28.03.2022 - Tsinghua University

Neuartige Plattform reinigt ölverschmutztes Meerwasser

Der Ansatz hat Auswirkungen auf die Verbesserung der Wasserknappheit in der ganzen Welt, sagen die Forscher

Der jüngste Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen der Vereinten Nationen zeichnet ein düsteres Bild für die Wasserversorgung der Welt: Von den 7,8 Milliarden Menschen auf der Erde haben etwa 4 Milliarden keinen Zugang zu ausreichend sauberem Wasser für mindestens einen Monat im Jahr. Zwar wurden bereits mehrere Wasserreinigungssysteme vorgeschlagen, doch scheitern sie immer wieder an einem kritischen Punkt - in der Regel sind sie nicht stabil, groß oder widerstandsfähig genug für reale Anwendungen, so die Forscher des Technischen Instituts für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Xiamen in China, die das Problem möglicherweise gelöst haben.

Am 22. März in Nano Research berichteten sie über die Einzelheiten einer neuen Plattform, die Sonnenlicht zur Reinigung von Meerwasser mit einer im Vergleich zu anderen ähnlichen Ansätzen hohen Energieeffizienz (über 90%) nutzt und gleichzeitig die üblichen Fallstricke vermeidet.

"Es besteht ein enormer Bedarf an Süßwasser in Haushalten, in der Industrie, in der Landwirtschaft und für andere Anwendungen. Deshalb wurden verschiedene Wasserreinigungstechnologien entwickelt, um die Verknappung der Süßwasserressourcen zu lindern", so Miao Wang vom College of Materials der Universität Xiamen. "Wenn man die Wege vergleicht, ist die solarbetriebene Reinigung von Meerwasser oder kontaminiertem Wasser durch Grenzflächenverdampfung ein vielversprechendes und kostengünstiges System.

Solche Reinigungsverfahren nutzen Sonnenlicht, um Wasser an seiner Oberfläche zu erhitzen, wodurch die Flüssigkeit verdampft und die verunreinigten oder salzigen Bestandteile von den Wassermolekülen getrennt werden, die dann als Dampf in die Luft entweichen, um in den natürlichen Kreislauf der Kondensation einzutreten und zu sauberem, konsumierbarem Wasser zu werden. Laut Xu Hou vom College of Chemistry and Chemical Engineering der Universität Xiamen und dem College of Physical Science and Technology besteht das Problem darin, dass die Versuche, diesen Ansatz für die praktische Anwendung zu skalieren, durch Ölverschmutzung, Instabilität, Salzkristallisation und komplizierte Herstellungsprozesse behindert wurden.

"Um mehr gereinigtes Wasser mit der gleichen Menge an Sonnenlicht zu erzeugen, wie können wir mehr Energie gewinnen, um das Wasser lokal zu erhitzen und die Verdampfungsrate zu verbessern - ohne die Nachteile anderer Ansätze zu erfahren? fragte Hou. "Wir haben diese Frage beantwortet und eine ultrastabile, salzresistente Verdampferplattform entwickelt, die eine beschleunigte Verdampfung aufrechterhalten und gleichzeitig Öl abweisen kann, um Verunreinigungen zu vermeiden."

Die Forscher kombinierten zwei Gele in einer Öl-in-Wasser-Emulsion. Das Gelmaterial, Organohydrogel genannt, kann zwischen verschiedenen Materiephasen wechseln, ist aber weitgehend flüssig und in einem Netz von Molekülketten eingeschlossen. Durch die Beimischung von Kohlenstoffnanoröhrchen in das Organohydrogel schufen die Forscher "Hot Spots", die das Sonnenlicht lokal auf die Wasseroberfläche fokussieren und so die Wärmeabgabe im gesamten Gebiet verhindern können. Die verzweigte Struktur des Materials trägt ebenfalls dazu bei, die Energieableitung zu behindern, und unterstützt den Molekültransfer, um die Salzkristallisation zu verhindern.

Das Organohydrogel hat eine geringe Dichte, so dass es beim Eintauchen unter die Wasseroberfläche wieder selbständig aufschwimmen kann, um den Verdunstungsprozess fortzusetzen. Das angehobene Wasser umgibt den Verdampfer und erzeugt einen seitlichen Kapillarabstoßungseffekt, bei dem sich die Ölmoleküle vom erhitzten Wasser ablösen, so wie sich Quecksilber vom Glas eines Thermometers ablöst.

In experimentellen Tests verdampfte die Plattform etwa 2,4 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter und Stunde und konnte 240 Stunden lang betrieben werden, ohne dass eine zusätzliche Entsorgung erforderlich war - selbst bei "enormer Ölverschmutzung", so der Autor der Studie, Shutao Wang, Chinese Academy of Sciences (CAS) Key Laboratory of Bio-inspired Materials and Interfacial Science, Technical Institute of Physics and Chemistry.

"Wir haben eine Anti-Öl-Heizplattform mit bemerkenswerter Solarenergienutzung entwickelt, die ein großes Potenzial für die praktische, solarbetriebene Wasserreinigung selbst bei stark verunreinigtem Wasser aufweist", so Wang. "Wir hoffen, dass dieser wirtschaftliche und umweltfreundliche Ansatz dazu beitragen wird, die weltweite Verknappung der Süßwasserressourcen weiter zu verringern."

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