Hocheffizienter Schwermetall-Filter

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Zahlreiche Bindungsstellen für Giftstoffe

Das Verfahren zur Filtration ist denkbar einfach: Verunreinigtes Wasser wird mithilfe eines Vakuums durch die Membran gesogen. «Ein genügend grosses Vakuum könnte man auch mit einer einfachen Handpumpe erzeugen», sagt Mezzenga, «dadurch kann das Filtersystem auch ohne Strom betrieben werden.» Zudem ist das System fast beliebig skalierbar, sodass auch grosse Wassermengen kostengünstig filtriert werden könnten.

Die giftigen Substanzen bleiben beim Durchsaugen des Wassers hauptsächlich an den Proteinfasern «kleben». Letztere haben zahlreiche Bindungsstellen, an denen einzelne Metall-Ionen andocken können. Doch auch die Aktivkohle mit ihrer grossen Oberfläche kann grosse Mengen von Giftstoffen absorbieren. Dies verschiebt die Sättigungsgrenze der Membran nach oben. Darüber hinaus verleihen die Proteinfasern der Membran ihre mechanische Stärke und erlauben bei hohen Temperaturen die chemische Umwandlung der gefangenen Ionen in wertvolle metallische Nanopartikel.

Unübertroffenes Absorptionsvermögen

Von der Filterkapazität der Hybridmembran ist Mezzenga begeistert: Bei Tests mit Quecksilberchlorid etwa sank die im Filtrat vorhandene Quecksilberkonzentration um mehr als 99,5 Prozent. Noch effizienter absorbierte die Hybridmembran eine giftige Kalium-Gold-Cyanid-Verbindung oder Blei-Salze: Erstere wurden zu 99,98 Prozent in der Membran gebunden, letztere zu 99,97 Prozent. Vom radioaktiven Uran wurden durch die Filtration 99,4 Prozent der ursprünglichen Konzentration gebunden. «Diese hohen Werte erzielten wir mit nur einem Durchgang», betont Miterfinder Bolisetty.

Auch über mehrere Durchläufe hinweg filtert die Hybridmembran Giftstoffe sehr zuverlässig heraus. Zwar stieg die Quecksilber-Konzentration im Filtrat nach zehn Durchläufen auf das Zehnfache, von 0,4 ppm auf 4,2 ppm (parts per million). Die eingesetzte Menge Protein war jedoch extrem klein. Um insgesamt einen halben Liter verschmutztes Wasser zu filtrieren, verwendeten die Forscher eine Membran, die gerade mal ein zehntel Gramm wog, davon entfielen sieben Gewichtsprozent auf die Proteinfasern.

«Mit einem Kilo Protein lassen sich 90000 Liter Wasser – in etwa der lebenslange Bedarf eines Menschen - reinigen», sagt der ETH-Professor. Das heisst aber auch, dass die Effizienz der Filtermembran nach Bedarf weiter gesteigert werden kann, indem ihr Proteingehalt entsprechend erhöht wird. «Das zeigt, wie flexibel der gewählte Ansatz ist», ergänzt Mezzenga.

Vielversprechendes Potenzial

Mezzenga ist zuversichtlich, dass seine Technologie den Weg auf den Markt finden wird. «Anwendungen dafür gibt es viele, und das Wasserproblem ist eines der drängendsten unserer Zeit», sagt er, gerade auch mit Blick auf die Schlammflutwelle in Brasilien. Der ETH-Professor hat denn auch seine Technologie patentieren lassen und wurde im März 2015 hierfür für den Spark Award der ETH Zürich nominiert. Weil aber die wissenschaftliche Publikation einen neunmonatigen Review-Prozess durchlaufen musste, können Bolisetty und Mezzenga ihre Erfindung erst jetzt der Öffentlichkeit vorstellen.

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