Membranadsorber

Mithilfe sogenannter Membranadsorber können Filtration und Adsorption in einem einzigen Prozess miteinander kombiniert werden. Dieses Konzept wird vor allem im Downstream Processing in der Biotechnologie verwendet, um niedrige Konzentrationen von kleinen Molekülen mithilfe von Mikrofiltration zu trennen – insbesondere dann, wenn man nur mit geringem Druck arbeiten kann. Am Fraunhofer IGB arbeiten wir daran, dieses Konzept auf die Behandlung von Wasser zu übertragen. So lassen sich kleinste Konzentrationen von Mikroschadstoffen abtrennen und Materialkreisläufe in Produktionsprozessen und im Recycling schließen.

Am Fraunhofer IGB entwickeln wir Nanopartikel mit speziellen Bindungsstellen für verschiedene Substanzen. Durch die Einbettung solcher Partikel im Membranen können maßgeschneiderte Membranadsorber hergestellt werden. Die Produktion solcher Partikel gelingt uns mittels Miniemulsionspolymerisation. Im Anschluss dispergieren wir die Partikel in den Vorläuferlösungen der Membranen. Somit betten wir die Partikel im Zuge des Phaseninversionsverfahrens in die poröse Struktur der Membranen ein (Abb. 1).

Für die Abtrennung von Metallionen haben wir Partikel mit Ionenaustauschfähigkeiten, schwefelhaltige Thioharnstoffgruppen und Chelatgruppen entwickelt. Mit solchen Membranadsorbern können wertvolle Metalle wie Silber (Abb. 2), Kupfer oder Seltene Erden getrennt werden. Diese Entwicklungen sind Teil des Fraunhofer-Projektes »Molecular Sorting«.

Die zunehmende Verunreinigung von Wasser mit kontaminierenden Substanzen sowohl natürlichen Ursprungs als auch aus industriellen Prozessen wird voraussichtlich eines der dringendsten Umweltprobleme in den kommenden Jahrzehnten darstellen. Solche Stoffe lassen sich in niedrigen, aber steigenden Konzentrationen sowohl in Oberflächenwasser, Grundwasser, Trinkwasser und in Abwasser nachweisen. Aufgrund ihrer geringen Konzentrationen, die typischerweise im Bereich von lg L-1 bis ng L-1 liegen, werden diese Substanzen als Mikroschadstoffe bezeichnet. Sie zeigen auch bei Konzentrationen im ppt- oder ppb-Bereich erhebliche toxische oder anderweitig negative Effekte.

Adsorptionsexperimente mit Bisphenol zeigten, dass partikelbeladene Membranen im Vergleich zu einfachen Membranen eine höhere Adsorptionskapazität aufweisen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Membranen durch eine pH-Verschiebung vollständig regeneriert werden und somit mehrfach verwendet werden können. Bei der Mikrofiltration zeigen die behandelten Membranen eine hohe Permeationsleistung und sie haben die Fähigkeit, Stoffe mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Bisphenol A und Penicillin G (Kaliumsalz) in einem einzigen Schritt selektiv zu adsorbieren (Abb. 3). Dieses Konzept ermöglicht die Herstellung von Membranadsorbern mit verbesserten oder völlig neuen Selektivitäten durch Einbettung verschiedener Arten von Polymer-Nanosphären mit unterschiedlichen chemischen Affinitäten in bestimmte Substanzklassen in einer Membran.

Dieses Konzept wird weiterentwickelt und mit einer zusätzlichen Beschichtung der porösen Membranstruktur kombiniert, um zu die Flexibilität und die Selektivität zu erhöhen. Die Forschungsarbeit hierfür wird im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts POLINOM.

• Niedergall, K., et al. (2016). "Mixed-Matrix Membrane Adsorbers for the Selective Binding of Metal Ions from Diluted Solutions." Chemie- Ingenieur-Technik 88(4): 437-446.
• Niedergall, K., et al. (2014). "Removal of micropollutants from water by nanocomposite membrane adsorbers." Separation and Purification Technology 131: 60-68.
• Niedergall, K., et al. (2013). "Nanostructured Composite Adsorber Membranes for the Reduction of Trace Substances in Water: The Example of Bisphenol A." Industrial & Engineering Chemistry Research 52(39): 14011-14018.