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EU-Projekt beendet: Mit SELFMEM zu intelligenten Membranen

Mit einem Abschlusstreffen wurde jetzt das von der Europäischen Union mit 3,6 Millionen Euro geförderte Projekt „Self-assembled polymer membranes“, kurz SELFMEM, beendet. Die zwölf Partner haben im SELFMEM-Verbund selbstorganisierende isoporöse Membranen erforscht. Koordiniert wurde das dreijährige Projekt durch das Institut für Polymerforschung.

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Selbstorganisierende isoporöse Blockcopolymer-Membranen, Foto Abetz

Im SELFMEM-Netzwerk aus Wissenschaft und Industrie sind zwölf Projektpartner aus Israel, Kanada und Europa beteiligt. Koordiniert wurde die Forschung an den selbstorganisierenden isoporösen Blockcopolymer-Membranen durch den Geesthachter Institutsleiter Prof. Dr. Volker Abetz. Das Abschlusstreffen fand jetzt im schweizerischen Neuchâtel statt.

Blockcopolymere bestehen aus mindestens zwei Monomersorten, die jeweils als Polymerblöcke in einem einzigen großen Makromolekül aneinander gekettet sind. Da sich hydrophile (Wasser liebend) und hydrophobe (Wasser meidend) Komponenten nicht miteinander vertragen, versuchen sie, möglichst viel Abstand zueinander zu halten – sie separieren sich in Mikrophasen. Die Makromoleküle finden so von selbst zu einer bestimmten Struktur.

Bei den hauchdünnen Membranen aus Blockcopolymeren ist die obere, Deckschicht hochgeordnet und gleichmäßig von Poren durchzogen. Sie fungiert als Filter und erfüllt die Trennaufgaben. Die untere Schicht besitzt eine schwammartige Struktur und sorgt für Stabilität (siehe Foto).

Selbstorganisierende Membranen zu entwickeln, ist ein komplexes Verfahren: „Zu Beginn wussten wir fast nichts über Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die Parameter, die zur Membranausbildung nötig sind“, sagt Prof. Dr. Volker Abetz. „Im Verlaufe dieses Projektes konnten wir erstmals Membranen aus einer Reihe unterschiedlicher Blockcopolymere herstellen.

Die Teilnehmer des Abschlusstreffens im schweizerischen Neuchâtel.

Die Teilnehmer des Abschlusstreffens im schweizerischen Neuchâtel.

Dabei haben wir festgestellt, dass die Löslichkeit ein sehr wichtiger Parameter ist. Schon geringe Variationen in der Zusammensetzung des Lösungsmittels können reichen, damit keine Membran entsteht.“

Im Lösungsmittel beginnt vermutlich die Selbstorganisation, in der späteren Fällungsreaktion bildet sich die Membranstruktur vollständig aus. Hierbei spielt wiederum die Temperatur des Fällbades eine wichtige Rolle.

Sogar Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur beeinflussen die Membranherstellung. Die Porengröße hängt unter anderem vom Molekulargewicht und der Zusammensetzung der Blockcopolymere ab.

Makromolekule-cover

Selbstorganisierende Membranen können je nach Porengröße unterschiedlich große Moleküle filtern, etwa Proteine, aber auch Viren und Bakterien. Im SELFMEM-Projekt ist es gelungen, Membranen mit winzigen Poren von 20 Nanometer Durchmesser herzustellen, die beispielsweise Hormone und Medikamentenwirkstoffe im Abwasser abfangen könnten. Mithilfe kleiner Poren ließen sich auch katalytische Prozesse verstärken. Darüber hinaus sind Anwendungen in der Gastrennung denkbar.

Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht hat bereits vier Patente angemeldet. Zum Beispiel für „schaltbare“ Membranen. Dabei lässt sich später in der Anwendung die Porengröße der Membran über die Temperatur und den pH-Wert justieren.

„Durch eine nachträgliche Beschichtung der Membran können wir ihre Funktionalität auch erweitern“, sagt Prof. Dr. Volker Abetz. Polydopamin zum Beispiel erhöht die Hydrophilie der Membran und kann dadurch einen hemmenden Effekt auf das Membran-Fouling haben. Auf dem Kongress „Euromembrane 2012“ Ende September in London wird das HZG darüber berichten.

Wie die Poren in die Membran kommen

Kein elektrolytisches Ätzen, sondern ein eleganter Trick bringt die Poren in die Membran. Nach ihrer Synthese werden die Blockcopolymere zunächst gelöst und dann auf ein Vlies gegossen. In einer kurzen Ruhephase verdampft jetzt etwas Lösungsmittel und in den Blockcopolymeren entstehen Zylinder, die von der Oberfläche ausgehend senkrecht nach unten „wachsen“. Die Dauer der Ruhephase ist ein entscheidender Parameter für die Ausbildung der oberen, geordneten Trennschicht und der unteren, ungeordneten Stützschicht. Im anschließenden Fällbad findet ein Lösungsmittelaustausch statt. Dabei werden die gebildeten Strukturen fixiert.

Weitere Informationen


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Heidrun Hillen
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