Wasserreinigung leicht gemacht

Vielen Menschen auf der Welt fehlt der Zugang zu sauberem Trinkwasser. In Regionen wie Bangladesch müssen viele Millionen tagtäglich Wasser konsumieren, das Arsen enthält – was zu neurologischen Problemen, Organversagen und sogar zum Tod führen kann. Die Herstellung robuster Wasserfilter, die sowohl Salz als auch Arsen entfernen können, ohne dass dies zu viel Energie verbraucht, gilt seit langem als technische Herausforderung. Forscher bei IBM haben nun ein Material entwickelt, das Trinkwasser deutlich effizienter reinigen soll. Es stammt ausgerechnet aus der Herstellung von Computerchips.

Polymer-Membran-Wasserfilter werden bereits seit den Siebzigerjahren verwendet. "Hier fehlt es auf Materialseite seit langem an großen Innovationen", sagt Robert Allen, leitender Manager für den Forschungsbereich Chemie am IBM Almaden Research Center im kalifornischen San Jose. Die Technik hat ihre Probleme: Das dabei verwendete Chlor zum Abtöten von Krankheitserregern sorgt dafür, dass die Filter mit der Zeit unbrauchbar werden. Ebenso problematisch ist, dass sie zu schnell faulen und verstopfen, wenn mit Protein oder Öl verdrecktes Wasser mit Hilfe des Entsalzungsprozesses der Umkehrosmose durch sie hindurch getrieben wird.

Die IBM-Forscher haben deshalb ein neuartiges Membran-Material entwickelt, das diesen Problemen widersteht, gleichzeitig aber auch Arsen aus dem Wasser holt. Es besteht aus Kunststoffen, die in Allens Labor und beim Tokioter Spezialanbieter Central Glass entstanden. Die dabei verwendeten so genannten Hexafluor-Alkohole werden normalerweise als Material zum Prägen kleinster Muster in Computerchips verwendet. Die IBM-Forscher fanden heraus, dass sich aus dieser Zusammensetzung auch gute Wasserfilter herstellen lassen. Weitere Mitarbeiter des Projekts waren Benny Freeman, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Texas in Austin und die King Abdul Aziz City for Science and Technology in Saudi-Arabien, wo man seit langem viel Geld in die Meerwasserentsalzung steckt.

Damit die Membran gut funktioniert, benötigt sie eine hohe pH-Wert-Empfindlichkeit. Bei einem hohen pH-Wert laden sich die Arsenbestandteile im Wasser auf und die Fluorgruppen auf dem Polymer, die sich ebenfalls aufladen, stoßen die toxische Chemikalie ab. Andere Membrantypen besitzen die zu dieser Arsenionisation notwendigen Eigenschaften nicht, sagt Allen. Es gibt dabei zwei Grundformen des Giftstoffes, die unterschiedlich schwer zu entfernen sind. Traditionelle Filter können nur rund 80 Prozent der schweren Form zurückhalten, der IBM-Filter erreicht 95 Prozent. Je nach Wasserprobe waren so Werte zwischen 96 und 99 Prozent Arsenreduktion zu erzielen, sagt Allen.

Die neue Polymer-Membran soll es außerdem erleichtern, energieeffizienter zu entsalzen, solange das Wasser einen hohen pH-Wert aufweist. Dieser hilft dabei, dass das Wasser schneller durch den Filter gelangt als bei anderen Materialien. Young-Hye Na, Hauptforscherin bei dem Projekt, meint, dass die Fluorgruppe auf dem Polymer es außerdem vor Chlor schütze. So müssten die Filter seltener gereinigt werden. Nach zwei Stunden der Filterung ölreichen Wassers verstopfen reguläre Membranen. Das Fluor enthaltende Polymer arbeitete im Versuch zwei Tage ohne Probleme durch.

Allerdings ist das Ausgangsmaterial zum Aufbau der neuen Filtermembranen teurer als bei herkömmlichen Polymeren. "Doch die Schicht ist sehr dünn, nur 100 Nanometer. Und wenn es funktioniert, lohnt sich das", sagt Allen. IBM hofft, seine Membran demnächst in Bangladesch testen zu können, wo derzeit Millionen von Menschen arsenverseuchtes Wasser zu sich nehmen müssen. (bsc)