Nieuwe soorten membraanadsorbers verwijderen ongewenste deeltjes uit water en ook, tegelijkertijd, opgeloste stoffen zoals het hormonaal actieve bisfenol A of het giftige lood. Om dit te doen, onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB hebben selectieve adsorptiedeeltjes ingebed in filtratiemembranen.

Pas in januari 2015 verlaagde de Europese Autoriteit voor Voedselveiligheid (EFSA) de drempelwaarde voor bisfenol A in verpakkingen. De hormonaal actieve bulkchemicalie is onder andere een basismateriaal voor polycarbonaat waaruit, bijvoorbeeld, cd's, plastic serviesgoed of brillenglazen worden vervaardigd. Door zijn chemische structuur, Bisfenol A wordt niet volledig afgebroken in de biologische stadia van zuiveringsinstallaties en wordt door de zuiveringsinstallatie geloosd in rivieren en meren.

Actieve kool of adsorberende materialen worden al gebruikt om chemicaliën te verwijderen, antibiotica of zware metalen uit afval- of proceswater. Echter, een nadeel van deze zeer poreuze materialen is de lange contacttijd die de verontreinigingen nodig hebben om in de poriën te diffunderen. Zodat ook in kortere tijd zoveel mogelijk schadelijke stoffen worden afgevangen, de zuiveringsinstallaties gebruiken grotere hoeveelheden adsorbers in overeenkomstige grote zuiveringsbassins. Echter, actieve kool kan alleen worden geregenereerd met een hoge energie-input, wat voor het grootste deel leidt tot de noodzaak om grote hoeveelheden met verontreinigende stoffen verontreinigd materiaal af te voeren.

Ook, membraanfiltratie met nanofiltratie of omgekeerde osmose membranen, die de verontreinigende stoffen kan verwijderen, is nog niet kosteneffectief voor het verwijderen van opgeloste moleculen uit grootvolumestromen zoals proces- of afvalwater. Membranen filteren het water door hun poriën wanneer er aan één kant van het membraan een druk wordt opgebouwd, waardoor grotere moleculen en vaste deeltjes worden tegengehouden. Maar hoe kleiner de membraanporiën zijn, hoe hoger de druk – en dus hoe meer energie – die nodig is om de stoffen uit het water te scheiden.

Membraanadsorbers – filteren en binden in één stap

Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB in Stuttgart hebben gekozen voor een nieuwe aanpak die de voordelen van beide methoden combineert. Bij het vervaardigen van de membranen voegen ze kleine, polymere adsorberdeeltjes. De resulterende membraanadsorbers kunnen – naast hun filtratiefunctie – in water opgeloste stoffen adsorberend binden. "We maken gebruik van de poreuze structuur van het membraan dat zich onder de scheidingslaag bevindt. De poriën hebben een zeer specifiek oppervlak zodat zoveel mogelijk deeltjes kunnen worden ingebed, en ze zorgen ook voor een optimale bereikbaarheid, " zegt dr. Thomas Schiestel, Hoofd van de werkgroep "Anorganische interfaces en membranen" bij de Fraunhofer IGB.

"In tegenstelling tot conventionele adsorbers, onze membraanadsorbers transporteren de verontreinigende stoffen convectief. Dit betekent dat, met het water dat snel door de membraanporiën stroomt, een contacttijd van slechts enkele seconden is voldoende om verontreinigende stoffen op het deeltjesoppervlak te adsorberen, " zegt de wetenschapper. Tot 40 procent van het gewicht van de membraanadsorbers wordt veroorzaakt door de deeltjes, dus hun bindingscapaciteit is navenant hoog. Tegelijkertijd kunnen de membraanadsorbers bij lage drukken worden bedreven. Omdat de membranen zeer strak verpakt kunnen worden, zelfs met kleine apparaten kunnen zeer grote hoeveelheden water worden behandeld.

Functionele adsorptiedeeltjes

De onderzoekers maken de adsorberende deeltjes in één stap, kostenefficiënt proces. In dit gepatenteerde proces worden monomere componenten gepolymeriseerd met behulp van een vernettingsmiddel om polymeerbolletjes van 50 tot 500 nanometer te genereren. "Afhankelijk van welke stoffen uit het water moeten worden gehaald, we selecteren de meest geschikte uit een verscheidenheid aan monomeren met verschillende functionele groepen, " legt Schiestel uit. Het spectrum varieert hier van pyridine, die neigt hydrofoob te zijn, door middel van kationische ammoniumverbindingen en omvat anionische fosfonaten.

Selectieve verwijdering van verontreinigende stoffen en metalen

De onderzoekers konden in verschillende testen aantonen dat de membraanadsorbers zeer selectief verontreinigingen verwijderen door middel van de deeltjes, die zijn aangepast voor de specifieke verontreiniging in kwestie. Bijvoorbeeld, membraanadsorbers met pyridinegroepen binden het hydrofobe bisfenol A bijzonder goed, terwijl die met aminogroepen het negatief geladen zout van het antibioticum penicilline G.

“De verschillende adsorberdeeltjes kunnen zelfs gecombineerd worden in één membraan. Zo kunnen we met slechts één membraanadsorber meerdere microverontreinigingen tegelijk verwijderen, " zegt Schiestel, wijst op nog een voordeel. Uitgerust met verschillende functionele groepen, de membraanadsorbers kunnen ook giftige zware metalen zoals lood of arseen uit het water verwijderen. Fosfonaatmembraanadsorbers, bijvoorbeeld, adsorberen meer dan 5 gram lood per vierkante meter membraanoppervlak - 40 procent meer dan een in de handel verkrijgbare membraanadsorber.

Kosteneffectief en regenereerbaar

Zodat de membraanadsorbers meerdere keren kunnen worden gebruikt, de geadsorbeerde verontreinigingen moeten opnieuw worden losgemaakt van de deeltjes in het membraan. "Membraanadsorbers voor bisfenol A kunnen volledig worden geregenereerd door een verschuiving van de pH-waarde, " legt Schiestel uit. De geconcentreerde verontreinigende stoffen kunnen dan kosteneffectief worden verwijderd of afgebroken met behulp van geschikte oxidatieve processen.

De regenereerbaarheid van de membraanadsorbers maakt ook een verdere toepassing mogelijk:hergebruik van de afgescheiden moleculen. Dit maakt de technologie bovendien aantrekkelijk voor het terugwinnen van waardevolle edelmetalen of zeldzame aardmetalen.