ein großer Erfolg.
Die aktuelle Studie fokussiert sich erstmals auf das Wechselspiel der hydrodynamischen Kräfte, Reibung sowie Anziehungs- und Abstoßungskräfte in den Nanoporen. Diese grundlegenden Erkenntnisse werden vor allem bei Prozessen der Ultra- und Nanofiltration von Nutzen sein, wo Nanoporen die Filterung steuern.
