Forscher haben eine neue Membrantechnologie entwickelt, die selbst geringe Mengen an Schadstoffen energiearm aus Textilabwässern filtern soll. Vorbild für ihren Ansatz ist die Natur.
Industrielle Trennverfahren verbrauchen aktuell große Mengen an Energie und verursachen hohe ökologische Kosten. Dies betrifft zentrale Bereiche der Fertigung, von der Reinigung pharmazeutischer Wirkstoffe bis hin zur Aufbereitung von Textilabwässern.
Forscher der Nanyang Technological University und des S N Bose National Centre for Basic Sciences haben deshalb eine Alternative entwickelt. Eine neuartige Membrantechnologie soll eine präzise molekulare Sortierung ermöglichen und die Energiekosten industrieller Reinigungsprozesse drastisch senken.
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Herkömmliche Wasserfilter aus Polymeren weisen oft ungleichmäßige Poren auf, die sich durch Materialalterung verformen können. Die Forscher konstruierten daher kristalline Membranen mit starren Poren von exakt einem Nanometer Breite.
Als Vorbild dienten natürliche Aquaporine, die in biologischen Zellen den Stofftransport über ihre präzisen Dimensionen steuern. Die starre Struktur dieser sogenannten POMbranes verhindert, dass der Filter unter Belastung seine Form verliert oder an Trennschärfe einbüßt.
Wasseraufbereitung: Neue Molekularfilter dünner als ein Haar
Die beiden Forscherinnen Priyanka Dobariya und Shilpi Kushwaha nutzten für die Herstellung Polyoxometallat-Cluster (POM), die sie auf einer Wasseroberfläche zu großflächigen, ultradünnen Filmen anordneten. An diese kronenförmigen Metallcluster hefteten sie flexible chemische Ketten, um die Stabilität der Schichten zu erhöhen.
Die Länge dieser Ketten steuert exakt, wie dicht die Cluster in der fertigen Membran zusammengepackt sind. Eine engere Packung blockiert alternative Wege für die Moleküle und erzwingt den Transport direkt durch die vorgesehenen Nanoporen.
Ihre Kollegen Vinay Thakur und Raghavan Ranganathan bewiesen diese präzise Steuerung des Transports durch molekulare Computersimulationen. Die Membranen sortieren Teilchen, die sich in ihrer Masse nur um 100 bis 200 Dalton unterscheiden.
Zum Vergleich: 100 Dalton sind etwa 1,66 * 10^-25 Kilogramm. Damit erreichen sie eine etwa zehnmal bessere Trennleistung als bisher verfügbare Technologien. Zudem bleibt das Material in verschiedenen Säuregraden und unter aggressiven industriellen Bedingungen stabil.
Wirtschaftliches Potenzial und Plattform-Charakter
Besonders die indische Textilindustrie könnte durch die neue Technologie den Frischwasserbedarf senken und chemische Abfälle reduzieren. Dieser Sektor trägt mit über 2,3 Prozent zum Bruttoinlandsprodukt Indiens bei und macht etwa 13 Prozent der industriellen Produktion aus.
Der Markt hat aktuell einen Wert von 160 bis 225 Milliarden US-Dollar und soll bis zum Jahr 2030 auf 350 Milliarden US-Dollar wachsen. Die Membranen filtern Farbstoffmoleküle gezielt heraus und ermöglichen die direkte Wiederverwendung des Wassers.
Der Ansatz verspricht messbare Vorteile, da auch der indische Markt für Abwasserbehandlung in den kommenden Jahren schnell expandieren wird. Über die Textilbranche hinaus dienen die POMbranes als effiziente Plattform für den pharmazeutischen Sektor.
Sie sollen den Energiebedarf bei der Reinigung von Arzneistoffen sowie der Rückgewinnung von Lösungsmitteln bei gleichzeitig hohen Qualitätsstandards senken. Das Forschungsteam zeigt damit, wie von der Natur inspirierte Designs nachhaltige Lösungen für komplexe industrielle Herausforderungen liefern können.
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