WERKSTOFFE

Die Ladung macht den Unterschied

Membran separiert organische Moleküle

Eine neue im Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) entwickelte Membran trennt kleinste Farbstoffpartikel oder Arzneistoffe nicht nur nach Grösse, sondern auch nach ihrer elektrischen Ladung. Durch diese zusätzliche Funktion können organische Moleküle, die nicht grösser als ein bis zwei Nanometer sind, erstmals selektiv separiert werden. Die Polymerforscherin Zhenzhen Zhang stellte ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift «Advanced Materials» vor.

«Classic Blue» ist die Trendfarbe des Jahres. Längst hat die Textilindustrie ihre Färbestrecken darauf eingestellt. Um zu verhindern, dass Farbstoffrückstände im Abwasser landen, bietet die Membrantechnologie eine umweltfreundliche Möglichkeit, Schadstoffe sicher zu entfernen. Zhenzhen Zhang, Doktorandin am HZG-Institut für Polymerforschung, hat eine neue Polymermembran entwickelt, die vielversprechend für die Abwasserreinigung sein könnte: Eine sogenannte Triblock-Terpolymer-Membran, die organische Moleküle nach ihrer elektrischen Ladung aus wässrigen Lösungen trennt. «In meinen Versuchen konnte ich mit unterschiedlich geladenen, aber vergleichbar grossen Molekülen zeigen, dass die Membran sehr spezifisch Farbmoleküle oder andere organische Moleküle, wie zum Beispiel Arzneistoffe, zuverlässig voneinander trennt», erklärt Doktorandin Zhenzhen Zhang. Die hohe Selektivität selbst bei so winzigen Molekülen macht ihre neue Membran auch für die Pharmaindustrie interessant: Die Gewinnung und Reinigung organischer Moleküle ist aufgrund ihrer geringen Grösse sehr anspruchsvoll. Durch die neue Membran könnten hier Kosten eingespart werden.

Spezielles Verfahren zur Membranherstellung

Die Herstellung der neuen Membran erfolgt mithilfe einer speziellen Kombination. Die Eigenschaft von Polymeren, sich selbst neu zu ordnen (self-assembly), wurde mit einem speziellen Verfahren verknüpft. Das Verfahren ist eine nichtlösungsmittel-induzierte Phasenseparation

Bild 1: Synthese massgeschneiderter Triblock-Terpolymere.

(Snips), das am HZG entwickelt worden ist. Hierzu wird zunächst ein Triblock-Terpolymer synthetisiert. Eine solche Polymerkette besteht aus drei Blöcken, wobei Zhang den beiden Endblöcken unterschiedliche funktionelle Gruppen (siehe Bild 1 Nr. 1, beige (OH), violett (C5H4N)) zugefügt hat. Die Nanokanäle in der Membran entstehen danach durch Selbstorganisation (self-assembly) der Polymere während des Snips-Verfahrens: Die Triblock-Terpolymer-Lösung wird auf ein Vlies gegossen, nach kurzer Pause ist das Lösungsmittel verdampft und das Vlies wird in ein Wasserbad getaucht. Es entstehen kleine Röhren mit identischem Durchmesser, die von der Oberfläche aus senkrecht nach unten «wachsen» (siehe Bild 1 Nr. 2). Die zuvor zugefügten funktionellen Gruppen ordnen sich selbstständig im Inneren der Röhren (siehe Bild 1 Nr. 2) an und können anschliessend mit positiver oder negativer Ladung versehen werden (siehe

PRÄZISES LIQUID-HANDLING

Bild 2: Doktorandin Zhenzhen Zhang.

Bild 1 Nr. 3). Dabei verleiht Methyljodid (CH3I, blau) den Poren eine positive Ladung und 1,3-Propansulton ((CH2)3SO3, grün)) belädt sie negativ. Für die Ausbildung der geordneten Trennschicht musste eine Vielzahl an Parametern optimiert werden. Erst nach unzähligen Versuchen, in denen sie immer wieder die Verdunstungszeit und die Lösemittel änderte, gelang Zhenzhen Zhang der Durchbruch und ihre neue gleichmässig poröse Membran verfügte über die gewünschten Eigenschaften. In ihrer Studie zeigt die Nachwuchswissenschaftlerin mit unterschiedlich geladenen aber ungefähr gleichgrossen Farbstoff-Molekülen die Funktionsweise ihrer Membranen: Zum Beispiel werden einfach positiv geladene Methylenblau-Moleküle von der positiv geladenen Membran zurückgehalten, während neutrale Riboflavin-Moleküle passieren können. Im Fall einer negativ geladenen Membran geht einfach negativ geladenes «Orange II» durch, während dreifach negativ geladene «Naphthol-GrünMoleküle» zurückgehalten werden. Professor Volker Abetz, Leiter des HZG-Instituts für Polymerforschung, erklärt: «Zhenzhen Zhang hat Grundlagenforschung betrieben, auf die wir aufbauen werden. Durch die Idee, die Poren mit positiver oder negativer Ladung zu versehen, eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten in der Nanofiltration, zum Beispiel für die chemische Industrie.»

Originalpublikation Zhenzhen Zhang et al., «Chemically-Tailored Multifunctional Asymmetric Isoporous Triblock Terpolymer Membranes for Selective Transport », Advanced Materials (2020); https://doi.org/10.1002/ adma.201907014

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Medienmitteilung Helmholtz-Zentrum Geesthacht www.hzg.de