Ultradünne Polymermembranen, deren winzige Poren dauerhaft in Form gehalten werden, könnten komplexe Kohlenwasserstoffgemische künftig weit energieärmer auftrennen als die heute übliche thermische Destillation. Entwickelt wurden sie von einem internationalen Forschungsteam, dessen Arbeit das britische Deep-Tech-Unternehmen Exactmer leitete.
Die Aufbereitung von Rohöl beruht bislang auf thermischer Destillation, einem Verfahren, das etwa ein Prozent des weltweiten Energieverbrauchs beansprucht. Die neuen Membranen verbinden eine hohe molekulare Trennschärfe mit einem raschen Transport der Flüssigkeit, eine Kombination, die sich auf diesem Gebiet lange nicht verwirklichen ließ, und lassen sich zugleich großtechnisch fertigen.
Fixierte Nanoporen verhindern das Aufquellen
Den Kern des Verfahrens bildet eine neue Herstellungsweise für Polymermembranen, bei der die nanometerkleinen Poren bereits während ihrer Entstehung fixiert werden. Ausgangspunkt sind Polymere mit intrinsischer Mikroporosität, deren schwammartige Struktur Poren im Bereich unter einem Nanometer enthält. Solche Poren eignen sich, um Moleküle nach Größe und Art zu unterscheiden, doch quellen die Polymere beim Kontakt mit Kohlenwasserstoffen auf, wodurch sich die Poren weiten und ihre Trennschärfe verlieren.
Um das zu verhindern, entwickelte das Team ein in-situ ablaufendes Vernetzungsverfahren, das die Polymerstruktur schon während der Membranbildung stabilisiert und die Poren in ihrer optimalen Anordnung festhält. Die so entstehenden Werkstoffe bezeichnen die Forscher als Polymere mit fixierter intrinsischer Mikroporosität (PLIM), wobei die Vernetzungskomponente dem Polymerfilm bereits bei der Fertigung beigemischt wird. Zhiwei Jiang, der die Arbeiten als Head of Membrane Research bei Exactmer leitete und heute Assistant Professor an der Nanyang Technological University in Singapur ist, beschreibt den Kernpunkt so: „Entscheidend war es, die Struktur zu stabilisieren, bevor das Polymer aufquellen konnte. Das bewahrt die winzigen Poren, die eine molekulare Trennung möglich machen, und lässt die Kohlenwasserstoffe zugleich sehr schnell hindurchströmen.“
Dass Membranen dieselbe Aufgabe wie eine Destillation übernehmen könnten, gilt in der Fachwelt seit Langem als möglich. Andrew Livingston, Professor of Chemical Engineering und Vice President Research and Innovation an der Queen Mary University of London sowie CEO von Exactmer, benennt die eigentliche Hürde: „Membranen können im Prinzip dieselbe Arbeit wie Destillation oder Verdampfung leisten und dabei weit weniger Energie verbrauchen. Das Problem lag darin, Materialien zu finden, die im Kontakt mit echten Kohlenwasserstoffgemischen zugleich schnell und selektiv sind.“ Um die molekularen Ursachen der Fixierung zu klären, setzte ein Team des University College London um Dr. Foglia quasielastische Neutronenstreuung an der ISIS Neutron and Muon Source ein, der nationalen gepulsten Neutronenquelle Großbritanniens.
Trennung bis auf die Molekülgröße bei Rohöl und Naphtha
Im Test mit synthetischem Rohöl erreichten die Polymermembranen eine bis zu zehnfach höhere Permeanz als bisherige Spitzenmaterialien und hielten dabei eine hohe Selektivität. Sie erfassten selbst geringste Größenunterschiede zwischen Kohlenwasserstoffmolekülen. Mit echtem Rohöl der Sorte Arabian Extra Light entfernten die Membranen 99,8 Prozent aller Kohlenwasserstoffe mit mehr als 15 Kohlenstoffatomen und senkten den Anteil schwefelhaltiger Verbindungen um 93 Prozent, wodurch nachgelagerte Katalysatoren und Anlagen geschützt werden.
Bei Raffinerieströmen wie Rohbenzin trennten die Membranen leichte Kohlenwasserstoffe von C4 bis C6, die sich zur Kraftstoffveredelung eignen, von schwereren Naphtha-Fraktionen, aus denen Kunststoffe und Chemikalien entstehen. Die dabei erreichten Permeanzen lagen im Bereich handelsüblicher Entsalzungsmembranen.
Polymermembranen für den industriellen Maßstab
Die Forscher zeigten zudem, dass sich die Membranen im großen Maßstab herstellen lassen. Über ein Roll-to-Roll-Verfahren fertigten sie mehr als einen Meter breite Bahnen und bauten diese in handelsübliche spiralförmig gewickelte Membranmodule ein, wie sie in der Industrie verbreitet sind. Über 30 Tage kontinuierlichen Betriebs blieb die Leistung stabil, was auf eine Eignung für den realen industriellen Einsatz hindeutet. Adam Oxley, Erstautor der Studie und heute Deputy Vice President Membranes bei Exactmer, ordnet das Ergebnis ein: „Diese Membranen sind keine bloßen Laborkuriositäten. Sie lassen sich mit etablierten Fertigungstechniken produzieren und in bestehende industrielle Moduldesigns einpassen. Bei Exactmer bringen wir diese neuen Techniken in Membranen für hochwertige Trennungen in organischen Lösungsmitteln ein.“
Während sich das Energiesystem in Richtung kohlenstoffärmerer Alternativen bewegt, bleibt die Nachfrage nach Kraftstoffen, Chemikalien, Lösungsmitteln und Werkstoffen auf Basis von Kohlenwasserstoffen bestehen. Effizientere Trennverfahren könnten daher helfen, den Energieverbrauch deutlich zu senken, Emissionen zu verringern, mit kleineren und flexibleren Anlagen auszukommen und die Entschwefelung früher in den Raffinerieprozess zu integrieren. Nach Einschätzung der Forscher ließe sich das Prinzip der fixierten Poren auf weitere Trennaufgaben übertragen, etwa in der chemischen Produktion, der Lösungsmittelrückgewinnung und bei biobasierten Rohstoffen. Derzeit untersucht das Team umweltfreundlichere Lösungsmittel für die Fertigung sowie den Einsatz der Polymermembranen in gezielten Hybridprozessen neben bestehender Raffinerieinfrastruktur und in der Herstellung hochwertiger Arzneimittel in organischen Lösungsmitteln.
Getragen wurde das Projekt von Exactmer in Zusammenarbeit mit der Queen Mary University of London, der University of Edinburgh, der KAUST, dem University College London und internationalen Mitwirkenden, darunter SINOPEC, mit Unterstützung von UKRI, EPSRC und KAUST. Andrew Livingston zieht ein Fazit: „Diese Arbeit zeigt, dass die membranbasierte molekulare Trennung in organischen Flüssigkeiten nicht länger nur eine theoretische Möglichkeit ist. Mit dem richtigen Materialdesign kann sie schnell, selektiv und skalierbar sein, bereit für die Industrie.“ Finanziert wurden Zhiwei Jiang und Adam Oxley über ein UKRI Future Leadership Fellowship, ergänzt durch Mittel aus dem Programm SynHiSel, einer mit neun Millionen Pfund vom EPSRC geförderten Initiative, in der sechs britische Hochschulen, die University of Bath, das Imperial College London, die University of Edinburgh, die University of Manchester, die Newcastle University und die Queen Mary University of London, gemeinsam mit zwölf Industriepartnern hochselektive Membranen für nachhaltige chemische Trennungen entwickeln.
Originalpublikation: Adam Oxley et al. ,Ultrathin polymer membranes with locked intrinsic microporosity for hydrocarbon fractionation.Science392,1268-1273(2026).DOI:10.1126/science.aed1111
