Von Muscheln inspirierte Membranen können die Nachhaltigkeit steigern und einen Mehrwert für die industrielle Abwasserbehandlung schaffen
Neue nanoporöse Membran ermöglicht hocheffiziente Abtrennung von Abwasserkomponenten zur späteren Wiederverwendung und bietet der Industrie Vorteile in Bezug auf Nachhaltigkeit und Wertschöpfung
Ingenieure haben eine neuartige Membran entwickelt, die Chemikalien im Abwasser so effektiv abtrennt, dass sie wiederverwendet werden können. Damit eröffnet sich für die Industrie eine neue Möglichkeit zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und zur Gewinnung wertvoller Nebenprodukte und Chemikalien aus dem Abwasser.
Forscher haben eine neue hocheffiziente Membran nach dem Vorbild von Muscheln entwickelt
University of Bath
Die für den Einsatz in der Abwasseraufbereitung entwickelte nanoporöse Dünnschicht-Verbundmembran, die als TFC NPM bekannt ist, weist eine noch nie dagewesene Fähigkeit zur Abtrennung von Salzen und anderen chemischen Komponenten aus dem Wasser auf und könnte zu einer nachhaltigeren Aufbereitung und Bewirtschaftung von Wasser in einer Reihe von Branchen führen.
Ein in der Zeitschrift Nature Water veröffentlichtes Forschungspapier beschreibt die Leistung der Membran und erklärt, wie ihre einzigartigen Eigenschaften, die von Muscheln inspiriert sind, den Weg für ein nachhaltigeres Wassermanagement in Branchen wie der Pharma-, Öl- und Gas-, Textil- und Lebensmittelindustrie ebnen könnten. Die Studie wurde von Wissenschaftlern der britischen University of Bath und Kollegen aus China, Südkorea, Singapur, Australien und Belgien verfasst.
Sie sagen, dass die Membran die derzeitige Elektrodialyse ersetzen könnte, ein Verfahren zur Wasseraufbereitung, bei dem Ionen unter Stromeinwirkung durch Membranen von einer Lösung in eine andere transportiert werden. Bestehende Membranen sind teuer und erreichen Trennungseffizienzen von 90-95 %. Die Autoren der neuen Arbeit sagen, dass die neue TFC NPM dies mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99 % deutlich verbessern kann, während sie gleichzeitig weniger Energie und geringere Kosten verbraucht.
Dr. Ming Xie, Dozent für Chemieingenieurwesen an der University of Bath und einer der Autoren der Arbeit, meint, dass die Membran zu einem Umdenken bei der Abwasserbehandlung führen könnte. Er sagt: "Traditionell haben viele Industriezweige das von ihnen erzeugte Abwasser als Handelsabfall betrachtet, der zu den notwendigen Kosten des Geschäfts gehört. Technologien wie die von uns entwickelte Membran können uns dabei helfen, die Kohlendioxidemissionen zu senken, indem wir den Energiebedarf der Abwasseraufbereitung reduzieren und gleichzeitig Wege finden, die darin enthaltenen Bestandteile wie Chemikalien, Salze, Energie, Biomasse und Nährstoffe effizient zu trennen, bevor sie als hochwertige Nebenprodukte wiederverwendet werden."
Die Forscher ließen sich bei der Gestaltung der Beschichtung der Membranoberfläche von Muscheln inspirieren. Sie besteht aus dem Polymer Polyethylenimin (PEI) und Polydopamin (PDA), einer Verbindung, die Muscheln ausscheiden und mit der sie bei Nässe an Steinen oder Holz haften. Die Klebrigkeit der Beschichtung macht die Membran hochselektiv, so dass sie Wasser durchlässt, andere Verbindungen und organische Stoffe aber zurückhält. Dieser mehrstufige Prozess führt zu einer verbesserten Filtration des Wassers und ist eine hocheffiziente, energiesparende Methode zur individuellen Fraktionierung (oder Trennung) von Chemikalien.
Die Elektrodialyse ist eine Technologie, die ihre Anpassungsfähigkeit für verschiedene Anwendungen bewiesen hat, in diesem Fall für das Management stark salzhaltiger Abfallströme. Bei der Elektrodialyse wird elektrisches Potenzial genutzt, um die positiven und negativen Ionen der gelösten Salze durch eine separate halbdurchlässige Kunststoffmembran zu treiben.
In Tests haben die Forscher vier Antibiotika - Ceftriaxon-Natrium, Cefotaxim-Natrium, Carbenicillin-Natrium und Ampicillin-Natrium - verwendet, um die elektrogetriebene Filtrationsleistung der PDA/PEI-beschichteten Membran zu testen. Die Membran zeigte eine beispiellos hohe Rückgewinnungseffizienz bei der Entfernung der Antibiotika aus Salzwasserlösungen (Wasser und NaCl-Natriumchlorid) - mit mehr als 99,3 % Entsalzungseffizienz und mehr als 99,1 % Rückgewinnung der Antibiotika. Wird die Membran in die industrielle Abwasserbehandlung integriert, kann sie eine hochwirksame elektrodialytische Fraktionierung (Trennung) verschiedener organischer/NaCl-Mischlösungen durchführen, die effektiver ist als die bestehenden Standardverfahren.
Mitautor Dr. Dong Han Seo vom Department of Energy Engineering, Korea Institute of Energy Technology, sagte: "Diese Arbeit demonstriert den Stand der Technik der Elektrodialyse zur Bewältigung der großen Herausforderung in der pharmazeutischen Industrie bei der biobasierten Abwasserbehandlung, um eine wirksame Rückgewinnung der hochwertigen Chemikalien zu ermöglichen und auf der anderen Seite wiederverwendbares Wasser bei geringem Energieverbrauch zu erhalten."
Dr. Jiuyang Lin von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ebenfalls ein Mitautor, sagte: "Diese einfache, aber effektive Beschichtung bietet langfristige Stabilität und garantiert einen niedrigen Energieverbrauch unabhängig von den Abwasserbedingungen. Dies ist ein Durchbruch bei der Suche nach einer Elektrodialyse für die Abwasseraufbereitung, die ein ausgeklügeltes Membrandesign, Simulation und Analyse erfordert."
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