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Veröffentlicht am 14. September 2018

Ultradünne Membran kann Wasser filtern

Bielefelder Forschende haben effiziente Nanomembran hergestellt und getestet

Nanomembranen sind Millionstel-Millimeter dünne Blättchen aus Kohlenstoff. Sie können als ultrafeine Filter oder als Schutzschicht eingesetzt werden. Einer Forschungsgruppe der Universität Bielefeld um den Physiker Professor Dr. Armin Gölzhäuser und seine Doktorandin Yang Yang gelang es nun erstmals, eine Carbon Nanomembran (CNM) herzustellen, die für Wassermoleküle durchlässig, für andere Stoffe hingegen undurchlässig sind. Damit kommen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dem Ziel näher, sauberes Trinkwasser mit einer neuen Generation von Wasserreinigungsmembranen einfacher bereitzustellen.

Doktorandin Yang
Doktorandin Yang. Foto: Universität Bielefeld

Konventionelle Membranen können entweder sehr gut filtern und sind dabei wenig durchlässig oder sie sind sehr durchlässig und filtern dabei nicht stark. Yang Yang von der Fakultät für Physik hat nun eine ein Nanometer dünne Membran hergestellt, die sowohl enorm durchlässig für Wasser ist als auch eine sehr selektive Filterleistung aufzeigt. Grund für die ungewöhnlich effiziente Filterleistung: Bei der Herstellung von Membranen bilden sich winzige Kanäle, durch die nur Wassermoleküle passen. Diese Kanäle konnten an der Bielefelder Fakultät für Physik mithilfe eines Rasterkraftmikroskops erstmals sichtbar gemacht werden.

In der wasserdurchlässigen und filterstarken CNM liegt die Chance, die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser zu vereinfachen. „Wir sind auf dem Weg dorthin einen großen Schritt weitergekommen“, sagt Yang. „Denn wir verstehen die Vorgänge in der Membran nun besser: Wir wissen, welchen Durchmesser die wasserdurchlässigen Kanäle haben und wie sie sich kontrolliert herstellen lassen.“

Ihr Forschungsergebnis haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Yang als Erstautorin in dem Journal „ACS Nano“ veröffentlicht. Darüber hinaus hat das Unternehmen CNM Technologies GmbH, eine Ausgründung der Universität Bielefeld, die CNM-basierten Wassermembranen bereits in die industrielle Praxis überführt und bestätigt, dass sie sich für die sogenannte Osmose eignet. Dabei wandert das Wasser ohne äußeren Druck durch die Membran in eine Salzlösung und verdünnt diese. Dieser Osmose-Prozess wird in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt, etwa in der Getränkeherstellung, der Batterietechnologie oder der Abwasserbehandlung.

Messzelle zum Flüssigkeitstransport durch Nanomembranen
Messzelle zum Flüssigkeitstransport durch Nanomembranen. Foto: Universität Bielefeld

Für Gölzhäuser ist die Forschung zu CNM damit noch nicht abgeschlossen. Ein Ziel ist es, funktionsfähige Nanomembranen nicht wie bislang im Labormaßstab, sondern mit sehr viel größeren Flächen herzustellen. Das soll in enger Zusammenarbeit mit der CNM Technologies GmbH stattfinden. „Um den Mechanismus der Wasserreinigung zu verstehen, müssen wir darüber hinaus Antworten auf die Frage finden, wie Wassermoleküle durch die Membran wandern“, so Professor Armin Gölzhäuser, Leiter der Arbeitsgruppe „Physik Supramolekularer Systeme und Oberflächen“. „Dieses Wissen kann uns helfen, die Herstellung der Nanomembran-Kanäle zu optimieren, sodass Wasser schneller durchfließt und andere Stoffe stärker zurückgehalten werden.“

Originalveröffentlichung:
Yang Yang, Petr Dementyev, Niklas Biere, Daniel Emmrich, Patrick Stohmann, Riko Korzetz, Xianghui Zhang, André Beyer, Sascha Koch, Dario Anselmetti, Armin Gölzhäuser: Rapid Water Permeation Through Carbon Nanomembranes with Sub-Nanometer Channels, ACS Nano, 2018, 12, 4695.

Weitere Informationen:

  • „Mit Nanomembranen Moleküle aus Wasser oder Luft sieben“ (Pressemitteilung vom 30.08.2017): https://bit.ly/2Q5fAJW
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