16.05.2022 - University of Tokyo

Die Zukunft der Entsalzung?

Eine schnelle, effiziente und selektive Membran für die Reinigung von Salzwasser

Wasserknappheit ist ein wachsendes Problem auf der ganzen Welt. Die Entsalzung von Meerwasser ist eine bewährte Methode zur Gewinnung von Trinkwasser, die jedoch mit enormen Energiekosten verbunden ist. Zum ersten Mal verwenden Forscher Nanostrukturen auf Fluorbasis, um erfolgreich Salz aus Wasser zu filtern. Im Vergleich zu den derzeitigen Entsalzungsmethoden arbeiten diese fluorhaltigen Nanokanäle schneller, benötigen weniger Druck und weniger Energie und sind ein effektiverer Filter.

Wenn Sie schon einmal mit einer antihaftbeschichteten Teflonpfanne gekocht haben, dann haben Sie wahrscheinlich gesehen, wie leicht nasse Zutaten in der Pfanne rutschen. Das liegt daran, dass der Hauptbestandteil von Teflon Fluor ist, ein leichtes Element, das von Natur aus wasserabweisend (hydrophob) ist. Teflon kann auch zur Auskleidung von Rohren verwendet werden, um den Wasserfluss zu verbessern. Dieses Verhalten erregte die Aufmerksamkeit von Professor Yoshimitsu Itoh von der Abteilung für Chemie und Biotechnologie an der Universität Tokio und seinem Team. Es inspirierte sie zu der Frage, wie Rohre oder Kanäle aus Fluor auf einer ganz anderen Ebene, der Nanoskala, funktionieren könnten.

"Wir waren neugierig darauf, wie effektiv ein fluorhaltiger Nanokanal bei der selektiven Filterung verschiedener Verbindungen, insbesondere von Wasser und Salz, sein könnte. Nachdem wir einige komplexe Computersimulationen durchgeführt hatten, beschlossen wir, dass es die Zeit und den Aufwand wert war, ein funktionierendes Muster herzustellen", so Itoh. "Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Entsalzung von Wasser: thermische Verfahren, bei denen Meerwasser mit Hilfe von Wärme verdampft wird, so dass es als reines Wasser kondensiert, oder Umkehrosmose, bei der das Wasser mit Hilfe von Druck durch eine Membran gepresst wird, die das Salz zurückhält. Beide Methoden sind sehr energieaufwändig, aber unsere Tests zeigen, dass fluorhaltige Nanokanäle wenig Energie benötigen und auch andere Vorteile haben.

Das Team stellte Test-Filtrationsmembranen her, indem es nanoskopische Fluorringe chemisch synthetisierte, die gestapelt und in eine ansonsten undurchlässige Lipidschicht eingebettet wurden, ähnlich wie die organischen Moleküle, aus denen die Zellwände bestehen. Sie erstellten mehrere Testproben mit Nanoringen zwischen etwa 1 und 2 Nanometern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist fast 100.000 Nanometer breit. Um die Wirksamkeit ihrer Membranen zu testen, maßen Itoh und das Team das Vorhandensein von Chlorionen, einem der Hauptbestandteile von Salz - der andere ist Natrium - auf beiden Seiten der Testmembran.

"Es war sehr aufregend, die Ergebnisse aus erster Hand zu sehen. Die kleineren unserer Testkanäle wiesen die ankommenden Salzmoleküle perfekt zurück, und auch die größeren Kanäle waren immer noch eine Verbesserung gegenüber anderen Entsalzungstechniken und sogar gegenüber den modernsten Kohlenstoffnanoröhrenfiltern", so Itoh. "Die eigentliche Überraschung war für mich, wie schnell der Prozess ablief. Unsere Probe arbeitete mehrere tausend Mal schneller als typische industrielle Geräte und etwa 2.400 Mal schneller als experimentelle Entsalzungsgeräte auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren."

Da Fluor elektrisch negativ ist, stößt es negative Ionen wie das im Salz enthaltene Chlor ab. Ein zusätzlicher Bonus dieser Negativität ist jedoch, dass es auch so genannte Wassercluster aufbricht, also lose gebundene Gruppen von Wassermolekülen, so dass sie schneller durch die Kanäle fließen. Die auf Fluor basierenden Wasserentsalzungsmembranen des Teams sind effektiver, schneller, benötigen weniger Energie für den Betrieb und sind zudem sehr einfach in der Anwendung.

"Derzeit ist die Art und Weise, wie wir unsere Materialien synthetisieren, noch relativ energieintensiv, aber wir hoffen, dass wir dies in den kommenden Forschungsarbeiten noch verbessern können. Und angesichts der Langlebigkeit der Membranen und ihrer geringen Betriebskosten werden die Energiekosten insgesamt viel niedriger sein als bei den derzeitigen Methoden", so Itoh. "Weitere Schritte, die wir unternehmen wollen, sind natürlich die Skalierung der Methode. Bei unseren Testmustern handelte es sich um einzelne Nanokanäle, aber wir hoffen, dass wir mit Hilfe anderer Spezialisten in einigen Jahren eine Membran mit einem Durchmesser von etwa einem Meter herstellen können. Parallel zu diesen Herstellungsfragen untersuchen wir auch, ob ähnliche Membranen zur Reduzierung von Kohlendioxid oder anderen unerwünschten Abfallprodukten, die von der Industrie freigesetzt werden, eingesetzt werden könnten."

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