In dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) unter dem Aktenzeichen 37730/01-23 geförderten Projekt wurde ein innovatives Kaskadenfiltrationssystem für den Nachweis und die Analyse von Mikro- und Nanoplastik (MNP) in Umwelt- und toxikologischen Proben entwickelt. Das System ist so konzipiert, dass es Partikel mit einer Größe von mehr als 5 µm bis hinunter zu weniger als 100 nm erfasst, ein Bereich, der für die Überwachung neu auftretender Schadstoffe in Trinkwasser und anderen Medien entscheidend ist.
Die technische Arbeit konzentrierte sich auf den Entwurf eines mehrstufigen Filterlayouts und die Herstellung von Filtersubstraten auf Siliziumbasis mit präzise kontrollierten Porengeometrien. Zunächst wurde die Siliziumoberfläche durch Laserablation vorstrukturiert, wodurch ein Muster von Vertiefungen entstand, die als Keimstellen für das anschließende photoelektrochemische Ätzen dienten. Der Ätzprozess, der in einem mit einer Lichtquelle ausgestatteten Reaktor durchgeführt wurde, erzeugte Poren mit einem Durchmesser von 1 µm bis 10 µm und einer Membrandicke von 500 µm. Darüber hinaus wurden durch Laserbohren größere Poren (bis zu 50 µm) mit einem Abstand von 150 µm erzeugt, was die Erfassung größerer Mikroplastikfraktionen ermöglichte. Zur Verfeinerung der Porenverteilung und zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit wurden Siliziumnitrid (SiN)-Masken aufgebracht.
Bei den Leistungstests wurden wässrige Suspensionen von Partikeln aus Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS) und Poly(methylmethacrylat) (PMMA) mit bekannten Größenverteilungen gefiltert. Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bestätigte die Zurückhaltung von Partikeln oberhalb der festgelegten Grenzgrößen, während die Mikro-Raman-Spektroskopie und die Rasterkraftmikroskopie (AFM) das Vorhandensein von Nanoplastikfragmenten auf den Filteroberflächen bestätigten. Raman-Mapping zeigte ein photoelektrochemisches Signal, das um eine Größenordnung stärker war als der Substrathintergrund, was auf eine erfolgreiche Funktionalisierung des Filtermaterials hinweist. Die Kaskadenanordnung ermöglichte die selektive Anreicherung verschiedener Größenklassen, wobei die erste Stufe Partikel >5 µm auffing, die zweite Stufe Partikel von 1-5 µm zurückhielt und die letzte Stufe Fragmente unter 100 nm konzentrierte.
Um die Filter in die routinemäßigen Laborabläufe zu integrieren, wurde ein maßgeschneiderter Adapter für das Sartorius Trichtersystem hergestellt. Der Adapter, der aus einer Platte, einem Becher, einem O-Ring und einem Halter für die zweite Filterstufe besteht, gewährleistet eine dichte Abdichtung und erleichtert den Austausch der Filterstufen. Dieses modulare Design ermöglicht einen schnellen Durchsatz und Kompatibilität mit bestehenden Analysegeräten.
Das Projekt wurde in Zusammenarbeit zwischen der SmartMembranes GmbH, die das Design und die Herstellung der Filtersubstrate leitete, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, die akademische Expertise in Materialwissenschaften und analytischer Chemie beisteuerte, dem Fraunhofer-Zentrum für Oberflächenphysik (CSP), das fortschrittliche Oberflächencharakterisierung beisteuerte, und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die eine unabhängige Validierung der Filtrationsleistung durchführte, durchgeführt. Die Forschung erstreckte sich von Anfang 2023 bis Oktober 2024 und gipfelte in dem Abschlussbericht vom 28. Oktober 2024.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt eine skalierbare, hochauflösende Filtrationsplattform hervorgebracht hat, die in der Lage ist, Mikro- und Nanoplastik über ein breites Größenspektrum hinweg zu trennen. Die Kombination aus laserbasierter Strukturierung, photoelektrochemischem Ätzen und rigoroser analytischer Validierung zeigt die Machbarkeit des Einsatzes solcher Kaskadenfilter für die Umweltüberwachung und toxikologische Bewertung und unterstützt damit die Trinkwasserrichtlinie der Europäischen Union und die sich abzeichnenden regulatorischen Rahmenbedingungen für Plastikverschmutzung.