Modifikationen von Membranen zur Abwasserreinigung

Zur Verbesserung der Abwassereinigung von Schwermetallen wurde am Fraunhofer IST ein Atmosphärendruck-Plasmaverfahren entwickelt, um Filtermembranen gezielt zu funktionalisieren.

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Diamant reinigt Trinkwasser in Afrika

Mit dem Ziel, eine dezentrale und energieautarke Lösung zur Trinkwasseraufbereitung für ländliche Regionen in Afrika zu entwickeln, koordiniert das Fraunhofer IST ein durch die Europäische Union gefördertes Projekt »Self-Sustaining Cleaning Technology for Safe Water Supply and Management in Rural African Areas«, kurz: SafeWaterAfrica.

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Charakterisierung beschichteter Polymer-Implantatstrukturen

Im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Projekts hat das Fraunhofer IST Methoden zur Charakterisierung funktional beschichteter Polymere untersucht.

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Medizininnovation schneller zum Patienten

Das vom Land Niedersachsen über die NBank geförderte Verbundprojekt »Translationale Fertigungsplattform Medizininnovation« zielt darauf ab, mit einem strukturellen Neuansatz zur Beschleunigung des Innovationstransfers bisherige Barrieren abzubauen. Damit erhalten KMU und Start-Ups erstmals einen einfachen Zugang zu vorhandenen Spezialtechnologien für die Herstellung innovativer Medizinprodukte.

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LabBag®

Humane Stammzellen gelten als Hoffnungsträger in der personalisierten Medizin und sollen zukünftig z. B. in der Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen eingesetzt werden. In einem vom Fraunhofer IST koordinierten Gemeinschaftsprojekt wurde ein geschlossenes oberflächenbasiertes Kultivierungssystem entwickelt.

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Plasmajet

Ein neuer Ansatz zur medizinischen Behandlung von fehlenden Knochenfragmenten ist das Implantieren von 3D-gedruckten und biologisch abbaubaren Polymergerüsten, sogenannten Scaffolds. Am Fraunhofer IST werden dazu während des 3D-Druckvorgangs mit einem Plasmajet Schichten mit geeigneten chemischen Gruppen mittels Atmosphärendruck-PECVD abgeschieden.

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ALD in fluidischen Systemen

Die gleichmäßige Innenbeschichtung von fluidischen Systemen mit nanometerdicken Schichten stellt eine besondere Herausforderung dar. Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IST ist es, mittels Atomlagenabscheidung bei Atmosphärendruck atomar kompakte Schichten homogen in komplexen fluidischen Systemen auch bei niedrigen Temperaturen abzuscheiden.

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»M2ARS« – Modifikationen von Membranen zur Abwasserreinigung von Schwermetallen

Zur Verbesserung der Abwassereinigung von Schwermetallen wurde am Fraunhofer IST ein Atmosphärendruck-Plasmaverfahren entwickelt, um Filtermembranen gezielt zu funktionalisieren.

Mechanismus der Bildung von Chelatkomplexen mit β-Diketonen als Liganden.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Mechanismus der Bildung von Chelatkomplexen mit β-Diketonen als Liganden.

XPS-Übersichtsspektren einer unbehandelten Polypropylenschicht (schwarz), einer Plasma-aktivierten Polypropylenschicht (rot) und einer Plasma-aktivierten Polypropylenschicht nach Auslagerung in eine wässrige Eisen(III)-Lösung (blau). Detektierte Kohlenstoff-Peaks sind in grau, Sauerstoff-Peaks in blau, Eisen-Peaks in gelb und Kupfer-Peaks in grün hervorgehoben.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

XPS-Übersichtsspektren einer unbehandelten Polypropylenschicht (schwarz), einer Plasma-aktivierten Polypropylenschicht (rot) und einer Plasma-aktivierten Polypropylenschicht nach Auslagerung in eine wässrige Eisen(III)-Lösung (blau). Detektierte Kohlenstoff-Peaks sind in grau, Sauerstoff-Peaks in blau, Eisen-Peaks in gelb und Kupfer-Peaks in grün hervorgehoben.

Die Herausforderung

Im Jahr 2025 werden nach Angaben der Food and Agriculture Organization (FAO) allein in den Vereinigten Staaten [1] 1,8 Milliarden Menschen unter absolutem Wassermangel leiden. Die Aufbereitung von Wasser in geeigneter Qualität ist daher von enormer Bedeutung. Ziel des Projekts »M2ARS« war es, eine oberflächenfunktionalisierte Filtermembran aus kostengünstigem Polypropylen (PP) zu entwickeln, die im Wasser enthaltene gesundheitsschädliche Metallionen hochselektiv an der Oberfläche ihrer Poren bindet. Ein weiterer Vorteil neben dieser Selektivität ist, dass die Filterung auf dem Prinzip der Adsorption beruht, sodass die Membran nicht nanoporig sein muss. Dadurch kann auf den Einsatz hoher Drücke verzichtet werden. Gleichzeitig wird das Risiko des Verstopfens der Membran deutlich reduziert. Das Atmosphärendruck-Plasmaverfahren zur Funktionalisierung der Membran erlaubt es, Plasmen auch in kleinsten Hohlräumen bis zu 10 µm zu zünden.

Die Oberflächenbehandlung

Metallionen können in Form sogenannter Chelatkomplexe gebunden werden. Die Metallionen bilden dabei das Zentralatom, das von einem mehrzähnigen Liganden, d.h. einem Molekül, das mindestens zwei freie Elektronenpaare besitzt, gebunden wird. Bei dieser koordinativen Bindung werden die Bindungselektronen allein vom Liganden bereitgestellt. Mittels Atmosphärendruck-Plasmafunktionalisierung konnten am Fraunhofer IST sogenannte β-Diketone auf der PP-Oberfläche generiert werden, die als Liganden die Metallionen in Form von Chelatkomplexen binden (siehe nebenstehende obere Abbildung). Dafür wurde zunächst ein geeigneter Versuchsstand zur Erzeugung der β-Diketone durch ein Plasmaverfahren aufgebaut und getestet, das auf dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung (DBE) bei Atmosphärendruck basiert. Durch den Einsatz poröser Elektrodenmaterialien ließ sich der Gasstrom gerichtet durch die Membran hindurchleiten (siehe Abbildung oben).

Die Ergebnisse

Innerhalb der Projektlaufzeit konnte ein grundsätzlicher Funktionsnachweis auf Flachsubstraten erbracht werden: die β-Diketone auf der PP-Oberfläche sowie die Anbindung von Metallionen konnten jeweils erfolgreich mittels FTIR-ATR- und XPS-Spektroskopie nachgewiesen werden. Auf der β-Diketon-funktionalisierten PP-Oberfläche bildeten sich beispielweise nach einer Auslagerung in einer wässrigen Eisen (III)-Lösung entsprechende Chelatkomplexe mit Eisen(III)-Ionen.

In der nebenstehenden unteren Abbildung sind die Übersichts-XPS-Spektren einer unbehandelten PP-Schicht, einer Plasma-aktivierten PP-Schicht und einer Plasma-aktivierten PP-Schicht nach der Auslagerung in einer wässrigen Eisen(III)-Lösung dargestellt. Durch die Plasmaaktivierung wurde die gewünschte sauerstoffhaltige Funktionalisierung erreicht. Auf der ausgelagerten Probe konnte deutlich Eisen nachgewiesen werden, wohingegen kaum Chlor detektiert wurde. Somit konnte gezeigt werden, dass ausschließlich Eisen-Ionen auf der Oberfläche gebunden wurden. In einer anderen Versuchsreihe wurde die plasmafunktionalisierte PP-Schicht in einer Kupfer(II)-Lösung ausgelagert. Auch dort konnte die Adsorption von Kupfer erfolgreich demonstriert werden. Der Prozess wurde zudem auf das 5 mm dicke Filtermaterial übertragen. Die Eindringtiefe der Behandlung wurde dabei durch eine Anfärbung mit Methylenblau untersucht. Dabei wurde bisher keine vollständige Durchdringung des Materials erreicht.

Der Ausblick

Im Rahmen des Projekts konnte ein grundsätzlicher Funktionsnachweis erbracht werden. Künftig ist die Übertragung auf einen Anwendungsfall geplant: die Filtration von Metallsalzlösungen und die nachweisliche Reduktion der Metallionen-Konzentration sowie die Rückgewinnung der Metallsalze und der verwendeten Filtermembranen, soll in die Anschlussphase verschoben werden. Auf Basis des evaluierten Plasmaprozesses, welcher sich gut in einen industrietauglichen Rolle-zu-Rolle Prozess übertragen lässt, lassen sich weitere interessante Forschungsfelder erschließen wie z. B. die Isolierung von Feinchemikalien aus industriellen Abfallstoffen. In der Papierherstellung werden beispielsweise jährlich weltweit mehr als 500 Millionen Tonnen Schwarzlauge hergestellt, welche neben Lignin als Hauptprodukt weitere wertvolle Chemikalien wie Vanillin, Pestizide oder auch Pigmentruß beinhaltet.

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