Über Umkehrosmose haben sich alle geirrt – bis jetzt

Max G. Levy

Menachem Elimelech hat mit der Umkehrosmose nie Frieden geschlossen. Elimelech, der das Umwelttechnikprogramm von Yale gegründet hat, ist so etwas wie ein Rockstar unter denen, die Filtersysteme entwickeln, die Meerwasser oder Abwasser in sauberes Trinkwasser umwandeln. Und die Umkehrosmose ist ein Rockstar unter den Filtertechnologien: Sie dominiert seit etwa einem Vierteljahrhundert weltweit die Art und Weise, wie Meerwasser entsalzt wird. Doch niemand wusste wirklich, wie es funktionierte. Und Elimelech hasste das.

Dennoch musste er seinen Schülern die Technologie beibringen. Viele Jahre lang zeigte er ihnen, wie man die hohen Drücke abschätzt, die die Wassermoleküle im Meerwasser über eine Polyamid-Kunststoffmembran drücken, wodurch auf der einen Seite der Folie reines Wasser entsteht und auf der anderen eine besonders salzige Sole zurückbleibt. Diese Berechnungen beruhten jedoch auf einer Annahme, die Elimelech und anderen Ingenieuren Kopfzerbrechen bereitete: dass Wassermoleküle einzeln durch die Membran diffundieren. „Das hat mich immer gestört. Es macht keinen Sinn“, sagt er.

Dies mag wie eine obskure technische Frage erscheinen, aber Elimelechs Problem mit der Umkehrosmose basiert auf einem realen Problem. Über 3 Milliarden Menschen leben in Gebieten mit Wasserknappheit. Bis zum Jahr 2030 soll die Nachfrage das Angebot um 40 Prozent übersteigen.

Und die Umwandlung von Wasser aus salzigen Meeren in etwas Trinkwasser war schon immer energieintensiv. Ältere thermische Entsalzungsanlagen in den Golfstaaten – wo es reichlich Energie gibt – destillieren Meerwasser, indem sie es kochen und den Dampf auffangen. Eine neuere Generation von Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen, bei denen das Wasser durch eine Reihe von Kunststoffmembranen geleitet wird, hat den Energiebedarf ein wenig gesenkt, aber das reicht nicht aus. Es erfordert immer noch viel Kraft, Wasser durch dichte Filter zu drücken, sodass selbst geringfügige Verbesserungen im Membrandesign viel bewirken können.

In einer im April veröffentlichten Studie bewies Elimelechs Team, dass die einst frustrierende Annahme darüber, wie sich Wasser durch eine Membran bewegt, tatsächlich falsch ist. Sie ersetzen sie durch eine „Lösungsreibungs“-Theorie, nach der sich Wassermoleküle in Clustern durch winzige, vorübergehende Poren innerhalb des Polymers bewegen, die beim Durchgang Reibung auf sie ausüben. Die Physik dieser Reibung ist wichtig, denn ihr Verständnis könnte Menschen dabei helfen, Membranmaterialien oder -strukturen zu entwickeln, die die Entsalzung effizienter machen oder unerwünschte Chemikalien besser aussortieren, sagt Elimelech.

Effektivere Membranen könnten auch die kommunalen Wassersysteme verbessern und die Reichweite der Entsalzung erweitern. „Das ist einer dieser großen Durchbrüche“, sagt Steve Duranceau, Umweltingenieur an der University of Central Florida, der 15 Jahre lang Entsalzungsanlagen entworfen hat, bevor er Professor wurde. „Dies wird die Art und Weise verändern, wie Menschen mit der Modellierung und Interpretation dieser Systeme beginnen.“

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

„Sie haben es auf den Punkt gebracht“, stimmt Eric Hoek zu, ein Umweltingenieur an der UCLA, der vor 20 Jahren bei Elimelech ausgebildet wurde, aber nicht an der Studie beteiligt war. „Endlich hat jemand den Nagel in den Sarg geschlagen.“

Die Wurzeln der neuen Lösungs-Reibungs-Idee sind eigentlich alt. Die dahinter stehende molekulare Mathematik geht auf die 1950er und 1960er Jahre zurück, als die israelischen Forscher Ora Kedem und Aharon Katzir-Kachalsky sowie Kurt Samuel Spiegler, Forscher an der UC Berkeley, Entsalzungsgleichungen ableiteten, die die Reibung berücksichtigten – also die Art und Weise, wie Wasser, Salz und Poren in der Kunststoffmembran vorhanden sind miteinander interagieren.

Reibung ist Widerstand. In diesem Fall sagt es Ihnen, wie schwer es für etwas ist, durch die Membran zu gelangen. Wenn Sie eine Membran konstruieren, die eine geringere Beständigkeit gegen Wasser und eine höhere Beständigkeit gegen Salz oder was auch immer Sie sonst noch entfernen möchten, aufweist, erhalten Sie ein saubereres Produkt mit möglicherweise weniger Aufwand.

Dieses Modell wurde jedoch 1965 eingestellt, als eine andere Gruppe ein einfacheres Modell vorstellte. Dabei ging man davon aus, dass das Kunststoffpolymer der Membran dicht war und keine Poren aufwies, durch die Wasser fließen konnte. Es wurde auch nicht angenommen, dass Reibung eine Rolle spielte. Stattdessen ging man davon aus, dass sich Wassermoleküle in einer Salzwasserlösung im Kunststoff auflösen und auf der anderen Seite herausdiffundieren würden. Aus diesem Grund wird dies als „Lösungs-Diffusions“-Modell bezeichnet.

Unter Diffusion versteht man den Fluss einer Chemikalie von einem Ort mit höherer Konzentration zu einem Ort mit geringerer Konzentration. Denken Sie an einen Tropfen Farbstoff, der sich in einem Glas Wasser verteilt, oder an den Geruch von Knoblauch, der aus einer Küche weht. Es bewegt sich weiter in Richtung Gleichgewicht, bis seine Konzentration überall gleich ist, und es ist nicht auf einen Druckunterschied angewiesen, wie der Sog, der Wasser durch einen Strohhalm zieht.

Das Modell blieb hängen, aber Elimelech hatte immer den Verdacht, dass es falsch war. Die Annahme, dass Wasser durch die Membran diffundiert, implizierte für ihn etwas Seltsames: dass das Wasser beim Durchgang in einzelne Moleküle zerstreut wurde. "Wie kann es sein?" Elimelech fragt. Das Aufbrechen von Ansammlungen von Wassermolekülen erfordert eine Menge Energie. „Man muss das Wasser fast verdampfen lassen, um in die Membran zu gelangen.“

Dennoch sagt Hoek: „Vor 20 Jahren war es ein Gräuel zu behaupten, dass es falsch sei.“ Hoek wagte es nicht einmal, das Wort „Poren“ zu verwenden, wenn er über Umkehrosmosemembranen sprach, da das vorherrschende Modell sie nicht anerkannte. „Seit vielen, vielen Jahren“, sagt er ironisch, „bezeichne ich sie als ‚verbundene Free-Volume-Elemente‘.“

In den letzten 20 Jahren haben Bilder, die mit fortschrittlichen Mikroskopen aufgenommen wurden, die Zweifel von Hoek und Elimelech bestärkt. Forscher fanden heraus, dass die in Entsalzungsmembranen verwendeten Kunststoffpolymere gar nicht so dicht und porenlos sind. Sie enthalten tatsächlich miteinander verbundene Tunnel – obwohl sie absolut winzig sind und einen Durchmesser von etwa 5 Angström oder einem halben Nanometer erreichen. Dennoch ist ein Wassermolekül etwa 1,5 Angström lang, sodass kleine Ansammlungen von Wassermolekülen genug Platz haben, um sich durch diese Hohlräume zu zwängen, anstatt sich einzeln fortzubewegen.

Vor etwa zwei Jahren war Elimelech der Meinung, dass es an der Zeit sei, das Lösungs-Diffusions-Modell abzuschaffen. Er arbeitete mit einem Team zusammen: Li Wang, Postdoktorand in Elimelechs Labor, untersuchte den Flüssigkeitsfluss durch kleine Membranen, um echte Messungen durchzuführen. Jinlong He von der University of Wisconsin-Madison bastelte an einem Computermodell, das simuliert, was auf molekularer Ebene passiert, wenn Druck Salzwasser durch eine Membran drückt.

Lauren Goode

Julian Chokkattu

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Auf einem Lösungs-Diffusions-Modell basierende Vorhersagen würden besagen, dass der Wasserdruck auf beiden Seiten der Membran gleich sein sollte. Bei diesem Experiment stellte das Team jedoch fest, dass der Druck am Eingang und Ausgang der Membran unterschiedlich war. Dies lässt darauf schließen, dass der Druck den Wasserfluss durch die Membran antreibt und nicht nur die Diffusion.

Sie fanden auch heraus, dass Wasser in Clustern durch die miteinander verbundenen Poren wandert, die zwar winzig, aber groß genug sind, dass sich das Wasser nicht in einzelne Moleküle zerstreuen muss, um hindurchzuquetschen. Dank des ausgeübten Drucks und der natürlichen molekularen Bewegung schienen diese Poren im Laufe der Zeit auf der Membran zu erscheinen und zu verschwinden.

Je nach Membranmaterial interagieren diese Poren unterschiedlich mit Wasser, Salz oder anderen Verbindungen. Elimelech glaubt, dass Ingenieure Membranen entwickeln könnten, die Salz besser abweisen (indem sie die Interaktion der Poren mit ihnen maximieren) oder die Reibung mit Wasser verringern (indem sie dafür sorgen, dass die Poren weniger davon angezogen werden, sodass sie daran vorbeigleiten). Die einfachere Trennung der beiden bedeutet, dass Sie weniger Druck verbrauchen und die Energiekosten senken können.

Oder, so denkt er, Ingenieure könnten Membranen so anpassen, dass sie umweltschädliche Stoffe wie Bor und Chloride herausfiltern. Ungefähr 20 Prozent des Bors aus Meerwasser schlüpfen als Borsäure durch Membranen. Diese Menge ist für den Menschen ungefährlich, für Pflanzen, die mit Abwasser bewässert werden, jedoch möglicherweise giftig. In Israel müssen Wasseraufbereitungsanlagen zusätzliche Entgiftungsmaßnahmen ergreifen, um Bor und Chloride aus dem für die Landwirtschaft verwendeten Wasser zu entfernen. Wenn Sie diese beim ersten Durchgang herausfiltern können, sagt Elimelech: „Sie können Kapitalkosten und Energie sparen.“

Hoek hält die Idee für plausibel – aber noch nicht ganz am Ziel. (Seine Kollegen haben kürzlich die Entwicklung von Membranen zur Borabweisung untersucht.) Ingenieure könnten an der Kanalgröße, dem lokalen pH-Wert oder den elektrischen Ladungen auf den Membranporen herumbasteln, schlägt er vor.

Und dies kann über Bor, Chlorid oder sogar Entsalzung hinausgehen. Kommunale Versorgungsanlagen nutzen Umkehrosmose, um gefährliche PFAS-„Dauerchemikalien“ aus dem Trinkwasser zu entfernen. Aktuelle Membranen gelten immer noch als der beste Ansatz, aber viele Forscher sind entschlossen, bessere Membranen zu entwickeln, um die toxischen Verbindungen einzufangen.

Duranceau träumt von Membranen, die so flexibel und anpassbar sind wie Kleidung – die je nach Bedarf des Benutzers ausgewählt werden kann. Schließlich sind Membranen Kunststoffe, der Inbegriff der Individualisierbarkeit. Vielleicht, so denken die Ingenieure, führt dieses Wissen zu Membranen aus anderen Materialien als Polyamid, die PFAS oder Blei besser aussortieren könnten. Oder vielleicht hängt die Wahl der Membran davon ab, wie salzig das Wasser ist – von Brackwasser bis hin zu Salzlösung.

Das kann eine Weile dauern – Elimelech fragt sich sogar, ob es das Beste wäre, einen Algorithmus zu verwenden, um nach einem Membranmaterial zu suchen, das Polyamid schlagen kann, so wie Biotech-Unternehmen maschinelles Lernen eingesetzt haben, um nach neuen Medikamenten zu suchen. „Aber es ist eine große Herausforderung“, betont er, denn in den letzten rund 40 Jahren habe niemand etwas Besseres gefunden. Zumindest jetzt ist die Wissenschaft des Wasserflusses jedoch klar.