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Festes Aqua-Material für die Wasserreinigung

Dekontamination von Wasser mit einer robusten Membran aus zwei sich synergistisch ergänzenden Komponenten

© Wiley-VCH

20.01.2017: Membranen für die Wasserreinigung müssen neben ihrer Filterfunktion auch hohen Drücken standhalten. Können Aqua-Materialien, die hauptsächlich aus Wasser bestehen, für derart anspruchsvolle Anwendungen fest genug gemacht werden? Israelische Wissenschaftler berichten, dass ein supramolekulares Aqua-Material als nachhaltige Membran für die Wasserreinigung bei hohen Drücken eingesetzt werden kann.

Ein polymeres Netzwerk aus kovalenten Bindungen sorgt im Allgemeinen bei Membranen für die Festigkeit. Allerdings sind polymere Membranen häufig schwer zu reinigen und zu recyclen, während einfache Fertigung, Reinigung und Recycling die Membranen besonders nachhaltig machen. Supramolekulare Systeme erfüllen im Prinzip viele Nachhaltigkeitsanforderungen, sind aber meist nicht fest genug. Die Arbeitsgruppe von Boris Rybtchinski vom Weizmann-Institut (Israel) hat in einer Zusammenarbeit mit der BASF eine Hybridmembran durch Selbstorganisation von zwei synergistischen Komponenten hergestellt, die den Anforderungen der industriellen Wasserreinigung hervorragend entsprechen.

Eine der Komponenten ist Nafion, ein Sulfonatgruppen enthaltender Polyelektrolyt mit Teflon-ähnlicher Vernetzungsstruktur, der als guter Ionenaustauscher bekannt ist. Die andere Komponente ist ein nichtkovalentes "PP2b"-Netzwerk, das zum Aufbau von Membranen auf Wasserbasis verwendet werden kann. Solche Membranen haben Filtereigenschaften, besitzen aber nicht die Festigkeit von Aqua-Kunststoffen: bioinspirierten selbstorganisierenden Materialien, die Wasser als Hauptbestandteil haben und dennoch so fest wie normaler Kunststoff sein können. Rybtchinski und seine Kollegen verknüpften beide Materialien durch Abscheidung von kolloidalem Nafion auf einer PP2b-Schicht und beobachteten eine sehr vorteilhafte gegenseitige Verbesserung der Eigenschaften: "In Summe bildete sich ein Hydrogel-artiges Material mit dem 3D-Netzwerk von Nafion und einer stark verdichteten PP2b-Schicht", erklärten sie.

Durch mechanische Kompression, hydrophobe Wechselwirkungen und osmotischem Druck bildete sich eine dichte Hybridstruktur als Membran. Die Wissenschaftler testeten diese Membran auf ihre Fähigkeit zur Entfernung von Schwermetallen und organischen Molekülen wie Farbstoffen und Arzneimitteln aus kontaminiertem Wasser. Die hohe Effektivität der Hybridmembran bei beiden Anwendung begründeten die Autoren so: "Die Nafion-Schicht dient als Membran mit Ionenaustauscher-Eigenschaften, während die Verdichtung von PP2b wohl bei der größenselektiven Filtrierung eine Rolle spielt."

Die Hybridmembran überstand hohen Druck und ließ sich für die Reinigung und das Recycling leicht wieder in seine Bestandteile zerlegen. Diese synergistischen nützlichen Eigenschaften, die durch Selbstorganisation von zwei sich gegenseitig ergänzenden Materialien gewonnen wurden, machen die nachhaltige Hybridmembran zu einem guten Kandidaten auch für herausfordernde großformatige Anwendungen.

Originalveröffentlichung:
Boris Rybtchinski et al.; "Robuste “Aqua-Materialien”: eine druckstabile, selbstorganisierte Membran zur Wasserreinigung"; Angewandte Chemie; 18 January 2017
Cohen, E., Weissman, H., Shimoni, E., Kaplan-Ashiri, I., Werle, K., Wohlleben, W. and Rybtchinski, B.; "Robust Aqua Material: A Pressure‐Resistant Self‐Assembled Membrane for Water Purification"; Angew. Chem. Int. Ed.; 2017

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