Forschende und Ingenieur*innen aus sieben Ländern wollen spezielle Filter im Nano-Maßstab entwickeln. Sie kooperieren in einem neuen Projekt, das jetzt von der Europäischen Union bewilligt wurde. Die neuen Filter sollen Reinstwasser erzeugen, etwa für Anwendungen in Industrie und Forschung. Zugleich sollen sie es ermöglichen, Wasser aus Flüssigkeiten wie Milch oder Fruchtsaft zu extrahieren, um Konzentrate zu erzeugen. Gefördert wird das Projekt mit insgesamt drei Millionen Euro. Die Universität Bielefeld übernimmt die Leitung der bis 2023 laufenden Forschungskooperation.
Das Projekt arbeitet mit Carbon-Nanomembranen (CNM). Das sind Millionstel-Millimeter dünne Blättchen aus Kohlenstoff. „Diese Nanomembranen haben besondere Trenneigenschaften“, sagt der Physikprofessor Dr. Armin Gölzhäuser von der Universität Bielefeld, der das neue Projekt leitet. Co-Projektleiter ist der Physikprofessor Dr. Dario Anselmetti, ebenfalls von der Universität Bielefeld.
Nanomembranen für Industrie und Forschung
„Die CNM sind extrem durchlässig für Wasser und blockieren gleichzeitig den Durchfluss aller anderen Stoffe – zum Beispiel gelöste Salze oder kleine organische Moleküle“, erklärt Gölzhäuser. 2018 gelang es Gölzhäusers Arbeitsgruppe erstmals, eine CNM herzustellen, die Wassermoleküle durchlässt, andere Stoffe hingegen herausfiltert.
Das neue Projekt soll die besonderen Eigenschaften der Nanomembranen für den Einsatz in Industrie und Forschung nutzbar machen. „Dafür gehen wir über den Labormaßstab hinaus und produzieren funktionsfähige Nanomembranen mit sehr viel größeren Flächen“, sagt Gölzhäuser. „Dazu gehört auch, dass wir eigene Prototyp-Anlagen entwickeln, die mit den Membranen filtern können.“ Wie gut die Filteranlagen arbeiten, wird schließlich von dem Kooperationspartner CNM Technologies unter realistischen Bedingungen getestet. Die Firma ist eine Ausgründung der Universität Bielefeld und hat ihren Sitz im Innovationszentrum Campus Bielefeld (ICB).
Filter für Reinstwasser und Getränkekonzentrate
Die Filteranlagen sollen zunächst zwei unterschiedliche „Produkte“ herstellen können: Reinstwasser und Getränkekonzentrate. Reinstwasser ist Wasser mit so wenig gelösten Stoffen wie möglich. Salze und Verunreinigungen sind herausgefiltert. „Benötigt wird solches Wasser überall dort, wo es extrem sauber zugehen muss“, sagt der Co-Projektleiter Dario Anselmetti. Das betrifft zum Beispiel Produkte in der Pharmaindustrie, die Computerchip-Herstellung und Versuche in der Mikrobiologie.
Getränkekonzentrate werden in der Lebensmittelindustrie genutzt, um Transport- und Lagerkosten zu senken. Frisch gepresste Säfte werden gewöhnlich erhitzt, um das Volumen zu reduzieren. Im Projekt soll hingegen ein Verfahren genutzt werden, das ohne Erwärmung auskommt: „Cold Concentation“ (kalte Konzentration). Säfte werden dabei durch die Nano-Filter entwässert. Zurück bleibt ein Konzentrat, das bis zum Fruchtpulver gefiltert sein kann. Auch Milch und Kaffee können so in Pulver umgewandelt werden. „Die kalte Konzentration spart viel Energie im Vergleich zu den thermischen Verfahren und zerstört keine Geschmacksstoffe“, sagt Armin Gölzhäuser.
Das Projekt heißt „Water separation revolutionized by ultrathin carbon nanomembranes“ (Revolutionierte Wasserabspaltung durch ultradünne Kohlenstoff-Nanomembranen), Kurztitel: „Its-thin“. Gefördert wird das Projekt vom EU-Forschungsrahmenprogramm Horizon 2020 über die Säule „Wissenschaftsexzellenz“, Themenbereich „Future and Emerging Technologies“ (Neue und künftige Technologien).
Von den drei Millionen Euro Gesamtförderung gehen 890.000 Euro an die Universität Bielefeld. Zum „Its-thin“-Verbund gehören die Universität Maribor (Slowenien), die Technische Universität Dänemarks, die Universität Patras (Griechenland), die Technische Universität Riga (Lettland), die École normale supérieure de Paris (Frankreich) sowie das auf Nanomembranen spezialisierte Unternehmen CNM Technologies (Deutschland) und der Prozessentwickler BLUE-tec (Niederlande).
Researchers and engineers from seven countries want to develop special filters on the nano scale. They are cooperating in a new project that has now been approved by the European Union. The new filters are to produce ultrapure water for applications in, for example, industry and research. At the same time, they should make it possible to extract water from liquids such as milk or fruit juice to produce concentrates. The project is being funded with a total of three million euros. Bielefeld University will be in charge of the research cooperation that will run until 2023.
The project works with carbon nanomembranes (CNM). These are thin sheets of carbon that are a millionth of a millimetre thick. ‘These nanomembranes have special separation properties,’ says the head of the new project, physics professor Dr Armin Gölzhäuser from Bielefeld University. Co-project manager is physics professor Dr Dario Anselmetti, also from Bielefeld University.
‘CNM are extremely permeable for water while simultaneously blocking the flow of all other substances such as dissolved salts or small organic molecules,’ Gölzhäuser explains. In 2018, Gölzhäuser’s research group succeeded in producing the first ever CNM that allows water molecules to pass through while filtering out other substances.
The new project aims to exploit the special properties of nanomembranes for industry and research. ‘To achieve this, we are going beyond the laboratory scale and producing functional nanomembranes with much larger surfaces,’ says Gölzhäuser. ‘We shall also be developing our own prototype plants that can filter with the membranes. ‘How well the filter systems work will finally be tested under realistic conditions by our cooperation partner CNM Technologies. The company is a spin-off of Bielefeld University and is based in the Innovationszentrum Campus Bielefeld (ICB).
The filter plants should initially be able to produce two different ‘products’: ultrapure water and beverage concentrates. Ultrapure water is water containing as few dissolved substances as possible. Salts and impurities are filtered out. ‘Such water is needed wherever things have to be extremely clean,’ says co-project manager Dario Anselmetti. Examples are products in the pharmaceutical industry, computer chip production, and experiments in microbiology.
Beverage concentrates are used in the food industry to reduce transport and storage costs. Freshly squeezed juices are usually heated to reduce their volume. However, the project will be applying a process that does not require heating: ‘cold concentration’. The nano filters remove the water from the juices. What remains is a concentrate that can be filtered down to a fruit powder. Milk and coffee can also be converted into powder this way. ‘Cold concentration saves a lot of energy compared to thermal processes and does not destroy any flavours,’ says Armin Gölzhäuser.
The project is called ‘Water separation revolutionized by ultrathin carbon nanomembranes’, short title: ‘Its-thin’. The project is being funded by the EU Research Framework Programme Horizon 2020 under the pillar ‘Scientific Excellence’, thematic area ‘Future and Emerging Technologies’.
Of the three million euros in total funding, 890,000 euros will go to Bielefeld University. The ‘Its thin’ network includes the University of Maribor (Slovenia), the Technical University of Denmark, the University of Patras (Greece), the Technical University of Riga (Latvia), the École normale supérieure de Paris (France), the company CNM Technologies (Germany), which specializes in nanomembranes, and the process developer BLUE-tec (Netherlands).
