30.06.2021 - National Research Council of Science & Technology (NST)

Meerwasser in Minuten trinkbar machen

Eine neue alternative Meerwasserentsalzungsmembran zur Herstellung von Trinkwasser

Laut der Weltgesundheitsorganisation haben etwa 785 Millionen Menschen auf der Welt keinen Zugang zu einer sauberen Trinkwasserquelle. Trotz der riesigen Menge an Wasser auf der Erde ist der größte Teil davon Meerwasser und Süßwasser macht nur etwa 2,5 % der Gesamtmenge aus. Eine der Möglichkeiten, sauberes Trinkwasser bereitzustellen, ist die Entsalzung von Meerwasser. Das Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT) hat die Entwicklung einer leistungsstabilen elektrogesponnenen Nanofasermembran bekannt gegeben, um Meerwasser durch Membrandestillation in Trinkwasser zu verwandeln.

Die Benetzung der Membran ist die größte Herausforderung bei der Membrandestillation. Wenn eine Membran während des Betriebs der Membrandestillation eine Benetzung aufweist, muss die Membran ausgetauscht werden. Eine fortschreitende Membranbenetzung wurde insbesondere bei Langzeitbetrieb beobachtet. Wenn eine Membran vollständig benetzt wird, führt dies zu einer ineffizienten Membrandestillationsleistung, da der Feedstrom durch die Membran zu einem Permeat von schlechter Qualität führt.

Ein Forschungsteam im KICT unter der Leitung von Dr. Yunchul Woo hat koaxiale elektrogesponnene Nanofasermembranen entwickelt, die durch eine alternative Nanotechnologie, das Elektrospinnen, hergestellt werden. Diese neue Entsalzungstechnologie zeigt, dass sie das Potenzial hat, zur Lösung der weltweiten Süßwasserknappheit beizutragen. Die entwickelte Technologie kann Benetzungsprobleme verhindern und auch die Langzeitstabilität im Membrandestillationsprozess verbessern. Die Nanofasern sollen in den Membranen eine dreidimensionale, hierarchische Struktur bilden, um eine höhere Oberflächenrauhigkeit und damit eine bessere Hydrophobie zu erreichen.

Die koaxiale Elektrospinntechnik ist eine der günstigsten und einfachsten Möglichkeiten, Membranen mit dreidimensionalen hierarchischen Strukturen herzustellen. Das Forschungsteam von Dr. Woo verwendete Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) als Kern und Silica-Aerogel, gemischt mit einer geringen Konzentration des Polymers, als Hülle, um eine koaxiale Verbundmembran herzustellen und eine superhydrophobe Membranoberfläche zu erhalten. Tatsächlich wies Silica-Aerogel eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Polymeren auf, was zu einem erhöhten Wasserdampffluss während des Membrandestillationsprozesses aufgrund einer Reduzierung der Leitwärmeverluste führte.

Die meisten Studien, in denen elektrogesponnene Nanofasermembranen in Membrandestillationsanwendungen eingesetzt wurden, hatten eine Betriebsdauer von weniger als 50 Stunden, obwohl sie eine hohe Wasserdampffluxleistung aufwiesen. Im Gegensatz dazu wendete das Forschungsteam von Dr. Woo den Membrandestillationsprozess mit der hergestellten koaxialen elektrogesponnenen Nanofasermembran für 30 Tage an, was einem Monat entspricht.

Die koaxiale elektrogesponnene Nanofasermembran führte eine 99,99%ige Salzrückweisung für 1 Monat durch. Basierend auf den Ergebnissen funktionierte die Membran aufgrund ihres geringen Gleitwinkels und ihrer Wärmeleitfähigkeit gut ohne Benetzungs- und Foulingprobleme. Die Temperaturpolarisation ist einer der wesentlichen Nachteile bei der Membrandestillation. Sie kann die Leistung des Wasserdampfflusses während der Membrandestillation aufgrund von Wärmeleitungsverlusten verringern. Die Membran ist für Langzeit-Membrandestillationsanwendungen geeignet, da sie mehrere wichtige Eigenschaften besitzt, wie z. B. einen geringen Gleitwinkel, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, die Vermeidung von Temperaturpolarisation und reduzierte Benetzungs- und Verschmutzungsprobleme bei gleichzeitiger Beibehaltung einer übersättigten hohen Wasserdampfflussleistung.

Das Forschungsteam von Dr. Woo stellte fest, dass es bei einem kommerziell erhältlichen Membrandestillationsprozess wichtiger ist, einen stabilen Prozess zu haben als eine hohe Wasserdampfflussleistung. Dr. Woo sagte, dass "die koaxiale elektrogesponnene Nanofaser-Membran ein starkes Potenzial für die Behandlung von Meerwasserlösungen hat, ohne unter Benetzungsproblemen zu leiden, und dass sie die geeignete Membran für Membran-Destillationsanwendungen im Pilot- und Realmaßstab sein könnte."

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