Nachhaltige Kompositmembranen mithilfe von Schrimps
Aus Abfallstoffen wird ein umweltfreundliches Filtersystem für industrielle Anwendungen hergestellt
Mit Hilfe von Krabbenschalen, Pflanzenextrakten und recyceltem Kunststoff haben Forscher der KAUST eine nachhaltige Dünnschicht-Verbundmembran entwickelt, die herkömmliche Membranen ersetzen könnte, die die Umwelt stärker belasten.
Symbolbild
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Dünnschicht-Verbundmembranen werden häufig in Anwendungen wie der Abwasserbehandlung, der Gastrennung und der chemischen Produktion eingesetzt. Sie bestehen aus einem porösen Träger, der von einer ultradünnen Schicht mit nanoskaligen Poren bedeckt ist, die Moleküle und winzige Partikel einschließen können, während flüssige Lösungsmittel durchgelassen werden.
Die meisten dieser Membranen werden aus Materialien hergestellt, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden, von denen einige giftig sind. Ein Forscherteam unter der Leitung von Gyorgy Szekely machte sich daher daran, diese Membranen mit umweltfreundlichen Materialien und Verfahren neu zu gestalten.
Das Team stellte den porösen Träger aus recyceltem Kunststoff her und beschichtete ihn mit einem natürlichen, ungiftigen Polymer namens Chitosan, das aus Krabbenschalen gewonnen wird. Die National Aquaculture Group (Naqua) in Saudi-Arabien produziert jährlich etwa 50.000 Tonnen Garnelenschalenabfälle, aus denen 135 Tonnen Chitosan pro Jahr hergestellt werden.
Um Chitosan zu einer nanoporösen Membran zu formen, vernetzte das Team die Polymerketten mit 2,5-Furandicarboxaldehyd (FDA), einem Molekül, das in umweltfreundlichen Verfahren aus Pflanzenabfällen gewonnen wird. Die Forscher wählten Eukalyptol, das aus den Blättern des Eukalyptusbaums gewonnen wird, als Lösungsmittel für diese Reaktion. Außerdem verwendeten sie einen Katalysator namens TMG, eine umweltfreundlichere Alternative zu den aggressiven Verbindungen, die normalerweise zur Beschleunigung der Vernetzung eingesetzt werden.
"Die Umwandlung von reichlich vorhandener Abfallbiomasse in wertschöpfende Materialien, wie diese Membran, löst nicht nur ein Problem der Abfallwirtschaft, sondern erzeugt auch ein wertschöpfendes Produkt", sagt Szekely. Die Verwendung von Abfallstoffen bedeutet auch, dass die Kosten der neuen Membran mit denen herkömmlicher Membranen vergleichbar sind, fügt er hinzu.
Nach der Optimierung des Membranvorbereitungsprozesses testeten die Forscher die Membranen mit einem Lösungsmittel namens Aceton, das Polystyrolmoleküle unterschiedlicher Länge sowie ein kleineres Molekül namens Methylstyroldimer enthält.
Die Membran ließ Aceton mit einer ähnlichen Geschwindigkeit durchfließen wie herkömmliche Membranen. "Sie kann auch Moleküle in der Größe von Farbstoffen oder pharmazeutischen Wirkstoffen herausfiltern", sagt Cong Yang, ein Doktorand des Teams. "Daher ist diese Membran praktisch für die biomedizinische, textile, pharmazeutische oder Lebensmittelindustrie einsetzbar."
Die Forscher zeigten auch, dass sie die Eigenschaften der Membran mit einem ungiftigen Lösungsmittel namens TamiSolve fein abstimmen können. Sie hoffen nun, mit lokalen Garnelenfarmen zusammenzuarbeiten, um eine nachhaltige Versorgung mit Chitosan zu gewährleisten, und Verfahren zur Herstellung der Membranen in größerem Maßstab zu entwickeln.
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