Brennende Membranen für die Molekularsiebung

18. August 2022

von der King Abdullah University of Science and Technology

Eine robuste Nanofiltrationsmembran, die als hochwirksames Molekularsieb fungiert, kann viele der Probleme aktueller Polymermembranen vermeiden.

Filtration spielt in vielen Branchen eine entscheidende Rolle, von der Wasseraufbereitung bis zur pharmazeutischen Produktion. Bei der Nanofiltration organischer Lösungsmittel werden beispielsweise Membranen mit winzigen Poren verwendet, um Moleküle zu entfernen, die in organischen (kohlenstoffbasierten) Lösungsmitteln gelöst sind.

Die Nanofiltration ist energieeffizienter als alternative Trennmethoden wie die Destillation. Doch um den Strapazen des industriellen Einsatzes standzuhalten, müssen Nanofiltrationsmembranen stabil gegenüber aggressiven Lösungsmitteln, Säuren und Basen sein.

„Leider weisen die meisten Membranen auf Polymerbasis eine schlechte chemische Stabilität auf“, sagt Postdoktorand Rifan Hardian. Diese Membranen benötigen typischerweise zusätzliche chemische Vernetzer, um ihre Stabilität zu verbessern, was ihre Herstellung erschwert. Viele Membranen verlieren mit zunehmendem Alter auch ihre Leistung und können sogar zerfallen und Spuren von Verunreinigungen freisetzen.

Hardian und seine KAUST-Kollegen Mahmoud A. Abdulhamid und György Szekely haben diese Nachteile nun überwunden, indem sie eine neuartige Kohlenstoff-Molekularsieb-Membran (CMS) entwickelt haben, die keine zusätzlichen Vernetzer benötigt.

Die Membran basiert auf einem Polymer namens 6FDA-DMN, das sich zu einer flachen, porösen Membran mit guter thermischer Stabilität formen lässt. Durch mehrstündiges Backen der Polymermembran bei 400–600 Grad Celsius wurden nach und nach einige ihrer chemischen Gruppen verbrannt, sodass eine robuste Membran zurückblieb, die vollständig aus Kohlenstoff bestand. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass dieser Karbonisierungsprozess bei höchsten Temperaturen auch die Poren der Membran erheblich verkleinerte.

Nach einer Feinabstimmung der Bedingungen zur Herstellung der CMS-Membran testeten die Forscher ihre Filtrationsfähigkeiten mithilfe von Lösungen, die Moleküle unterschiedlicher Größe enthielten. Das Profil der von der Membran zurückgehaltenen Moleküle im Vergleich zu denen, die durch ihre Poren gelangten, zeigte, wie effektiv die Membran beim Sieben verschiedener Moleküle war.

Die bei 600 Grad Celsius hergestellten Membranen schnitten am besten ab, da sie die meisten der kleinsten Moleküle zurückhielten und gleichzeitig den Durchfluss von Lösungsmittelmolekülen ermöglichten. Das Team fand außerdem heraus, dass die poröse Struktur des Ausgangspolymers der Schlüssel zur Herstellung einer CMS-Membran mit hoher Lösungsmitteldurchlässigkeit war.

„Eine Kombination aus hoher Abstoßung kleiner Moleküle und hoher Lösungsmitteldurchlässigkeit weist auf eine bessere Membranleistung hin“, erklärt Hardian. „Außerdem zeigten die Membranen über einen langen Zeitraum hinweg eine außergewöhnliche Stabilität in verschiedenen organischen Lösungsmitteln, darunter Säuren und Basen.“

Die Forscher arbeiten nun daran, die Durchlässigkeit der Membran zu verbessern und planen, verschiedene Nanomaterialien in die Membran einzubauen, um ihre Eigenschaften zu steuern.

Die Forschung wurde in Applied Materials Today veröffentlicht.

Mehr Informationen: Mahmoud A. Abdulhamid et al., Kohlenstoff-Molekularsiebmembranen mit integrierter asymmetrischer Hautstruktur für die Nanofiltration organischer Lösungsmittel (OSN) und die Umkehrosmose organischer Lösungsmittel (OSRO), Applied Materials Today (2022). DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101541

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