Ultradünne Graphen-Membranen für Filtration und Separation
Membranen zur Filtration und Separation von Flüssigkeiten und Gasen sind eine wichtige Technologie in verschiedenen Branchen, von der Trinkwasserversorgung, der Medizintechnik, der Halbleitertechnik über Sportbekleidung bis zur Petrochemie. Die an der ETH Zürich entwickelten Graphen-Membranen versprechen eine energieeffizientere Separation.
ETH Pioneer Fellow Karl-Philipp Schlichting sprach kürzlich mit uns über die neue Graphen-Membrantechnologie.
Wie funktioniert die Graphen-Technologie?
Herk?mmliche Membranl?sungen haben oft einen Nachteil: ihren eher langsamen Fluidtransport, der sie teuer macht. Im Gegensatz dazu sind Graphen-Membranen effizient und effektiv.
Graphen ist eine atomar dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Kristallgitter verbunden sind. Diese einzelne Schicht befindet sich an der physikalischen Grenze der ?Dünnheit? (0,3 Nanometer) und ist zu etwa 97 % transparent - also mit blossem Auge kaum sichtbar. Das Graphen selbst ist eine perfekte Barriere und l?sst nichts durch. Um es in eine Membran zu verwandeln, müssen winzige L?cher in das Graphen eingebracht werden. Der Transport von Substanzen durch diese L?cher ist ?usserst effizient, da der Weg von einer Seite zur anderen sehr kurz ist. Das Material ist thermisch und mechanisch sehr stabil, flexibel und dehnbar und kann auch extremen chemischen Umgebungen standhalten. Je nach Anwendung sind diese Eigenschaften entscheidend.
Was ist die Herausforderung bei der Entwicklung von Graphen-Membranen und wie haben Sie diese gemeistert?
Um Graphen in eine funktionale Membran zu verwandeln, müssen wir eine hohe Dichte an gleichgrossen L?chern im Kristallgitter erzeugen. Ein Teil meiner Doktorarbeit war die Entwicklung dieses Prozesses. In diesem zum Patent angemeldeten Verfahren erzeugen wir in einem ersten Schritt atomar kleine Defekte, die die Anzahl der L?cher definieren. In einem zweiten Schritt entfernen wir nach und nach Atome rund um die Defekte und lassen so die L?cher wachsen. Mit dieser Methode k?nnen wir die Anzahl der L?cher und ihre durchschnittliche Gr?sse separat steuern.
Was sind die Hauptanwendungen?
Die Graphen-Membrantechnologie erm?glicht die Trennung von Gasen und Flüssigkeiten mit einem breiten Anwendungsspektrum - zum Beispiel bei der Meerwasserentsalzung, wo die Membranen zur Filterung von Salzionen eingesetzt werden. Sie wird auch zur Filterung von Trinkwasser eingesetzt, um Nanopartikel zu entfernen. Ausserdem arbeiten wir an L?sungen für die Mikroelektronik, die Medizintechnik und die Pharmaindustrie, die alle unbelastetes, hochreines Wasser ben?tigen.
Zus?tzlich untersuchen wir Anwendungen für Graphenmembranen in der H?modialysebehandlung. Heutige Dialysemembranen müssen einen Kompromiss zwischen Selektivit?t und Durchsatz eingehen, was die Behandlung suboptimal macht. Unsere Membranen k?nnen dies ?ndern und die Behandlung effektiver und effizienter machen. Sie sind auch vielversprechend für die Gastrennung in der chemischen Industrie, die je nach Gas energieintensiv sein kann. Schliesslich k?nnen Graphenmembranen auch für Funktionskleidung, z. B. Regenjacken, eingesetzt werden. Sie ist atmungsaktiv, wasserdicht und - ganz wichtig - frei von den Fluorpolymeren, die zum Beispiel im Gore-Tex-Material enthalten sind (siehe auch ETH News for Industry, Dimpora).
Ist die Technologie bereits im Einsatz?
W?hrend die Membrantechnologie im Allgemeinen schon seit einiger Zeit im Einsatz ist, ist die Graphen-Membrantechnologie sehr neu und wird noch nicht kommerziell eingesetzt. W?hrend meines Pioneer Fellowship Programms an der ETH Zürich evaluiere ich, welche Anwendungen verfolgt werden sollen.
Was sind Ihre Pl?ne für die Zukunft?
Ich spreche derzeit mit potenziellen Kunden und Anwendern aus verschiedenen Branchen. Sie alle haben sehr unterschiedliche Anforderungen. Das Ziel ist es, Gesch?ftspartner zu finden, die die Technologie nutzen m?chten. Ausserdem spreche ich mit Risikokapitalgebern, um die n?chste Finanzierungsrunde und die Gründung eines Unternehmens vorzubereiten.
Karl-Philipp Schlichting (Quelle: ETH Zürich)
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