20.07.2022 - Universität Duisburg-Essen

Wasserfilter aus Graphenoxid: Nur nicht zu viele Löcher

„Überraschend war, dass die Wasserdurchflussmenge ab einer gewissen Porendichte nicht mehr ansteigt, sondern abnimmt und sogar ganz versiegt“

Etwa zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt, rund 97 Prozent davon sind Salzwasser. Um den immer höheren Bedarf an Trinkwasser zu decken, muss die Entsalzung optimiert werden. Ein Team aus deutschen (Universität Duisburg-Essen, UDE), australischen und französischen Wissenschaftler:innen konnte mit seiner Forschung zu Graphenoxid jetzt zeigen, warum mehr und dicht nebeneinanderliegende Löcher in der Filtermembran nicht die Lösung sind. Die Ergebnisse wurden in Nano Letters veröffentlicht.

Entsalzung basiert auf zwei unterschiedlichen Verfahren: entweder auf Verdampfung und anschließender Kondensation oder auf Umkehrosmose. Bei Letzterer wird Wasser unter Druck durch eine Membran gepresst, die das flüssige Element durchlässt und Salze zurückhält. Diese Filterung ist zwar technisch anspruchsvoller, verbraucht aber weniger Energie als Erhitzen und Verdampfen.

Membranen aus mehreren Lagen Graphenoxid – das nur eine Atomlage „dick“ ist – haben sich bei der Umkehrosmose als äußerst effiziente Filter erwiesen. Sie ermöglichen eine kostengünstige und ressourcenschonende Wasserentsalzung. Die Wissenschaftler:innen der UDE, der University of New South Wales sowie des Grand Accélérateur National d'Ions Lourds fanden nun heraus, wie sich die Transporteigenschaften durch zusätzliche Poren im Material gezielt manipulieren lassen.

Die Idee der Forschenden, um den Prozess zu optimieren: schlitzförmige Poren mittels Ionenbestrahlung in die Lagen einbringen. Und tatsächlich: Das Wasser fließt schneller durch den Filter – bis zu einem bestimmten Punkt. „Überraschend war, dass die Wasserdurchflussmenge ab einer gewissen Porendichte nicht mehr ansteigt, sondern abnimmt und sogar ganz versiegt“, erklärt Graphen-Expertin Prof. Marika Schleberger (UDE). Der Grund: Der Ionenbeschuss, durch den die Löcher hergestellt werden, erwärmt die Ränder der Poren – und zerstört bei zu vielen und zu dicht aneinander liegenden Poren die chemischen Gruppen wie z.B. Hydroxylgruppen oder Carbonsäuren. Aus Graphenoxid wird Graphen und der Wasserfilm, der sich zwischen den Lagen bildet, bewegt sich nicht mehr. Erst durch die chemischen Gruppen bricht dieser Wasserfilm auf, „das Wasser bindet sich über Wasserstoffbrückenbindung und wechselt so in die nächste Lage“, so die Experimentalphysikerin weiter. Dieses Wissen half den Wissenschaftler:innen ein Optimum zu finden, bei dem ausreichend Graphenoxid vorhanden ist und dennoch genügend Löcher für den schnelleren Durchfluss eingebracht werden können. „Die Ergebnisse sind wichtig für maßgeschneiderte Graphenoxid-Membranen, zum Beispiel für die Energieumwandlung, elektrochemische Katalyse und Biomedizin.“

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