Themenschwerpunkte
Die Abteilung "Mikroporöse Polymere" befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten mikroporösen Polymeren. Die Entwicklung von neuen Materialen für Membrananwendungen zur Filtration und Gastrennung stehen hierbei im Vordergrund. Für bestimmte Membrananwendungen werden auch gezielt neuartige Monomere entwickelt. Durch verschiedene chemische und physikalische Techniken werden die Membranoberflächen modifiziert, um die Membraneigenschaften zu optimieren bzw. speziell auf die gewünschte Anwendung anzupassen.
Unterstützt wird die Entwicklung der neuen Polymere u. Membranen durch digitale Methoden zur Simulation und für maschinelles Lernen.
Wasserkontaktwinkel vor (links) und nach (rechts) der Modifizierung einer Membranoberfläche. (Bild aus: https://doi.org/10.1002/admi.202000443)
Häufig begrenzen die Oberflächeneigenschaften von Membranen ihre Leistung. Daher ist die Oberflächenmodifizierung von Membranen eine attraktive Strategie zur Anpassung der Eigenschaften auf spezielle Trennprobleme und kann die Eigenschaften der Membran positiv beeinflussen.
Chemische Modifizierung von Membranen mit verschieden Oberflächenladungen. (Bild aus: https://doi.org/10.3390/membranes12060580)
Daher nutzen wir verschiedene Modifizierungsstrategien um Eigenschaften wie die Hydrophilie, die Ladung oder die mechanische Stabilität von Membranen zu verändern. Dies kann zur Verringerung von unerwünschten Effekten (wie Fouling), der allgemeinen Verbesserung der Membranleistung (z.B. Erhöhung der Permeation) oder der Verbesserung von Wechselwirkung mit speziellen Schadstoffen beitragen.
Die Modifizierung erfolgt dabei üblicherweise nach der Fertigung der Membranen. Dadurch bleiben Eigenschaften wie die Porengröße erhalten, während einzelne Eigenschaften (z.B. die Oberflächenladung) gezielt eingestellt werden können.
Neben der Modifizierung selbst, ist die anschließende Charakterisierung der Membranen essenzieller Bestandteil unserer Arbeit. Dazu stehen vielfältige moderne Techniken wie Wasserflussmessungen, Thermogravimetrie, Kalorimetrie, NMR- und IR-Spektroskopie.
Die Suche nach geeigneten Membranmaterialien ist häufig ein zeitaufwändiger Prozess, der auf langwierigen Ansätzen und Experimenten basierte. Maschinelles Lernen kann die Entwicklung neuer Membranen stark beschleunigen. Dazu nutzten wir vielfältige verfügbare Datensätze sowohl aus veröffentlichten Publikationen wie auch aus eigenen in der Vergangenheit gesammelten Daten. Mithilfe des maschinellen Lernens können Modelle entwickelt werden, die die Struktur-Eigenschafts-Beziehung von Membranmaterialien besser verstehen und vorhersagen. Dabei können mit dem maschinellen Lernen alle Prozesse von der Synthese von Polymeren bis hin zur Charakterisierung der Membranen optimiert werden. Von der nachhaltigen Wasseraufbereitung bis zur effizienten Gasabscheidung haben diese Fortschritte enormes Potenzial.
Adsorption toxischer Ionen
Bild: Hereon/Glass
Die Herstellung vieler Produkte für den menschlichen Bedarf hat zu einem enormen Wasserbedarf geführt, der die heute verfügbaren Wasserreserven stark belastet und verschmutzt. Ein Fokus des Hereon ist daher die Herstellung von Membranen für die Aufbereitung von Wasser.
Die Abteilung „Mikroporöse Polymere“ entwickelt dafür leistungsfähige Membranen, um zum Beispiel Mikroschadstoffe und Schwermetalle aus dem Wasser zu filtern. Eine Möglichkeit ist die Nutzung von ionenadsorbierenden Ultrafiltrationsmembranen. Diese bieten eine interessante Option zur Entfernung toxischer Ionen (z.B. Chromat) aus Wasser. Darüber hinaus ist es mit dieser Technik auch möglich, wertvolle Elemente wie Edelmetalle selektiv aus Abwasserströmen zurückzugewinnen.