Neue Filter mit winzigen Poren reinigen Wasser effizienter

In der Industrie werden täglich riesige Mengen an Stoffen voneinander getrennt – etwa um Medikamente zu reinigen, Farbstoffe aus Abwasser zu entfernen oder Lebensmittel herzustellen. Diese Trennprozesse verschlingen zwischen 40 und 50 Prozent der gesamten industriellen Energie weltweit. Bisher kommen meist Verfahren wie Destillation oder Verdampfung zum Einsatz, die sehr viel Strom oder Wärme brauchen. Membranfilter gelten als saubere Alternative, doch herkömmliche Kunststoffmembranen haben einen Nachteil: Ihre Poren sind ungleichmäßig groß und verändern sich mit der Zeit, sodass die Filterleistung nachlässt.

Ein Team aus Indien, Singapur und Südkorea hat nun eine völlig neue Art von Membran entwickelt, die dieses Problem löst. Die sogenannten POMbranes bestehen aus winzigen, kronenförmigen Metallclustern – den Polyoxometallaten (POM). Jeder dieser Cluster hat in seiner Mitte ein perfekt gleichmäßiges Loch, das genau einen Nanometer breit ist und sich nie verformt. Die Forscher ordneten Milliarden dieser Cluster zu einer durchgehenden, hauchdünnen Schicht an. Das Ergebnis ist ein Filter, durch den Moleküle nur durch die exakt gleich großen Poren gelangen können – wie durch ein hochpräzises Sieb.

Die Tests zeigen: Die neuen Membranen können Moleküle unterscheiden, die sich in ihrer Größe nur um 100 bis 200 Dalton unterscheiden – eine Genauigkeit, die mit herkömmlichen Filtern kaum erreichbar ist. Laut den Forschern ist die Trennleistung fast zehnmal besser als bei bestehenden Technologien. Gleichzeitig bleiben die Membranen flexibel, stabil gegenüber Säuren und Laugen und lassen sich in großen Bahnen herstellen – wichtige Voraussetzungen für den Einsatz in der Industrie.

Besonders vielversprechend ist die Technologie für Indiens Textil- und Pharmaindustrie. Die Textilbranche macht rund 13 Prozent der indischen Industrieproduktion aus und wächst rasant. Beim Färben von Stoffen fallen große Mengen giftigen Abwassers an. Mit den neuen Membranen könnten Farbstoffe gezielt herausgefiltert und das Wasser wiederverwendet werden – das spart Frischwasser und reduziert Chemieabfälle. Auch in der Pharmaproduktion, wo hochreine Trennungen nötig sind, könnten die Filter den Energieverbrauch senken, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.

Die Studie wurde im renommierten Journal of the American Chemical Society veröffentlicht und von Wissenschaftlern des CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute, des Indian Institute of Technology Gandhinagar, der Nanyang Technological University in Singapur und des S N Bose National Centre for Basic Sciences durchgeführt. Die Forscher beschreiben ihre POMbranes als eine Plattformtechnologie, die sich für viele verschiedene Trennaufgaben eignet – von der Abwasserreinigung bis zur chemischen Produktion. Indem sie ein Prinzip aus der Natur – präzise gesteuerte Poren, wie sie etwa in Zellmembranen vorkommen – auf ein künstliches Material übertragen haben, zeigen sie, wie sich große industrielle Herausforderungen mit intelligenter Materialforschung lösen lassen.