Abwässer reinigen Nanofiltrationsmembran erfasst auch kleinste Moleküle

Forschern ist es gelungen, die Trenngrenze keramischer Membranen deutlich herabzusetzen – auf 200 Da. Bisher hielten Experten die Anwendung der Methode bei einer Molekülgröße unter 450 Da für unmöglich.

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Wasser ist die Grundlage des Lebens auf der Erde und somit ein äußerst kostbares Gut. Wo Wasser knapp ist, leiden Mensch und Umwelt. Nach Schätzungen der UNESCO werden Mitte dieses Jahrhunderts im schlimmsten Fall sieben Milliarden Menschen in 60 Ländern und im günstigsten Fall zwei Milliarden Menschen in 48 Ländern von Wasserknappheit betroffen sein. Auch in der Industrie ist das kühle Nass unabdingbar: In vielen Produktionsprozessen dient es als Lösemittel, Reinigungsmittel, kühlt oder überträgt Wärme. Vor diesem Hintergrund wird es zunehmend wichtiger, Abwässer möglichst effizient aufzubereiten und wiederzuverwenden.

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Mechanische Trennung durch Keramikmembranen

Möglich machen das keramische Membranen. Da sie auf mechanische Art und Weise trennen – also ähnlich wie ein Kaffeefilter – sind sie besonders energieeffizient. Allerdings war mit dieser Methode bisher bei einer Molekülgröße von 450 Da Schluss: Kleinere Moleküle konnten mit keramischen Membranen nicht abgetrennt werden.

Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter und Dipl.-Chem. Petra Puhlfürß, Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf, konnten die Trenngrenze dieser Membranen nun deutlich herabsetzen und erstmals auch gelöste organische Moleküle mit einer Molaren Masse von nur 200 Da zuverlässig abfiltrieren. Selbst Industrie-Abwässer sollen sich so effizient reinigen lassen.

Membranporen müssen möglichst gleich groß sein

Um diese neue Qualität zu erreichen, mussten verschiedene Hindernisse überwunden werden. Das erste lag in der Herstellung der Membran selbst: Will man so kleine Moleküle zuverlässig abtrennen, benötigt man eine Membran mit Poren, die kleiner sind als die Moleküle, die man abtrennen möchte.

Außerdem müssen alle Poren möglichst gleich groß sein, da eine einzelne größere Öffnung ausreicht, um Moleküle hindurchrutschen zu lassen. Die Herausforderung lag also darin, möglichst kleine Poren zu erzeugen, die alle mehr oder weniger gleich groß sind. „Über eine Weiterentwicklung der Sol-Gel-Technik ist uns dies gelungen“, erklärt Richter.

Die zweite Hürde lag darin, solche Membranschichten defektfrei über größere Flächen herzustellen. „Während üblicherweise nur wenige cm² große Flächen beschichtet werden, haben wir eine Pilotanlage mit einer Membranfläche von 234 m² ausgerüstet – unsere Membran ist also mehrere Größenordnungen größer“, sagt Puhlfürß.

Pilotanlage in Kanada reinigt Abwasser aus der Ölförderung

Die besagte Pilotanlage wurde im Auftrag von Shell von der Firma Andreas Junghans gebaut und steht im kanadischen Alberta. Hier reinigt sie bereits seit 2016 erfolgreich Abwasser, das bei der Förderung von Öl aus Ölsand verwendet wird. Derzeit planen die Forscher eine erste Produktionsanlage mit einer Membranfläche von mehr als 5000 m².

Auch in industriellen Produktionsprozessen bringen die neuartigen keramischen Membranen den Forschern zufolge Vorteile: Mit ihnen ließen sich Teilströme direkt im Prozess reinigen und das gereinigte Wasser lasse sich im Kreislauf führen – was Wasser und Energie spare.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke MM Maschinenmarkt.

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