Molecular Sorting – Membranadsorber für die Abtrennung von Wertstoffen und Mikroschadstoffen

Für die Wasserfiltration stehen heute bereits unterschiedliche Membrantypen kommerziell zur Verfügung. Gemeinsam ist diesen Membranen, dass im Wesentlichen unterschiedliche Trenngrenzen für einen Größenausschluss genutzt werden. Die darunterliegende poröse Struktur, die eine hohe spezifische Oberfläche bietet, bleibt dagegen ungenutzt. Membranen für die Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) können zwar molekulare und ionische Stoffe teilweise zurückhalten dafür sind aber hohe Drücke notwendig, was sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten in die Höhe treibt.

Adsorber können prinzipiell für die Entfernung von molekularen Störstoffen genutzt werden. Typische Adsorbermaterialien sind mikroporös, um eine große spezifische Oberfläche für die Adsorption bieten zu können. Ein Nachteil dieser Materialien ist der limitierte Massetransport, da die Mikroschadstoffe in die innere poröse Struktur der Adsorbentien diffundieren müssen.

Es gibt deshalb einen Bedarf an neuen integrierten Trennsystemen. Wir entwickeln dafür mit Partikeln gefüllte Mixed-Matrix-Membranen, die zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden können.

Dazu werden, über eine Miniemulsionspolymerisation, funktionelle Sub-Mikropartikel hergestellt. Diese sind zwischen 50 nm und 500 nm groß und können aus einer Vielzahl unterschiedlicher, kommerziell erhältlicher Monomere synthetisiert werden. Die Partikel bieten den besten Kompromiss aus spezifischer Oberfläche, Sicherheit und Funktionalität und sind mit dem Phaseninversionsprozess zur Herstellung von porösen Membranen kompatibel.

Durch die Variation der Partikeloberfläche und die Kombination unterschiedlicher Partikel stellen wir Membranadsorber her, deren Trenneigenschaften flexibel für Anwendungen in den Bereichen Trinkwasser, Prozesswasser und Abwasser angepasst werden können.

Mittlerweile steht eine ganze Reihe von Partikeln mit unterschiedlichen funktionellen Oberflächengruppen zur Verfügung. Das Spektrum der funktionellen Gruppen reicht dabei von eher hydrophobem Pyridin, über kationische Ammoniumverbindungen bis hin zu anionischen Phosphonaten oder auch Schwefelharnstoff.

Die Partikel wurden in einem ersten Schritt in Polyethersulfon-Flachmembranen über einen Phaseninversionsprozess eingebettet. Dabei zeigte sich, dass bis zu 40 Gewichtsprozent der Partikel quantitativ in die Membranen eingebaut werden können. Die Partikel befinden sich überwiegend gut zugänglich im Innern der Poren. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass sich unterschiedliche Partikel in einer Membran kombinieren lassen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel verschiedene Mikroschadstoffe mit nur einem Membranadsorber entfernen [1].

Vergleicht man das Adsorptionsverhalten von Silber an verschiedenen Membranadsorbern, so ist zu erkennen, dass die Referenzmembran ohne Partikel praktisch keine unspezifische Adsorption zeigt. Dagegen bindet die Membran mit Schwefelharnstoffgruppen selektiv über 0,8 g Silber pro m2.

Vergleicht man dagegen das Adsorptionsverhalten unterschiedlicher Metallionen an einem Phosphonat-Membranadsorber, so sieht man, dass Silber daran praktisch nicht gebunden wird, während Kupfer und insbesondere Blei daran sehr gut adsorbiert werden (z. B. über 5 g Blei pro m2).

Wichtig für die Wirtschaftlichkeit der Membranadsorber ist die Regenerierbarkeit der Systeme. Wir konnten bisher bei allen untersuchten Adsorptionen geeignete Lösungen für eine quantitative Desorption finden. So lässt sich z. B. Kupfer mithilfe kleiner Mengen verdünnter Salpetersäure vollständig von dem Membranadsorber entfernen. Damit ist eine Voranreicherung des Kupfers um den Faktor 100 möglich. Aber auch Membranadsorber für Mikroschadstoffe wie Bisphenol A können durch einen pH-Shift vollständig regeneriert werden [1].

In weiterführenden Arbeiten wollen wir das Prinzip der hier vorgestellten Membranadsorber auf Hohlfasermembranen übertragen. Dadurch werden sowohl eine höhere spezifische Trennfläche als auch ein höheres spezifisches Adsorptionsvolumen möglich. Die resultierenden Systeme sollen dann genutzt werden, um toxische Stoffe wie Mikroschadstoffe oder Schwermetalle direkt an ihrem Verbrauchsort (Point of Use) aus Trinkwasser zu entfernen. Auch für die Rückgewinnung wertvoller Metalle wie Seltener Erden aus Prozessströmen können die Membranadsorber-Systeme eingesetzt werden.

[1] Niedergall, K.; Bach, M.; et al. (2014) Removal of micropollutants from water by nanocomposite membrane adsorbers, Separation and Purification Technology 131: 60-68

[2] Niedergall, K.; Kopp, D.; et al. (2015) Mixed-matrix membrane adsorbers for the selective binding of metal ions from diluted solutions, Chemie Ingenieur Technik (eingereicht)