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Apr 01, 2023

Ein neuartiger Membranentsalzungsansatz könnte Trinkwasser aus Meerwasser liefern

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Da 71 Prozent der Erde mit Wasser bedeckt sind, also etwa 326 Trillionen Gallonen (oder 1233,9 Trillionen Liter), kann man leicht davon ausgehen, dass es ausreichend Wasser gibt, um den menschlichen Bedarf zu decken. Der größte Teil des Wassers auf der Erde ist jedoch salzig, also salzhaltig, und hat keinen großen Nutzen, wenn es um das geht, was wir trinken, darin baden oder zum Anbau von Nahrungsmitteln verwenden.

Für diese Zwecke wird Süßwasser benötigt – und es stellt sich heraus, dass es sich tatsächlich um relativ knappes Wasser handelt. Da sie weniger als drei Prozent des Wassers der Erde ausmachen und größtenteils in Gletschern versteckt sind, können Sie sehen, wohin dies führt, insbesondere in einer wärmeren, trockeneren Zukunft. Die Wahrheit ist, dass auch heute noch Milliarden von Menschen auf der ganzen Welt keinen Zugang zu nutzbarem, sauberem Wasser haben, was zu einer sogenannten globalen Wasserkrise führt.

Vor diesem Hintergrund ist die Entsalzung, also die Entfernung von Salz aus Meerwasser oder salzhaltigem Grundwasser, heute gefragter denn je. Dennoch sind herkömmliche Methoden, die seit Jahrzehnten angewendet werden, immer noch sehr energieaufwendig und kostspielig. Zum ersten Mal haben Forscher der University of Jordan, der Arab Open University und der King Abdullah University of Science and Technology eine neuartige Klasse von biporösen Membranen auf Aluminiumbasis entwickelt und eingesetzt, um Salz effektiv aus Meerwasser zu entfernen, und zwar bei Temperaturen, die viel niedriger sind als bei herkömmlichen Alternativen .

Im Bereich der Entsalzung mittels Verdunstung schlagen die Forscher vor, dass diese Membrantechnologie einen bedeutenden Durchbruch in Bezug auf Kosten, Energie und Nachhaltigkeit darstellt.

Dr.Mohammed Rasool Qtaishat, einer der führenden Forscher hinter der neuartigen biporösen Membran, erklärt gegenüber IE: „Die neue Technologie ermöglicht die Verdampfung von Wasser bei Umgebungstemperaturen von [ungefähr] 25 °C, sodass die Entsalzung ohne Heiz- oder Druckanforderungen erreicht werden kann.“ wird viel Energie sparen und zu möglichst geringen Kosten Trinkwasser aus dem Meerwasser bereitstellen, und es ist umweltfreundlich.“

Und das ist nicht alles. Die Forschung ergab, dass die biporöse Membran bei langfristigen Entsalzungsprozessen stabil war, was beweist, dass die Methode das Potenzial für einen nachhaltigen Betrieb hat, sollte sie ausgeweitet werden.

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Was genau ist Entsalzung?

Entsalzung ist ein allgemeiner Begriff für Methoden zur Entfernung von Salzgehalten aus Wasserquellen wie Meerwasser oder salzhaltigem Grundwasser. Entsalzungsverfahren können in zwei Gruppen eingeteilt werden: thermisch oder membranbasiert, wobei Letzteres die erste Wahl ist. Allerdings haben sich Membrantechnologien wie die Umkehrosmose seit den 1960er Jahren rasant weiterentwickelt und neue Pilotanlagen haben sogar die Leistungsfähigkeit thermischer Verfahren übertroffen.

Mehrere in der Vergangenheit verwendete herkömmliche Technologien erforderten das Erhitzen des Salzwassers vor der Entsalzung. Das Problem bei diesen Methoden besteht darin, dass sie energieintensiv sind, was sie teuer und im Hinblick auf die CO2-Nutzung ineffizient macht. Darüber hinaus würden die meisten herkömmlichen Heizmethoden Kohlendioxid erzeugen, das die wachsende Bedrohung durch die globale Erwärmung noch verstärkt.

Professor Qtaishat erklärt gegenüber IE weiter: „In der Antike wurde die Entsalzung durch Verdampfen und anschließendes Kondensieren des Wassers erreicht, was Erhitzen und viel Energie erforderte. In jüngster Zeit wurden neue Techniken entwickelt, die keine Verdampfung erfordern, die sogenannte Membranentsalzung, wie etwa die Umkehrosmose.“ . Statt zu erhitzen und zu verdampfen, wird hoher Druck ausgeübt. Dadurch wird das Wasser durch die Membran gedrückt und das Salz bleibt zurück. Auch hier ist der hohe Druck energieintensiv.“

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Um den Energieverbrauch zu reduzieren, sei es in Form von Erwärmung oder der Anwendung von Außendruck, ist es wichtig, die Entsalzung bei minimalen Temperaturunterschieden zwischen den Membranen oder bei Umgebungstemperaturen durchzuführen.

Hier kommt die Membranentsalzung (MD) ins Spiel. Die erforderliche niedrige Betriebstemperatur und der erforderliche Druck, die hohe Entsalzungskapazität und die einzigartige Fähigkeit, mit Energiequellen geringer Intensität zu arbeiten, könnten dieses Verfahren zu einer erfolgreichen Alternative zu traditionelleren Entsalzungsverfahren machen.

Die neue Klasse von biporösen Membranen auf Aluminiumbasis nutzt einen neuartigen Entsalzungsansatz, der umweltfreundlich, nachhaltig und kostengünstig ist. All diese Funktionen könnten bei Problemen wie hohen Energiekosten und Wasserknappheit helfen, mit denen Länder mit niedrigem Einkommen häufig konfrontiert sind.

Angesichts der katastrophalen Auswirkungen einer nicht nachhaltigen Energienutzung auf das Erdklima zeigen die neuen biporösen Membranen auf Aluminiumbasis das Potenzial, Abhilfe zu schaffen. Der Ansatz ist der erste Versuch, die Möglichkeit aufzuzeigen, eine Entsalzungsmembran zu entwerfen, die Wasser mit einem vernachlässigbaren Temperaturunterschied zwischen der Membran sowohl auf theoretischer als auch auf experimenteller Ebene reinigen kann.

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Die neuartige biporöse Membran besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: einer aktiven Schicht, die über einer Trägerschicht liegt. Die aktive Schicht wird aus einem fluorbasierten Material mit niedriger Oberflächenenergie hergestellt, was im Grunde bedeutet, dass sie nicht leicht molekulare Bindungen eingeht. Diese Schicht verhält sich ähnlich wie die wachsartige Beschichtung eines Lotusblattes, an dessen Oberfläche Wassertropfen abperlen.

Die Trägerschicht hat eine nicht verformbare Wabenporenstruktur, die aus einer hochreinen Aluminiumoxidmatrix besteht, die als Anodenschicht bekannt ist. Diese anodische Trägerschicht wird typischerweise sowohl für die Flüssigkeits- als auch für die Luftfiltration verwendet, da sie eine genau kontrollierte Porengrößenverteilung mit hoher Festigkeit und Flexibilität bietet.

Das Ergebnis? Eine biporöse Struktur, die eine dünne aktive Schicht mit einer großen Anzahl von Nano- oder Sub-Nanometer-Poren (hydrophob) in Verbindung mit einer dicken Trägerschicht mit viel größeren Poren im Mikrometerbereich (hydrophil) umfasst.

Die aktive Schicht ist hydrophob, um zu verhindern, dass Wasser hindurchfließt, und bildet eine Grenzfläche, die groß genug ist, um einen Anstieg des Dampfdrucks zu bewirken. Andererseits ist die Trägerschicht hydrophil, um Wasser in ihre Poren zu ziehen.

Die aktive Schicht ist außerdem von entscheidender Bedeutung hydrophob, um die Übertragung von Salz zu verhindern, und lässt nur Wasserdampf durch und in die hydrophile Schicht eindringen. Das Design einer solchen biporösen Membranstruktur basiert auf dem Grundkonzept des Kapillareffekts – der primären Kraft, die Flüssigkeit in einem Rohr nach oben bewegt.

Bei herkömmlichen Entsalzungsprozessen wird das Salzwasser erhitzt und Wasserdampf erzeugt, der separat destilliert und Salze zurücklässt. „Unsere neue Technologie wurde von der Tatsache inspiriert, dass Wasser schneller verdunstet, wenn seine Oberfläche gekrümmt ist. Deshalb wurde eine Membran entwickelt, um die Form der Wasseroberfläche wie gewünscht beizubehalten“, erklärt der Forscher.

Die vorliegende Forschung nutzt das Konzept des Kapillareffekts auf den Wasserdampfdruck an der gekrümmten Wasser-Luft-Grenzfläche der Poren in der hydrophoben aktiven Schicht. Der Dampfdruck an einer gekrümmten Oberfläche in einer kleinen Pore ist höher als an einer flachen Oberfläche. Der erhöhte Dampfdruck führt zu einer höheren Verdunstungsrate in Richtung der hydrophilen Schicht mit größeren Poren. Dadurch kann eine effiziente Verdunstung erreicht werden, während gleichzeitig sowohl das salzhaltige als auch das entsalzte Wasser auf Umgebungstemperatur gehalten wird.

Im Vergleich zu anderen kommerziell eingesetzten und herkömmlichen Membranen zeigte die Forschung, dass der Wasserdampffluss und die Entfernung des Salzgehalts mit den neuartigen biporösen Membranen auf Aluminiumbasis effizientere Ergebnisse lieferten. Dem Forschungsbericht zufolge wurden 99 Prozent des Salzes bei Temperaturen von nur 25 °C entfernt, wobei die Wasserproduktionsrate 40 Liter Wasser pro Stunde pro Quadratmeter Membran betrug.

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Daher handelt es sich bei der vorgeschlagenen biporösen Membrantechnologie um einen äußerst energieeffizienten Prozess, der vielversprechend für großtechnische industrielle Anwendungen geeignet ist.

Diese Innovation könnte dazu beitragen, Nummer sechs der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung anzugehen und zu erreichen – Zugang zu sauberem Wasser und sanitären Einrichtungen für alle. Dieses Ziel zielt auf die Unterstützung von Entwicklungsländern beim Kapazitätsaufbau bei wasser- und sanitären Aktivitäten und Programmen ab, darunter Entsalzung, Wassereffizienz, Abwasserbehandlung, Recycling und Wiederverwendungstechnologien.

Die auf Aluminium basierenden biporösen Membranen zeigen das Potenzial, die Nutzung von relativ reichlich vorhandenem Meerwasser zu erschließen und gleichzeitig einen umweltfreundlichen und nachhaltigen Ansatz zu verfolgen. Darüber hinaus wird diese Innovation die unsichtbaren Auswirkungen des Energieverbrauchs und des Treibhauseffekts auf die globale Erwärmung und den Klimawandel deutlich minimieren.

Natürlich gibt es keine wissenschaftliche Entwicklung ohne Einschränkungen.

Während die Forschung einen Durchbruch im Membranentsalzungsprozess (MD) als kostengünstigen und hochenergieeffizienten Entsalzungsansatz vorweisen kann, müssen die Forscher noch nachweisen, dass die Ergebnisse auf einen Maßstab übertragen werden können.

„Eine andere Sache ist, wie es auf verschiedene Wasserverunreinigungen reagiert und ob eine Vorbehandlung erforderlich ist oder nicht“, erklärt Dr. Mohammad Rasool Qtaishat.

Die Vergrößerung der Membran wird mit einem Preis verbunden sein, und Qtaishat sagt gegenüber IE: „Eine weitere große Herausforderung, vor der wir jetzt stehen, ist die Vergrößerung der Membran. Zu diesem Zweck haben wir jetzt ein mit einer Million Dollar von KAUST (König Abdullah) finanziertes Projekt.“ Universität für Wissenschaft und Technologie) in Form eines Übergangsfonds zur Entwicklung der Membran vom Labormaßstab auf die kommerzielle Ebene.“

Die Forschungsarbeit könnte ein Meilenstein in der Nachhaltigkeitsoptimierung und dem Umweltschutz sein.

Die Nutzung des Kapillareffekts hat den Horizont der Entsalzungstechnologie auf ein neues Niveau erweitert. Es hat der Suche nach tragfähigen Möglichkeiten zur Meerwassernutzung eine neue Richtung gegeben. Dies könnte ein Sprungbrett für die Einführung und den Einsatz von Technologien sein, um das Leben auf diesem Planeten zu unterstützen und zu fördern. Wohin könnten wir denn sonst gehen?