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Hier wird getrennt, was nicht zusammen gehört

Chemiker der TU Chemnitz entwickeln Zeolithmembranen zur Stofftrennung mit optimierten Eigenschaften

  • Eine in Chemnitz hergestellte Membran unter dem Elektronenmikroskop. Um die Dicke der Membran zu zeigen, wurde diese gebrochen. Die Bruchkante verläuft horizontal im unteren Viertel des Bildes. Oberhalb ist die Oberseite der Membran zu sehen. Dort sind die miteinander verklebten Partikel zu erkennen, die aus der Membran herausragen. Bild: Professur Physikalische Chemie
  • An der Bruchkante der Membran sind die verklebten Partikel einzeln zu erkennen. Die Pfeile zeigen die Flussrichtung von Gasen, die durch die Membran voneinander getrennt werden. Bild: Professur Physikalische Chemie

Beim Kaffeekochen lässt die Filtertüte das flüssige Getränk durch, die Kaffeekörner hält sie zurück. Dieser Vorgang ist ein alltägliches Beispiel eines Membrantrennverfahrens: Der Kaffeefilter ist eine Membran, die Partikel und Flüssigkeit voneinander trennt. Membrantrennverfahren gelten als besonders schonende und energieeffiziente Methoden zur Trennung von Gemischen. Moderne Spezialmembranen vermögen nicht nur Partikel von Flüssigkeiten zu trennen, sondern auch Substanzen anhand der Eigenschaften ihrer Moleküle voneinander zu unterscheiden. Sie können so zum Beispiel Sauerstoff oder Kohlendioxid von Stickstoff, aber auch Alkohol oder Salz von Wasser trennen. Folglich werden Membrantrennverfahren heutzutage zur Gasreinigung, Konzentration von Bioalkohol und zur Wasserentsalzung eingesetzt. Eine vielversprechende Materialklasse zur Herstellung solcher Membranen sind Zeolithe. Forscher am Institut für Chemie der Technischen Universität Chemnitz haben ein neues Verfahren zur Herstellung solcher Zeolithmembranen entwickelt.

Zeolithe sind anorganische Materialien, enthalten also keinen Kohlenstoff. Sie haben eine starre Gerüststruktur. Diese enthält einheitliche Hohlräume, die in der Größe passende Moleküle durchlassen, zu große Moleküle jedoch ausschließen. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie auch als Molekülsiebe bezeichnet. Bekannt sind Zeolithe als Trockenhaltemittel zum Beispiel in der Versandverpackung elektronischer Geräte und als weichpflegende Mineralien, die zur Wasserentkalkung Waschmitteln zugegeben werden. Aus Zeolithen können sehr gute Trennmembranen hergestellt werden. Allerdings ergibt sich ein grundsätzliches Problem: Die erwünschte starre Gerüststruktur, die dafür sorgt, dass die Hohlräume im Inneren des Zeolithes stabil bleiben, bewirkt auch, dass Zeolithmembranen vergleichsweise spröde sind, also leicht Risse bekommen und so unbrauchbar werden.

Genau hier setzen die Chemnitzer Chemiker an: "Das neue Herstellungsverfahren beruht darauf, dass wir spröde Zeolithpartikel mit günstigen Trenneigenschaften und ein aushärtbares Öl auf einer Wasseroberfläche nebeneinander ausbreiten", beschreibt Ina Kiesow, Doktorandin an der Professur Physikalische Chemie und an der Entwicklung maßgeblich beteiligt. "Hierbei ordnen sich die Partikel und das Öl durch Selbstorganisation so an, dass sie eine gemischte Schicht bilden, in der jedes Partikel seitlich lückenlos vom Öl eingefasst ist, aber oben und unten daraus herausragt", erklärt sie weiter. Durch Aushärten des Öls zu einem bruchstabilen Kunststoff entsteht eine Membran. Ihre mechanischen Eigenschaften kommen denen des Kunststoffes nahe. Die guten Trenneigenschaften der Partikel bleiben dabei erhalten.

"Die neue Membran ist vergleichsweise robust und zeigt Trenneigenschaften, die denen der Zeolithe entsprechen", fasst Lutz Reinhardt zusammen. Er ist ebenfalls als Doktorand an der Professur Physikalische Chemie an der Entwicklung beteiligt und berichtet: "Wir haben zur Zeit ein beispielhaftes System realisiert und dieses zur Lufttrocknung verwendet. Nun gilt es, die vielfältigen Variationsmöglichkeiten in Struktur und Eigenschaften der beiden Bestandteile zu nutzen." Durch eine Kombination entsprechend ausgewählter Eigenschaften beider Materialien wollen die TU-Chemiker Membranen für unterschiedliche Trennaufgaben erzeugen. "Die neuen Membranen werden sicherlich eine Anwendung in der Gastrennung, Wasserreinigung und Wasserentsalzung finden können", so Reinhardt.

Die ersten Ergebnisse der Chemnitzer Forschergruppe wurden in den amerikanischen Fachzeitschriften "Journal of the American Chemical Society" und "Langmuir" veröffentlicht.

Die beiden Publikationen:

Ina Kiesow, Dawid Marczewski, Lutz Reinhardt, Marcel Mühlmann, Mario Possiwan, Werner A. Goedel: "Bicontinuous zeolite-polymer-composite membranes prepared via float-casting", Journal of the American Chemical Society 2013, 135, 4380-4388; DOI: 10.1021/ja311785f

Marcel Mühlmann, Annemarie Magerl, Werner A. Goedel: "Preparation of Composite Membranes with Bicontinuous structure", Langmuir 2012, 28, 8197-8204; DOI: 10.1021/la300355h

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Werner A. Goedel, Telefon 0371 531-31713, http://www.tu-chemnitz.de/physchem. Bei ihm können auch die beiden Fachartikel angefordert werden.

Katharina Thehos
14.05.2013

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