Wie reinigt man Salzwasser besser? Indem Sie Entsalzungswerkzeuge trocken halten.

USC-Forscher vertiefen ihr Verständnis des Membrandesigns, um die Entsalzung von Strömen mit hohem Salzgehalt mithilfe grüner oder geringerer Energieinvestitionen zu ermöglichen

FOTO/PEXELS, ANNA NEKRASHEVICH.

Allyson McGaughey, Ph.D. der USC Viterbi School of Engineering, wuchs in Seattle auf. '21 war nie mit der täglichen Realität der Dürre konfrontiert. In der immer heißeren und trockeneren Wüste von Los Angeles wurde jedoch die Wasserknappheit deutlich – was die Suche nach alternativen Wasserlösungen dringlicher machte.

In einer im Journal of Membrane Science veröffentlichten Studie enthüllte McGaughey in Zusammenarbeit mit Amy Childress, USC Viterbi Gabilan Distinguished Professor, neue Erkenntnisse darüber, wie Wasseraufbereitungsprozesse – beispielsweise die Abwasserbehandlung in einer Wasseraufbereitungsanlage – mithilfe der Membrandestillation am besten gestaltet werden können (MD). MD ist ein Verfahren, bei dem Salz mithilfe einer dünnen, trockenen, porösen Membran vom Wasser getrennt wird. Mäßige Temperaturunterschiede bewirken, dass Wasser von einer Seite zur anderen gelangt.

Um dies besser zu verstehen, stellen Sie sich ein Spaghettisieb vor, aber mit viel, viel kleineren Löchern. Ein durch das Sieb gegossener Wasserstrom wird von bestimmten Stoffen im Wasser „gereinigt“, die zu groß sind, um durch die Löcher des Siebs zu gelangen (z. B. die Poren einer Membran), sodass auf der anderen Seite des Siebs ein „sauberer“ Strom zurückbleibt. Dennoch kann alles, was kleiner als diese Löcher ist – wie das gelöste Salz in unserem Nudelwasser – trotzdem durchdringen. Was wäre, wenn wir zur noch weiteren Reinigung nur den Dampf oder reinen Wasserdampf sammeln könnten? Stellen Sie sich nun ein Sieb vor, das nur Dampf und kein flüssiges Wasser durch die Löcher strömen lässt. Dann können selbst gelöste Salze nicht durchdringen. Durch die Verwendung einer sehr hydrophoben (wasserabweisenden) Membran, die genau das tut, kann MD zur Gewinnung von reinem, entsalztem Wasser aus kontaminierten Bächen verwendet werden.

Der warme Wasserstrom mit hohem Salzgehalt befindet sich auf einer Seite der Membran und ein kühler reiner Wasserstrom auf der anderen. Das erwärmte Wasser verdunstet, das Salz bleibt zurück und bildet einen Dampf, der sich in eine destillierte flüssige Form umwandelt, wenn er auf der anderen Seite der Membran auf den kühlen Wasserstrom trifft. BILD/ALLYSON MCGAUGHEY.

Der Erfolg der Membrandestillation, so die Forscher, hänge größtenteils von Membrandesigns ab, die die Feuchtigkeitsansammlung in der Membran reduzieren oder beseitigen können. Wenn eine Membran tatsächlich nass wird, kann sie ihre Wirksamkeit verlieren und die Qualität des aufbereiteten Wassers beeinträchtigen, so die Forscher. Zu diesem Zweck untersuchte McGaughey, jetzt Postdoktorand an der Princeton University, wie man Membranen am besten konstruieren kann, damit sie nicht übermäßig nass werden und Wasser erfolgreich aufbereiten, Salz und Verunreinigungen entfernen und einen qualitativ hochwertigen oder reinen Abfluss erzeugen.

Zu ihren wichtigsten Erkenntnissen gehört laut McGaughey, dass eine Verringerung der Membranporengröße oder eine Erhöhung der Dicke der Membran selbst die Wasserbeständigkeit erhöhen und eine Kontamination des gereinigten Wasserstroms verzögern oder verhindern kann.

Membranen bestehen typischerweise aus einem hydrophoben oder wasserbeständigen synthetischen Material mit Poren von 0,1 bis 0,5 Mikrometern. McGaughey sagte, dass andere Prozesse zwar in der Regel energieeffizienter sind als die Membrandestillation – zum Beispiel ein Prozess namens Umkehrosmose –, aber bei salzigeren Wasserströmen erfordern diese typischeren Prozesse einen enormen Druck, um die Wassermoleküle durch die Membran zu drücken . Daher sind sie für die Behandlung sehr salzhaltiger Bäche weniger praktisch.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Membrandestillation eine effizientere Reinigung von salzhaltigem Wasser als mit Umkehrosmose und ermöglicht es Wissenschaftlern, salzhaltigeres Abwasser zu reinigen, das normalerweise entsorgt wird, da es mit herkömmlichen Wasseraufbereitungsverfahren nicht effizient gereinigt werden kann.

Das Problem besteht laut McGaughey darin, dass die Membranen, die das Abwasser filtern, übermäßig nass werden können. „Bei der Umkehrosmose verwenden wir dichte Membranen, die nicht porös sind, sodass nur Wassermoleküle durchkommen, aber bei der Membrandestillation gibt es Löcher in den Membranen, die eine Kontamination ermöglichen können, wenn sie nass werden“, sagte sie.

Optimierung der Membrandestillation zur Erhöhung der Wasserbeständigkeit von Membranen

Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Salz und Wasser ist die Entsalzung von Natur aus ein kostspieliger und energieintensiver Prozess. Salz löst sich leicht in Wasser und bildet Bindungen, die nur sehr schwer aufzubrechen sind, sagten die Forscher.

„Wenn wir die Wahl hätten, würden wir überhaupt nicht entsalzen“, sagte McGaughey, „aber wir brauchen dieses Wasser zunehmend.“

Bei der Membrandestillation wird laut McGaughey ein erwärmter Salzstrom auf eine Seite einer trockenen Membran geleitet und ein kühler, reiner Wasserstrom auf der anderen Seite. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Strömen ist die treibende Kraft, die Wasser von einer Seite zur anderen bewegt. Um reines Wasser von Salz und anderen Verunreinigungen zu trennen, verwandeln sich die Wassermoleküle im Salzstrom durch die Hitze von einer Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand.

In den Poren der trockenen Membran befindet sich ein kleiner Luftspalt, der die Ansammlung von Dampf ermöglicht, der entsteht, wenn das Salzwasser erwärmt wird und verdunstet und durch die Membran strömt, während das Salz zurückbleibt. Da der Luftspalt klein ist, ist nicht viel Wärme erforderlich, um das Salzwasser in Dampf umzuwandeln, sodass Sie Sonnenenergie zum Erwärmen der salzigen Flüssigkeit nutzen können. Der Dampf stellt das gereinigte Wasser oder Destillat dar, das auf der anderen Seite der Membran durch das kalte Wasser abgekühlt wird und in eine flüssige Form zurückkehrt.

Die Beständigkeit der Membran gegenüber flüssigem Wasser oder die Benetzungsbeständigkeit ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Destillatstrom tatsächlich gereinigt und nicht verunreinigt ist. Wenn die Membran nass wird, vermischt sich flüssiges Wasser aus dem Abwasser oder Salzwasserstrom mit dem gereinigten Wasserstrom, wodurch eine Ausgabe von geringerer Qualität entsteht – vielleicht sogar eine Wasserausgabe, die nicht den Trinkwasserstandards entspricht.

Entscheidend sei es, herauszufinden, wie eine Membran grundsätzlich ihre Benetzungsbeständigkeit verliert und wie dies durch Hydrophobie des Membranmaterials und der Porengröße verhindert werden kann, so die Forscher.

„Wir haben Membranen, die jetzt funktionieren, aber wenn man extrem hohe Salzgehalte erreicht und es zu Salzausfällungen auf der Membranoberfläche kommt, ist das immer noch eine große Herausforderung“, sagte McGaughey.

Neue Herausforderungen in der Wasserversorgung

„Die Bewirtschaftung von Abfallströmen mit hohem Salzgehalt ist eine große Herausforderung – zum Beispiel von Industrieabfallströmen“, sagte McGaughey.

„Die Membrandestillation wird niemals energieeffizienter sein als die Umkehrosmose, aber sie kann Solarthermie oder minderwertige ‚Abwärme‘ nutzen, was bedeutet, dass sie auf grüne Energie zurückgreifen kann. Das bedeutet weniger Kohlenstoffemissionen als der Strom.“ Wir treiben die Umkehrosmose an und können damit auch Ströme mit höherem Salzgehalt erreichen“, sagte sie.

Anstatt dass ein einzelner Prozess eine eigenständige Lösung darstellt, könnte die Membrandestillation laut McGaughey eine Ergänzung zur Umkehrosmose sein, beispielsweise etwas, das Sie nach einer Umkehrosmosebehandlung stromabwärts (weiter im Wasseraufbereitungsprozess) verwenden können.

„Eine Membrandestillation könnte auf den zurückgewiesenen Salzwasserstrom angewendet werden, der aus der Umkehrosmose stammt, um die Nutzung des verfügbaren Wassers zu maximieren“, sagte sie.

McGaughey sagte auch, dass die Membrandestillation auch in ländlichen und nicht elektrifizierten Regionen Anwendung finden könnte.

Veröffentlicht am 26. Oktober 2021

Zuletzt aktualisiert am 26. Oktober 2021