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Membrantechnik für den Subnanometerbereich Geladene Röhrchen trennen Farbmoleküle

| Autor/ Redakteur: Heidrun Hillen* / Christian Lüttmann

Farbstoffmoleküle oder pharmazeutische Wirkstoffe sind mitunter so klein, dass sie nur schwer aus Lösungen herausgefiltert werden können. Eine HZG-Forscherin hat nun neuartige Membranen entwickelt, die mithilfe von geladenen Röhrchen selektiv bestimmte Moleküle durchlassen und andere zurückhalten. Dies soll neue Anwendungsmöglichkeiten in der Nanofiltration eröffnen.

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Der Nachweis der Membran-Nanostruktur erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie.
Der Nachweis der Membran-Nanostruktur erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie.
(Bild: HZG/Steffen Niemann)

Mainz – Membranfiltration findet in vielen Bereichen Einsatz, z.B. in der Aufreinigung von Wasser. Mithilfe von Membranen lassen sich etwa Farbstoffrückstände aus der Textilindustrie zurückhalten, sodass sie gar nicht erst ins Abwasser gelangen.

Zhenzhen Zhang, Doktorandin am HZG-Institut für Polymerforschung, hat eine neue Polymermembran entwickelt, die vielversprechend für die Abwasserreinigung sein könnte: Eine so genannte Triblockterpolymer-Membran, die organische Moleküle nach ihrer elektrischen Ladung aus wässrigen Lösungen trennt. Durch diese Funktion sollen sich organische Moleküle, die nicht größer als ein bis zwei Nanometer sind, erstmals selektiv separieren lassen.

„In meinen Versuchen konnte ich mit unterschiedlich geladenen, aber vergleichbar großen Molekülen zeigen, dass die Membran sehr spezifisch Farbmoleküle oder andere organische Moleküle, wie zum Beispiel Arzneistoffe, zuverlässig voneinander trennt“, sagt Zhang.

Die hohe Selektivität selbst bei so winzigen Molekülen macht ihre neue Membran auch für die Pharmaindustrie interessant: Organische Moleküle voneinander zu trennen und von Nebenprodukten zu reinigen ist aufgrund ihrer geringen Größe sehr anspruchsvoll. Durch die neue Membran könnten hier Kosten gespart werden.

Tunnel der Membran elektrisch aufladen

Schema Membranherstellung: 1. Synthese maßgeschneiderter Triblockterpolymere, 2. SNIPS: Die funktionellen Gruppen der Triblockterpolymere (-OH, -N) legen sich exakt in die Poreninnenseite, 3. Postfunktionalisierung: Nach Behandlung mit Methyljodid (CH3I) oder Propansulton ((CH2)3SO3) sind die Porenröhrchen positiv oder negativ geladen und lassen selektiv Farbstoffe passieren
Schema Membranherstellung: 1. Synthese maßgeschneiderter Triblockterpolymere, 2. SNIPS: Die funktionellen Gruppen der Triblockterpolymere (-OH, -N) legen sich exakt in die Poreninnenseite, 3. Postfunktionalisierung: Nach Behandlung mit Methyljodid (CH3I) oder Propansulton ((CH2)3SO3) sind die Porenröhrchen positiv oder negativ geladen und lassen selektiv Farbstoffe passieren
(Bild: Zhenzhen Zhang)

Um die neue Membran herzustellen, kombinierte Zhang die Selbstorganisation von Polymeren mit der nichtlösungsmittel-induzierten Phasenseparation, dem so genannten SNIPS-Verfahren, das am HZG entwickelt wurde. Hierzu wird zunächst ein Triblockterpolymer synthetisiert. Eine solche Polymerkette besteht aus drei Blöcken, wobei Zhang den beiden Endblöcken unterschiedliche funktionelle Gruppen zugefügt hat.

In der Membran entstehen danach Nanokanäle durch Selbstorganisation der Polymere während des SNIPS-Verfahrens. Die Triblockterpolymer-Lösung wird dazu auf ein Vlies gegossen, nach kurzer Pause ist das Lösungsmittel verdampft und das Vlies wird in ein Wasserbad getaucht. Es entstehen kleine Röhren mit identischem Durchmesser, die von der Oberfläche aus senkrecht nach unten „wachsen“. Die zuvor zugefügten funktionellen Gruppen ordnen sich selbstständig im Inneren der Röhren an und können anschließend mit positiver oder negativer Ladung versehen werden. Dabei versieht Methyljodid (CH3I) die Poren mit einer positiven Ladung und Propansulton ((CH2)3SO3) belädt die Poren negativ.

Moleküle nach Ladung trennen

Damit sich eine geordnete Trennschicht ausbildet, musste Zhang eine Vielzahl an Parametern optimieren. Erst nach zahlreichen Versuchen, in denen die Doktorandin immer wieder die Verdunstungszeit und die Lösemittel änderte, gelang es ihr, die neue isoporöse Membran mit den gewünschten Eigenschaften auszustatten.

In ihrer Studie zeigt die Forscherin mit unterschiedlich geladenen aber ungefähr gleich großen Farbstoff-Molekülen die Funktionsweise ihrer Membranen: Zum Beispiel werden einfach-positiv geladene Methylenblau-Moleküle von der positiv geladenen Membran zurückgehalten, während neutrale Riboflavin-Moleküle passieren können. Im Fall einer negativ geladenen Membran geht einfach-negativ geladenes Orange II durch, während dreifach-negativ geladene Naphthol-Grün-Moleküle zurückgehalten werden.

Prof. Volker Abetz, Leiter des HZG-Instituts für Polymerforschung, fasst zusammen: „Zhenzhen Zhang hat Grundlagenforschung betrieben, auf die wir aufbauen werden. Durch die Idee, die Poren mit positiver oder negativer Ladung zu versehen, eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten in der Nanofiltration, zum Beispiel für die chemische Industrie.“

Originalpublikation: Zhenzhen Zhang, Md. Mushfequr Rahman, Clarissa Abetz, Anke-Lisa Höhme, Evgeni Sperling, Volker Abetz: Chemically-Tailored Multifunctional Asymmetric Isoporous Triblock Terpolymer Membranes for Selective Transport, Advanced Materials Volume 32, Issue 8, February 25, 2020.; DOI: 10.1002/adma.201907014

* H. Hillen, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung, 21502 Geesthacht

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