Nanofluidik und Ultrafiltration mit Graphen/Polymer-Komposit Membranen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Marika Schleberger; Professor Dr. Mattias Ulbricht
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279028710

Membranen können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Als selektive Barrieren dienen sie als Trennungsmembranen, z.B. für Ultrafiltration, Dialyse, Wasserreinigung oder Gastrennung. Sie können aber auch als chemische, physikalische oder elektrische Barrieren, z.B. in Schutzfilmen oder Kondensatoren oder als Detektoren verwendet werden. Für all diese Anwendungen ist es vorteilhaft, die Membran so dünn und gleichzeitig mechanisch und chemisch so widerstandsfähig wie möglich zu machen. Graphen scheint aufgrund seiner mechanischen Stärke und der extrem dünnen Schichtdicke von nur 3 Å das ideale Material dafür zu sein. Perfektes Graphen ist undurchlässig für alle Gase und Flüssigkeiten, und perforiertes Graphen verspricht bislang unerreichte Transportraten in Filteranwendungen, da bei dieser quasi 2D-Membran die Wechselwirkungen von Permeanden mit der Wand vernachlässigbar sind. Deshalb können neue Werkstoffe auf Basis von Graphen zu signifikanten Verbesserungen in der Membrantechnik führen, die mit klassischen Werkstoffen nicht zu erreichen sind.Das Hauptziel dieses Antrags ist die Entwicklung widerstandsfähiger Komposite, bestehend aus Graphen und einem Polymerfilm. Diese bilden das Ausgangsmaterial für Membranen für technischenAnwendung, insbesondere für Ultra- (UF) und Nanofiltration (NF). Das selektive Element dieser Membranen besteht aus einer einzelnen Lage künstlich perforierten Graphens. Die Leistungsfähigkeit dieser UF- und NF-Membranen soll untersucht, und die Modelle für die grundlegenden Mechanismen von Herstellungs- und Trennungsprozessen erarbeitet werden.Die Perforation der Komposite wird durch eine etablierte Technik, die Bestrahlung mit schnellen Schwerionen, erreicht. Dies erlaubt es, die Porendichte und -größe im Graphen zu kontrollieren. Die Poren werden eine sehr enge Größenverteilung haben, die Größe kann zwischen 5 und 50 nm² variiert werden, was eine hohe Trennselektivität erlaubt. Durch eine weitere, ebenfalls etablierte Methode, das Ionenspur-Ätzen, werden die selektiven Poren im Graphen mit größeren Poren im darunter befindlichen Polymer verbunden, was zu einer einzigartigen UF- bzw. NF-Membran führt. Die Selektivität der Membranen kann durch eine Funktionalisierung der Poreneingänge, insbesondere durch geladene Gruppen, erhöht werden; damit könnte sogar die Entsalzung von Wasser möglich werden. Als Triebkraft für die Membrantrennung werden nur geringe Druckunterschiede nötig sein, da der (ballistische) Transport durch die 2D-Barriere nicht durch Wechselwirkung mit der Membranwand behindert wird. Es ist deswegen zu erwarten, dass die Membranprototypen für UF bzw. NF aktuelle Membranen um einen Faktor 100 übertreffen (dank höherer Flüsse bei gleicher Selektivität), dies würde zu substanziellen Energieeinsparungen führen. Um dies zu erreichen, sollen auch Konzepte für die Integration dieser Hochleistungsmembranen in mikrofluidische Systeme entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Kroatien, Niederlande
• Kooperationspartner: Dr. Marko Karlusic; Professor Dr. Rob Lammertink; Privatdozent Dr. Henning Lebius