Eine „Molekülautobahn“ mit Hochleistung könnte industrielle Prozesse revolutionieren
Eine neue Membrantechnologie, die eine schnellere und präzisere Molekültrennung ermöglicht, könnte die Effizienz und Nachhaltigkeit energieintensiver industrieller Prozesse verbessern
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Forscher des Fachbereichs Chemieingenieurwesen der University of Queensland haben eine Technologie entwickelt, mit der Moleküle effizient durch Membranen transportiert werden können, ohne die Trennleistung zu beeinträchtigen.
Der Chemieingenieur Professor Xiwang Zhang, Direktor des UQ Dow Centre for Sustainable Engineering Innovation und des ARC Centre of Excellence for Green Electrochemical Transformation of Carbon Dioxide, erklärte, dieser Durchbruch löse ein seit langem bestehendes Problem in der Membrantechnologie.
„Wenn Moleküle sich schneller bewegen können und dabei eine außergewöhnliche Trennpräzision erhalten bleibt, lässt sich der Energieverbrauch in diesen industriellen Prozessen potenziell senken“, sagte er.
„Die Industrie benötigt Membranen, die große Materialmengen schnell verarbeiten können und gleichzeitig nur die gewünschten Moleküle durchlassen.
„Je schneller sich Moleküle jedoch durch eine Membran bewegen, desto schwieriger wird es, sie präzise zu trennen.
„Die Überwindung dieses Zielkonflikts war eine der größten Herausforderungen in der Membranwissenschaft.“
Um das Problem anzugehen, untersuchten die Forscher das Innere der Membran selbst und konzentrierten sich dabei auf winzige Kanäle, die weniger als einen Nanometer breit sind – etwa 100.000 Mal dünner als ein menschliches Haar.
„Diese Kanäle sind wie ‚molekulare Autobahnen‘ und ein entscheidender Bestandteil der Membrantechnologie, stellen jedoch oft Reibungs- und Adhäsionsbarrieren dar“, sagte Professor Zhang.
„Es ist sehr schwierig, diese Autobahn neu zu gestalten, daher stellten wir eine einfache Frage: Anstatt nur die Größe oder die chemische Zusammensetzung dieser Autobahnen zu verändern, könnten wir sie dynamisch gestalten, damit sich Moleküle schneller bewegen können?
„Das Einbringen von sich selbst drehenden Ammoniumionen in die Nanokanäle könnte den Molekültransport drastisch verbessern.
„Die natürliche Beweglichkeit der Ammoniumpartikel trug dazu bei, einen ehemals starren, statischen Kanal in eine dynamische Transportumgebung umzuwandeln, die eine verbesserte Energieübertragung und effiziente Bewegung fördert.
„Die sich selbst drehenden Moleküle sind wie ein Drehkreuz, das uns hilft, den Molekülverkehr präzise zu regulieren und gleichzeitig die Moleküle schnell in Bewegung zu halten.
„Im Wesentlichen haben wir die Transportwege so verbessert, dass wir das Beste aus beiden Welten erhalten: Geschwindigkeit und Selektivität.“
In Experimenten zur Trennung von Ethanol und Wasser konnten die Forscher eine zehnfache Verbesserung der Trenngenauigkeit im Vergleich zu einer Standard-Filtrationsmembran nachweisen.
„Unsere neue Membran steigerte den Wassertransport um etwa 44 Prozent und reduzierte den Ethanoltransport um 90 Prozent“, sagte Professor Zhang.
Professor Zhang erklärte, der nächste Schritt bestehe darin, die Technologie in praktische Anwendungen umzusetzen, darunter energieeffiziente industrielle Trennverfahren, Rückgewinnung von Ressourcen, CO₂-Verwertung und Umweltschutz.
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