Wasser als gastrennende Membran

Eine neue Methode zur Reinigung industrieller Gase

Viele der Gase, die unsere Welt antreiben, kommen mit Kohlendioxid vermischt, dessen Entfernung kostspielig ist und das bei Freisetzung in großen Mengen schädlich wirkt. Diese Studie zeigt, dass etwas so Einfaches wie Wasser in einen leistungsfähigen Filter verwandelt werden kann, der Kohlendioxid effizienter von anderen Gasen trennt und so den Energiebedarf und die Umweltbelastung von Prozessen wie CO2-Abscheidung, Erdgasaufbereitung und Biogasaufwertung potenziell verringern kann.

Lernen vom Atem der Bäume

Bäume vollbringen jeden Tag stillschweigend eine anspruchsvolle Trennaufgabe. In ihren Blättern löst sich Kohlendioxid aus der Luft in winzigen, mit Wasser gefüllten Kanälen, bevor es in der Photosynthese genutzt wird. Diese Kanäle halten das Wasser selbst bei sehr niedrigen oder hohen Drücken innerhalb der Pflanze fest an Ort und Stelle. Die Forschenden haben sich diese Idee aus der Natur abgeschaut und gefragt, ob eine dünne Schicht flüssigen Wassers, die in ebenso winzigen, künstlichen Poren gehalten wird, als selektives Tor für Gase in industriellen Anlagen dienen könnte.

Wasser in einen funktionierenden Filter verwandeln

Das Team baute Membranen aus porösen Materialien, deren Innenflächen Wasser stark anziehen. Wird eine kleine Menge Wasser zugegeben, zieht es in die Poren unter 100 Nanometern Durchmesser ein und bleibt dort, wobei eine zusammenhängende Flüssigkeitsschicht entsteht. Gas auf der einen Seite der Membran kann nur passieren, indem es sich zuerst in diesem Wasser löst, dann langsam darin diffundiert und schließlich auf der anderen Seite wieder als Gas austritt. Da Kohlendioxid in Wasser viel besser löslich ist als Stickstoff, Methan oder Wasserstoff, durchdringt es die Membran deutlich leichter, während die anderen Gase größtenteils zurückgehalten werden.

Geschwindigkeit, Selektivität und Robustheit ausbalancieren

Indem sie die Dicke der eingeschlossenen Wasserschicht präzise steuerten, konnten die Forschenden die Durchlässigkeit für Gase einstellen. Dünnere Wasserschichten bedeuten kürzere Wege für gelöste Gasmoleküle, wodurch die Gesamtflussrate steigt. Bemerkenswert ist, dass das Verkleinern der Wasserschicht auf unter 200 Nanometer den Durchsatz für Kohlendioxid um nahezu drei Größenordnungen erhöhte, ohne dessen starke Bevorzugung gegenüber anderen Gasen zu beeinträchtigen. Die Membranen mit den dünnsten Wasserschichten erreichten sehr hohe CO2-Flussraten und trennten es dennoch deutlich besser von Stickstoff, Methan und Wasserstoff als die meisten vorhandenen industriellen Membranen.

Stabilität unter rauen Bedingungen

Damit eine neue Trenntechnologie in der Praxis relevant wird, muss sie realen Drücken, Trockenheit und komplexen Gasgemischen standhalten. Die nanoskaligen Poren in diesen Wassermembranen erzeugen starke Kapillarkräfte, die das Wasser auch dann an Ort und Stelle halten, wenn die Gasdrücke 70 bar oder mehr überschreiten – ein Bereich, der für die Erdgasverarbeitung relevant ist. Das Team zeigte, dass die Leistung über mindestens acht Tage Dauerbetrieb mit sehr trockenen Gaszuführungen stabil blieb, weil Wasser, das in so kleinen Räumen eingeschlossen ist, nur langsam verdunstet. Sie testeten außerdem handelsübliche Polymermembranen, die mit Wasser gefüllt waren, und fanden heraus, dass diese zwar dicker und weniger permeabel sind, aber eine ähnliche CO2-Selektivität zeigten und Mischgasströme im Crossflow bewältigten, was darauf hindeutet, dass ein Hochfahren zur großtechnischen Anwendung machbar sein sollte.

Was das für die künftige Gasreinigung bedeutet

Einfach formuliert zeigt die Studie, dass eine dünne, gut eingeschlossene Wasserschicht viele der heute verwendeten fortschrittlichen Materialien bei der Abtrennung von Kohlendioxid übertreffen kann. Die wesentlichen Vorteile sind, dass Wasser reichlich vorhanden, ungiftig und unter hohem Druck in winzigen Poren stabil ist und dass seine natürliche Neigung, Kohlendioxid deutlich leichter zu lösen als andere übliche Gase, den größten Teil der Trennarbeit übernimmt. Mit weiterer Ingenieursarbeit zur Optimierung von Trägermaterialien, Porengrößen und der Beständigkeit gegenüber komplexen Gasströmen könnten wassergestützte Membranen zu einer robusten, energieeffizienten und umweltfreundlichen Plattform für die Reinigung industrieller Gase werden.

Zitation: Lopez, K.P., Saffer-Meng, M., Allouzi, M. et al. Water as a gas separation membrane. Nat Commun 17, 4311 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70630-w

Schlüsselwörter: Wassermembran, Kohlendioxidtrennung, Gasreinigung, nanoporöse Materialien, CO2-Abscheidung