IGF-Vorhaben 17378 N

Forschungsvorhaben im
Rahmen der industriellen
Gemeinschaftsforschung
Textile Filtermedien
Neue Adsorbentien hoher Selektivität und Kapazität auf textilen Filtermedien für die
Wasseraufbereitung
K. Peter1, L. Alsamman1, Th. Grethe2, M. Rabe2, M. Möller1
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DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien,
FTB – Forschungsinstitut für Textil und Bekleidung der Hochschule Niederrhein
1 Zusammenfassung
Das IGF-Projekt 17378 N richtete sich auf die Entwicklung textiler Filtermedien durch Nanoclaybasierte Beschichtungen mit hoher Selektivität und Kapazität für die Wasseraufbereitung,
insbesondere in kleinen, dezentralen Anlagen. Die Herausforderung bestand in der Auswahl,
Synthese bzw. Modifizierung geeigneter, Schichtsilikat-basierter Adsorbentien und deren
Kombination mit textilen Materialien für den Einsatz als textile Filtermedien. Dabei sollten die
resultierenden Filter aus Schichten unterschiedlicher Funktion zusammengesetzt sein, die den
Anforderungen zur Adsorption verschiedener Schadstoffarten gerecht werden. Des Weiteren
sollten Schichten entwickelt werden, die antimikrobiell wirksam sind und so zur Reduktion von
Keimen im Wasser beitragen, aber auch die Bildung von Biofilmen im Filter verhindern sollen.
Schichtsilikate sind preiswert, besitzen ein hohes Adsorptionsvermögen, sind leicht
modifizierbar und nicht toxisch und damit gut als Basismaterial geeignet.
Die Entwicklung der Adsorbentien erfolgte ausgehend von unmodifizierten Schichtsilikaten über
mit alkylammonium-Tensiden modifizierte Materialien, Interkalierte Pillared Clays mit
permanenter 3D-Struktur bis hin zu Porösen Clay Heterostrukturen (PCH) mit definierten
Porengrößen und –verteilungen. Während die meisten der Adsorbentien in der
Schadstoffadsorption hinter der von Aktivkohle zurückblieben, ist es mit PCH gelungen,
organische Funktionalisierungen kovalent an das anorganische Material zu binden und damit
spezifische Wechselwirkungen zwischen Adsorbens und Adsorptiv zu erzeugen. Mit
Aufnahmekapazitäten für z.B. Bisphenol A weit über der von Aktivkohle steht ein Material mit
hohem Potential für die Wasserreinigung zur Verfügung (Abbildung 1).
Die Adsorbentien wurden über drei unterschiedliche Verfahren auf das Textil aufgebracht: 1.
Schaumbeschichtungen, 2. Sol-Gel-Technik und 3. HT-Verfahren. Allen Verfahren gemeinsam ist,
dass die aufgetragenen Mengen an Adsorbentien vergleichsweise gering sind. Die
Aufnahmekapazität entspricht deshalb noch nicht vollumfänglich den Anforderungen. In diesem
Bereich sind weiterführende Arbeiten notwendig. Eine Leaching-freie, permanent gebundene,
antimikrobielle (AM) Ausrüstung von Filterschichten erfolgte über den kovalenten Einbau von
AM wirksamen Silanen in eine Sol-Gel-Beschichtung. Deren Effizienz wurde durch
Proliferationstest nachgewiesen.
Forschungsvorhaben im
Rahmen der industriellen
Gemeinschaftsforschung
Abbildung 1:
Textile Filtermedien
Darstellung der Aufnahmekapazität von Bisphenol A aus wässriger Lösung (1 mmol/l)
durch verschiedene Adsorbentien; Rot: Aktivkohle von Norit; Hellblau: Poröse
Heteroclay Strukturen (PCH) auf der Basis unterschiedlicher SiO2-Precursoren nach
Kalzinierung; Mittelblau: Poröse Heteroclay Strukturen (PCH) auf der Basis
unterschiedlicher PAOS-Modifikationen nach Extraktion; Grün: Poröse Heteroclay
Strukturen (PCH) auf der Basis von NH2(PAPTES)-modifiziertem PAOS als SiO2Precursor nach Extraktion.
Mit den entwickelten Adsorbentien, den Möglichkeiten zur Auftragung auf textile Filtermedien
sowie dem Ansatz zur antimikrobiellen Ausrüstung wird ein Baukastensystem bereitgestellt,
welches es erlaubt, für die jeweiligen Anforderungen spezifische Filter aufzubauen. Besonders
diese Variabilität des Baukastensystems, verbunden mit einer gegenüber Aktivkohle deutlich
vergrößerten Aufnahmekapazität ermöglicht es, auf die jeweiligen Verschmutzungen von
Wasser gezielt zu reagieren. Durch den Einsatz von textilen Materialien als eigentliche Filter
bildet die hier erarbeitete Lösung vor allem für KMU im Bereich der Herstellung und chemischer
Ausrüstung technischer Textilien, aber auch im Bereich Konfektionierung eine Sicherung und
ggf. auch eine Erweiterung des Marktes. KMU, die als Zulieferer von Bahn, Flugzeugen oder
Passagierschiffen das Problem der Bereitstellung von Trinkwasser in den entsprechenden
Nasszellen lösen möchten, bekunden ebenfalls Interesse an entsprechenden Filtern für die
dezentralen Anlagen zur Wasserbereitstellung sowie der Wasserreinigung. Die Konzentration
der Entwicklung auf preiswerte textile Filtermaterialien und Nanoclays anstelle von Aktivkohleoder Harzfiltern, liefert in einem von KMU geprägtem Geschäftsfeld positive Impulse auf den
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Textile Filtermedien
Einsatz besonders technischer Textilien für einen breiten Markt (Trinkwasserfilter und –
Reinigungssysteme, Geotextilien).
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 17378 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil wurde über
die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung
(IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert, wofür wir danken möchten.
Unser Dank gilt auch ganz besonders den Partnern aus der Industrie und den Verbänden, die
das Vorhaben mit ihren unentgeltlichen Beiträgen zu den Forschungsarbeiten gelingen ließen
und uns zum Teil überdurchschnittlich engagiert unterstützt haben.
Der Schlussbericht zum IGF-Forschungsvorhaben IGF 17378N „Textile Filtermedien mit hoher
Selektivität und Kapazität durch Nanoclay-basierte Beschichtungen für die Wasseraufbereitung“
ist über die Forschungsstelle zu beziehen: DWI – Leibniz Institut für Interaktive Materialien,
[email protected], Forckenbeckstr. 50, 52074 Aachen.
Gefördert durch:
Aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages