Filter mit Gelfüllung – Mehr als nur eine Pore

Mikrogel-basierte thermoresponsive Membranen für die Wasserfiltration

25.04.2014 - Deutschland

Moderne Entwicklungen von Membranfiltern zur Trennung von Stoffgemischen zielen auf Membranen mit maßgeschneiderten Trenneigenschaften ab, die sich zudem „schalten“ lassen sollen. Deutsche Wissenschaftler haben jetzt eine sehr einfache Methode zur Modifikation von Membranen durch Einlagerung von Mikrogelen entwickelt. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen sie Hohlfaser-Membranen vor, die dank thermoresponsiver Mikrogele ein temperaturabhängiges Fluss- und Rückhaltevermögen zeigen.

Die Forscher von der RWTH Aachen und des DWI Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien verwendeten kommerzielle Hohlfasermembranen für die Ultra- und Mikrofiltration von Wasser. Hohlfaserfilter bestehen aus Faserbündeln aus einem teildurchlässigen Material mit einem Kanal im Inneren, die Wände der Faser wirken dabei als Membran. Um die Membranen zu modifizieren, filtrierte das Team um Matthias Wessling einfach eine Suspension eines Mikrogels durch den Filter. Dabei werden die Mikrogele in die poröse Struktur der Membran eingelagert.

Ein Gel ist ein dreidimensionales molekulares Netz, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die, anders als bei einem Schwamm, fest gebunden ist. Mikropartikel aus einem Gel nennt man Mikrogele. Die Forscher verwendeten Mikrogele aus Polyvinylcaprolactam, die bis etwa 32 °C stabil sind. Oberhalb dieser Temperatur kollabiert die Gelstruktur, das Wasser tritt aus.

Die verwendeten Hohlfasermembranen zeigen eine asymmetrische Porenstruktur mit 30 nm (Ultrafiltration) bzw. 200 nm (Mikrofiltration) Durchmesser auf der Innenseite der Fasern und einigen Mikrometern auf der Außenseite. Die Beladung mit den Mikrogelen kann von außen nach innen oder von innen nach außen erfolgen. Bei der ersten Variante dringen Gelpartikel ein Stück weit in die Poren ein und die Außenseite ist mit Mikrogel beschichtet. Bei der zweiten finden sich ausschließlich auf der Innenseite Gelpartikel, nicht aber in den dort sehr engen Poren. Bei beiden Typen ist das Mikrogel so fest adsorbiert, dass es weder bei einer Filtration noch während des Rückspülens herausgespült wird.

Die Durchlässigkeit beider Typen ist gegenüber der unbehandelten Membran deutlich geringer, da die Poren durch das Mikrogel schlechter zugänglich sind. Bei Erhöhung der Temperatur schrumpfen die Mikrogele und erhöhen dabei die Durchlässigkeit der Membranen, Abkühlen kehrt den Effekt wieder um. Dieser Schaltmechanismus könnte eine wichtige Methode zur effizienten Reinigung der Hohlfaser sein, wenn während eines Rückspülschritts bei niedriger Temperaturen hohe Flussraten erforderlich sind.

„Die Modifizierung konventioneller Hohlfasermembranen mit Mikrogelen, die auf äußere Reize reagieren, eröffnet eine einfache und vielseitige Route für das Design funktionaler Membranen mit neuen, maßgeschneiderten Eigenschaften, die eine Regulierung des Durchflusses erlauben“, so Wessling. „Durch eine Variation der chemischen Struktur der Mikrogele lassen sich zudem spezifische Funktionalitäten in die Membranen einführen, die die Effektivität und Selektivität von Trennprozessen in der Wasseraufbereitung und Medizintechnik erhöhen können. Diese versatile Plattform werden wir in Zukunft durch weitere Grundlagenforschung innerhalb des DFG-Sonderforschungsbereiches Functional Microgels and Microgel Systems entwickeln können“