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Antibiofouling Nanopatterned Electrospun Membranes for Nanofiltration Applications

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Neuer von der Natur inspirierter Membranfilter bietet neue Hoffnung für das Wasserrecycling

Wasser bedeckt 70 % der Erde, davon sind jedoch lediglich 3 % Frischwasser. Zwei Drittel davon befinden sind in gefrorenen Gletschern, die nicht zur Verwendung verfügbar sind. Da die Welt zunehmend Wassermangel und Wasserknappheit erlebt, werden intelligente Lösungen dringend benötigt. Recycling und Meerwasserentsalzung werden zu einem erforderlichen Bestandteil der Wasserinfrastruktur. Im Projekt ANEMONE wurde eine Wasserrecyclinglösung ersonnen, die bisherige Hürden überwindet.

Klimawandel und Umwelt
Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Wassermangel ist ein zunehmendes weltweites Problem. Die schnelle Verstädterung, das Bevölkerungswachstum und die Auswirkungen des Klimawandels führen allesamt zu einer Wassernachfrage, die das Angebot übersteigt. Manche Regionen der Welt reagieren darauf mit Wasserrecycling und Meerwasserentsalzung. Was das Wasserrecycling für sicheres Trinkwasser anbelangt, hängen die verfügbaren Optionen immer mehr von der Membranfiltration ab. Obwohl diese Systeme effektiv sind, steigen die Betriebskosten aufgrund des Energiebedarfs für eine sichere Verarbeitung zu stark an, als dass eine breite Übernahme möglich wäre – insbesondere in den weniger industrialisierten Teilen der Welt, in denen die Systeme am meisten gebraucht werden.

Eine praktische Lösung für Anwuchs

Die Membranfiltration ist überaus wirksam für die Wasseraufbereitung zur Herstellung sehr sauberen Wassers, da die kleinen Poren des Membranfilters eine effektive Barriere für Partikel und Krankheitserreger schaffen. Sie kann auch zum Entfernen von aus dem Wasser gelöstem Salz und in manchen Fällen zum Entfernen von organischen Schadstoffen verwendet werden. Der hohe Druck, der für den effektiven Prozessbetrieb oftmals erforderlich ist, macht das Verfahren jedoch energieintensiv und dementsprechend kostspielig. Ein weiteres gängiges Problem ist Anwuchs (Fouling), bei dem sich Mikroorganismen an die Membran anhaften und vermehren, sodass die Wirksamkeit der Membranen sinkt und Ausfallzeiten zur Reinigung erforderlich sind. Seit Kurzem wird vermehrt auf Materialien zurückgegriffen, die von Natur aus resistent gegenüber Anwuchs sind, um die Biofilmbildung zu hemmen oder zu reduzieren. „Eine Strategie ist die Herstellung von Materialien, die eine Oberflächenstruktur im Nanomaßstab haben, welche nicht nur den Anwuchs reduziert, sondern auch antibakteriell ist, um den bakteriellen Tod durch die Ausdehnung deren Zellen über die nanostrukturierte Oberfläche zu induzieren“, sagt der EFR-Stipendiatin Eoin Casey vom University College Dublin. Über das EU-unterstützte Projekt ANEMONE (Antibiofouling Nanopatterned Electrospun Membranes for Nanofiltration Applications) stellte das Team von Casey polymerbasierte Membranen her, die von den Flügeln der Zikade inspiriert sind. Hierzu wurde Elektrospinnen verwendet, eine Methode für die Herstellung von Nanofasern. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der auf die Einbindung in Wasserfiltrationstechnologien ausgelegten Fasern lassen sich anpassen. Die aus zähflüssigen Polymerlösungen hergestellten Fasern mit einem Durchmesser von bis zu 20 nm (Nanometer) erfüllen nicht nur die Anforderungen an die Membranfiltration, sondern wiesen auch inhärent antibakterielle Effekte und Wirkungen gegen den Anwuchs auf – dies ist entscheidend für die Herstellung erschwinglichen sauberen Trinkwassers. Die Arbeit von ANEMONE beruhte auf der vorhergehenden Forschung des Teams an der grundlegenden Mechanik, die am Membrananwuchs beteiligt ist, welche im Rahmen des EFR-finanzierten Projekts AFFIRM durchgeführt worden war. Durch dieses Projekt konnte das Team profunde Kenntnisse über das exakte Bakterienverhalten in der einzigartigen Umgebung der Flüssigmembranschnittstelle gewinnen. „Unsere Tests im kleinen Maßstab in einer Laborumgebung waren aussichtsreich und werden dem Team jetzt ermöglichen, sich der Herstellung fortschrittlicherer Prototypen der Technologie zuzuwenden“, sagt Casey.

Kritische Technologie für das Wasserrecycling

Falls Bevölkerungen vor Umweltbedrohungen wie Wasserknappheit geschützt werden sollen, wird die Entwicklung und Unterstützung neuer und aufstrebender wirtschaftlich lebensfähiger Umwelttechnologien erforderlich sein. Die Technologie von ANEMONE wird die Herstellung sauberen Wassers zu reduzierten Kosten mit weniger Chemikalieneinsatz ermöglichen, und verspricht somit, besser für die öffentliche Gesundheit und Umwelt zu sein. Das Team entwickelt jetzt einen Prototypen, um Tests in realen Wassersystemen durchzuführen. Die Demonstrationsdaten werden den Konzeptnachweis für potenzielle Partner oder Investoren liefern.

Schlüsselbegriffe

ANEMONE, Trinkwasser, Wassermangel, Wasserknappheit, Recycling, Entsalzung, Membran, Zikade, Nanomaßstab, Anwuchs, antibakteriell, Filtration

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