Sauberes Wasser: Günstige Filter auf Graphenbasis zur industriellen Abwasserbehandlung

Industrielle Abwässer bergen eine enorme Gefahr für die Umwelt. Aus diesem Grund sind effiziente Filter insbesondere in der industriellen Abwasserbehandlung unerlässlich. Ein Team der Universität Wien ist es gelungen, ein neuartiges Verbundmaterial zu entwickeln, das höchst effizient ist, wenn es darum geht, organische Schadstoffe aus Wasser herauszufiltern.

Neue Molekülklasse als Filter

Eine große Gruppe industrieller Schadstoffe sind organische Farbstoffe. Sie sind im Regelfall nicht nur gut wasserlöslich, sondern auch nicht abbaubar und häufig toxisch oder krebserregend. Umso wichtiger ist es, diese so gut wie möglich aus den Abwässern herauszufiltern. Das Team rund um Changxia Li und Freddy Kleitz von der Fakultät für Chemie der Universität Wien arbeitet an der Entwicklung neuartiger nanoporöser Materialien. Poröse Materialien können aufgrund ihrer großen Oberfläche besonders viele Moleküle an diesen anlagern.

Für den neu entwickelten Filter benutzen die Forscher:innen eine sogenannte kovalente organische Gerüststruktur (kurz COF). Dabei handelt es sich um eine neuartige Molekülklasse, die bei geringer Dichte und geringem Gewicht besonders porös ist. Kovalent bedeutet, dass die chemischen Bindungen über Elektronenpaare zwischen Atomen realisiert werden.

Graphen macht den Filter komplett

Um zu verhindern, dass die inneren Poren des verwendeten COF-Pulvers für Schadstoffe nicht mehr zugänglich sind, haben die Forscher:innen das COF auf dünnen Nano-Schichten aus Graphen wachsen lassen. Aus der Kombination von Graphen, das in sich bereits eine 2D-Schicht aus Kohlenstoffatomen ist, sowie der COF-Schicht, die etwa zwei Nanometer dick ist, resultierte eine kompakte, offene 3D-Struktur. In der dünnen COF-Schicht wurden mehr Adsorptionsstellen freigelegt werden als in dem einfachen Pulver.

Hinzu kommt, dass die wabenartigen Poren des Graphen-Netzwerks den Wassertransport durch das Filtermaterial erleichtert. „Die großen Poren des Graphen-Netzwerks in Kombination mit der ultradünnen COF-Schicht und ihrer großen Anzahl von Adsorptionsstellen ermöglichen daher eine besonders schnelle sowie effiziente Abwasserreinigung“, erklären die Forscherinnen.

Vergleichsweise günstige Herstellung

Getestet haben die Forscherinnen ihren Filter in einer Modelllösung mit Farbstoff-Teilchen zwischen 0,8 und 1,6 Nanometer Größe. „Wir haben eine Methode entwickelt, COF vergleichsweise umweltfreundlich, unter Nutzung von Wasser, zu bilden und konnten darüber quasi kleine ‚Schwämme‘ designen, mit speziellen Porengrößen und Porenformen im Nanometerbereich sowie einer abgestimmten negativen Oberflächenladung, die sehr selektiv die positiv geladenen Zielmoleküle, also unsere Farbstoffe, aus dem Wasser herausziehen konnte. So wie der Schwamm das Wasser aufsaugt, nur dass es bei uns die Schadstoffe sind, so das Team.

Dank des vergleichsweise geringen Materialeinsatzes und der Möglichkeit, das Verbundmaterial auszuwaschen und wiederzuverwenden, ist die Entwicklung nach Ansicht der Forscherinnen außerdem relativ günstig skalierbar.

Via Universität Wien