Nya typer av membranadsorberare tar bort oönskade partiklar från vatten och även på samma gång, lösta ämnen som den hormonellt aktiva bisfenolen A eller giftigt bly. Att göra detta, forskare vid Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB lägger in selektiva adsorberpartiklar i filtreringsmembran.

Först i januari 2015 sänkte European Food Safety Authority (EFSA) tröskelvärdet för bisfenol A i förpackningar. Den hormonellt aktiva bulkkemikalien är bland annat ett grundmaterial för polykarbonat från vilket, till exempel, CD skivor, bordsartiklar av glas eller glasögon tillverkas. På grund av dess kemiska struktur, bisfenol A bryts inte helt ner i de biologiska stadierna i reningsverk och släpps ut i floder och sjöar av reningsanläggningen.

Aktivt kol eller adsorbermaterial används redan för att avlägsna kemikalier, antibiotika eller tungmetaller från avfall eller processvatten. Dock, en nackdel med dessa mycket porösa material är den långa kontakttiden som föroreningarna kräver för att diffundera in i porerna. Så att så många av de skadliga ämnena som möjligt fångas upp även på kortare tid, reningsanläggningarna använder större mängder adsorberare i motsvarande stora reningsbassänger. Dock, aktivt kol kan bara regenereras med en hög energiinmatning, vilket för det mesta leder till behovet av att avyttra stora mängder material som är förorenat med föroreningar.

Också, membranfiltrering med nanofiltrering eller membran med omvänd osmos, som kan ta bort de förorenande ämnena, är ännu inte kostnadseffektivt för avlägsnande av upplösta molekyler från flöden med hög volym, t.ex. process eller avloppsvatten. Membran filtrerar vattnet genom sina porer när ett tryck byggs upp på ena sidan av membranet, vilket håller tillbaka större molekyler och fasta partiklar. Men ju mindre membranporerna är, ju högre tryck - och därför mer energi - som krävs för att separera ämnena från vatten.

Membran adsorberare - filtrering och bindning i ett steg

Forskare vid Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB i Stuttgart har valt ett nytt tillvägagångssätt som kombinerar fördelarna med båda metoderna. När man tillverkar membranen lägger de till små, polymera adsorberpartiklar. De resulterande membranadsorberarna kan - förutom sin filtreringsfunktion - adsorptivt binda ämnen som är upplösta i vatten. "Vi använder den porösa strukturen i membranet som ligger under separationsskiktet. Porerna har en mycket specifik yta så att så många partiklar som möjligt kan föras in, och de ger också optimal tillgänglighet, "säger doktor Thomas Schiestel, Chef för arbetsgruppen "oorganiska gränssnitt och membran" vid Fraunhofer IGB.

"Till skillnad från konventionella adsorberare, våra membranadsorberare transporterar föroreningarna konvektivt. Detta innebär att, med att vattnet rinner snabbt genom membranporerna, en kontakttid som bara varar några sekunder är tillräcklig för att adsorbera föroreningar på partikelytan, "säger forskaren. Upp till 40 procent av membran adsorberarnas vikt står för partiklarna, så deras bindningskapacitet är motsvarande hög. Samtidigt kan membranadsorberarna drivas vid låga tryck. Eftersom membranen kan packas mycket tätt, mycket stora volymer vatten kan behandlas även med små enheter.

Funktionella adsorberpartiklar

Forskarna tillverkar adsorberpartiklarna i ett steg kostnadseffektiv process. I denna patenterade process polymeriseras monomera komponenter med hjälp av ett tvärbindningsmedel för att generera 50 till 500 nanometer polymerkulor. "Beroende på vilka ämnen som ska tas bort från vattnet, vi väljer den mest lämpliga bland en mängd olika monomerer med olika funktionella grupper, "Förklarar Schiestel. Spektrumet här sträcker sig från pyridin, som tenderar att vara hydrofob, genom katjoniska ammoniumföreningar och inkluderar anjoniska fosfonater.

Selektiv avlägsnande av föroreningar och metaller

Forskarna kunde i olika tester visa att membranadsorberarna avlägsnar föroreningar mycket selektivt med hjälp av partiklarna, som är anpassade för den aktuella förorening. Till exempel, membranadsorberare med pyridingrupper binder den hydrofoba bisfenolen A särskilt bra, medan de med aminogrupper adsorberar det negativt laddade saltet av antibiotikumet penicillin G.

"De olika adsorberpartiklarna kan till och med kombineras i ett membran. På så sätt kan vi ta bort flera mikropollutanter samtidigt med bara en membranadsorberare, "säger Schiestel, påpekar en ytterligare fördel. Utrustad med olika funktionella grupper, membran adsorberarna kan också ta bort giftiga tungmetaller som bly eller arsenik från vattnet. Fosfonatmembran adsorberare, till exempel, adsorberar mer än 5 gram bly per kvadratmeter membranyta - 40 procent mer än en kommersiellt tillgänglig membranadsorberare.

Kostnadseffektivt och förnybart

Så att membran adsorberarna kan användas flera gånger, de adsorberade föroreningarna måste åter lossas från partiklarna i membranet. "Membranadsorberare för bisfenol A kan regenereras helt genom en förskjutning av pH -värdet, "Förklarar Schiestel. De koncentrerade föroreningarna kan sedan avyttras kostnadseffektivt eller brytas ned med hjälp av lämpliga oxidativa processer.

Membranadsorberarnas regenererbarhet möjliggör också en ytterligare tillämpning:återanvändning av de separerade molekylerna. Detta gör dessutom tekniken attraktiv för att återvinna värdefulla ädelmetaller eller sällsynta jordartsmetaller.