Wasserfiltration mit hoher Durchflussleistung

Sabine Paulussen vom NANOPUR-Projekt sprach mit dem Magazin research*eu Ergebnisse über die im Rahmen des Projekts entwickelte innovative Membranlösung zur Wasserfiltration.

Wassermangel und eine stetig wachsende Bevölkerung sind eine schlechte Kombination, welche die Gesellschaft vor große Herausforderungen stellt: Wie kann die Produktivität von Wasserfiltrationssystemen unter Aufrechterhaltung höchster Standards für die Trinkwasserreinheit verbessert werden? Das NANOPUR-Projekt bietet eine Lösung in Form einer neuen Membran, die in den kommenden zwei bis fünf Jahren marktfähig sein soll.

Wir Europäer benutzen Tag für Tag ganz mechanisch fließendes Wasser. Wir trinken nicht nur wie selbstverständlich Leitungswasser, sondern stellen auch dessen Ursprung und Qualität kaum in Frage. In folgender Hinsicht funktionieren die verfügbaren Technologien zufriedenstellend: Hinter den Kulissen reinigen Filtrations- und Reinigungsprozesse Wasser, um Spuren von Mikroschadstoffen und Viren zu entfernen, damit dieses wieder trinkbar wird. Dank dieser Prozesse, die eine membranbasierte Filtration beinhalten, können beispielsweise pharmazeutische Produkte, endokrin wirksame Stoffe, Pestizide und Industriechemikalien sicher aus dem behandelten Wasser entfernt werden.

Sind die aktuellen Technologien aber wirklich effizient? Laut Sabine Paulussen, Leiterin des NANOPUR-Projekts (Development of functionalized nanostructured polymeric membranes and related manufacturing processes for water purification), übersteigen verschiedene Mikroschadstoffe im Oberflächenwasser nach wie vor gesundheitsgefährdende Grenzwerte ("Human Health Limits", HHL). Dies verdeutlicht, dass eine zuverlässige Behandlung von Trinkwasser erforderlich ist, um Konsumenten vor möglichen Gesundheitsrisiken zu schützen.

Ein weiteres Problem besteht in der Verschmutzung von Filtermembranen: Heutige Membranprozesse setzen auf Größenausschlussverfahren. Die Poren der Filtermembranen liegen sehr dicht beieinander. Dies bedeutet, dass der Wasserdurchfluss durch die Membranen stark begrenzt wird. Der Filtrationsprozess ist daher nicht so effizient, wie er sein könnte. Und bei einem steigenden Frischwasserbedarf der Gesellschaft sowie einer zunehmenden Wasserknappheit können diese Defizite zu einem Problem werden.

Mit dem Ziel, diese Herausforderungen anzugehen, werden im Rahmen des NANOPUR-Projekts künstliche Membranen entwickelt, die die Selektivität biologischer Membranen mit der mechanischen Robustheit und Produktivität künstlicher Membranen kombinieren. Das Projekt stellt eine Selektivität gegenüber 99,99999 % der Krankheitserreger und gegenüber 99 % der Mikroschadstoffe, einschließlich einer verbesserten Durchlässigkeit und einem verringerten Energieverbrauch, in Aussicht.

Sabine Paulussen erklärt, warum die neuen Membranen so innovativ sind und geht auf zukünftige Schritte ein, um die Membranen auf den Markt zu bringen.

Was sind die Hauptziele des Projekts?Das NANOPUR-Projekt zielt auf die Entwicklung nanostrukurierter and nanofunktionalisierter Membranen entweder für "Point of Entry"- (POE) oder für "Point of Use"-Anwendungen (POU) ab, welche in der Lage sind, Viren und organische Mikroschadstoffe aus dem Wasser zu entfernen.

Das zentrale Konzept besteht darin, den Ärger zu überwinden, der hinsichtlich der Gewinnung sicheren und sauberen Trinkwassers im Zusammenhang mit der scheinbar unzertrennlichen Korrelation zwischen einer erhöhten Rückhaltung und einem geringeren Wasserdurchfluss durch die Membran entsteht. Die im Zuge des NANOPUR-Projekts entwickelten Membranen zeichnen sich durch eine verbesserte Rückhaltung von Viren und Mikroschadstoffen aus, während durch die Reduzierung von Membranverunreinigungen ein hoher Durchfluss erreicht und aufrechterhalten werden kann.

Unter dieser Zielsetzung werden nanostrukturierte, verunreinigsresistente Membranen basierend auf grundlegenden Synthesemethoden entwickelt, damit eine bessere Porositätskontrolle, Porengrößenverteilung, hierarchische Porenausrichtung, Oberflächenstabilität und Oberflächenenergie erreicht werden kann. Es werden gleichzeitig Liganden zur supramolekularen Erkennung, insbesondere "molekular geprägte Polymere" (Molecularly Imprinted Polymer, MIP), entwickelt und auf den neu entwickelten Membranen immobilisiert, um eine effektive Rückhaltung von Viren und Mikroschadstoffen zu erzielen.

Mit welcher Leistung rechnen Sie im Vergleich zu bestehenden Technologien?

Heutzutage werden bereits Membranprozesse (Umkehrosmose) zum Entfernen von Mikroschadstoffen und Viren angewandt, diese setzen allerdings auf den Größenausschluss. In Anbetracht der geringen Größe von Viren und vor allem von Mikroschadstoffen müssen Membranen mit sehr engen Poren verwendet werden, die Hochdruckprozesse und einen geringen Wasserdurchfluss durch die Membran erforderlich machen. Außerdem sind regelmäßige Reinigungen notwendig. Das NANOPUR-Konzept zielt darauf ab, eine Lösung zur Überwindung dieser Probleme zu bieten.

Ferner möchten wir einen um bis zu 500-mal geringeren Energieverbrauch als bei Umkehrosmoseprozessen unter Beibehaltung einer ähnlichen Rückhaltung von Viren und Mikroschadstoffen erreichen.

Was waren die Hauptschwierigkeiten bei der Entwicklung dieser Membranen?

Die Hauptschwierigkeiten entstanden im Zusammenhang mit dem Wasserdurchfluss durch die Membranen unter Beibehaltung von deren Porengröße sowie der Verbindung zwischen der Membran und den Affinitätsliganden/MIP. Beide Probleme wurden zumindest teilweise gelöst, indem atmosphärisches Plasma zur Modifikation der Oberflächenenergie der Membranen, einschließlich deren Porennetzes, sowie zur Erstellung von Funktionsgruppen an der Oberfläche angewandt wurde. Letztgenannte können als Fixpunkte zur MIP-Immobilisierung dienen.

Wie vielversprechend sind die bisher erzielten Ergebnisse?

Wir konnten in der Tat molekular geprägte Polymere auf funktionalisierten Membranen immobilisieren und eine sehr gute Rückhaltung spezifischer Mikroschadstoffe erreichen. Des Weiteren konnten diese Ergebnisse erzielt werden, ohne dass es erforderlich gewesen wäre, Druck auszuüben.

Wann wird die Technologie voraussichtlich auf den Markt kommen?

Das Projekt endet im April 2015 und wir sind zuversichtlich, dass die Technologie innerhalb der nächsten zwei bis fünf Jahre marktfähig sein wird.

Wie sehen die weiteren Schritte für das Projekt aus und haben Sie schon eine Vorstellung, wie es nach dessen Ende weitergehen soll?

In den kommenden sechs Monaten fokussieren wir uns im Zuge der Pilotphase auf das Testen der neu entwickelten Membranen. Die Membranen werden zur Behandlung von echtem Abwasser verwendet, das mit Mikroschadstoffen verunreinigt ist.

Weitere Informationen sind abrufbar unter:

NANOPUR
nur auf Englisch

Länder

Belgien