CSU-Wissenschaftler enthüllen wichtige Erkenntnisse zur Wasseraufbereitungstechnologie

Von Anne Manning

Links stellt eine omniphobe Membran dar, rechts eine herkömmliche hydrophobe Membran mit vergrößerten Wasser-Luft-Grenzflächen (grüne Linien). Bildnachweis: Kota-Labor

Da Wasserknappheit weltweit eine entscheidende Herausforderung darstellt, suchen Wissenschaftler und Ingenieure nach neuen Wegen, um gereinigtes Wasser aus unkonventionellen Quellen wie Meerwasser oder sogar Abwasser zu gewinnen.

Einer dieser Forscher ist Tiezheng Tong, Assistenzprofessor am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen, dessen Labor eine neue Technologie namens Membrandestillation untersucht.

Bei der Membrandestillation handelt es sich um eine dünne, wasserabweisende Membran, die Dampfdruckunterschiede zwischen heißerer unreiner Flüssigkeit, „Speisewasser“ genannt, und kälterem gereinigtem Wasser, „Permeat“ genannt, ausnutzt. Während des Prozesses passiert Wasserdampf die Membran und wird vom salzigen oder schmutzigen Speisewasser getrennt. Laut Tong funktioniert die Membrandestillation besser als andere Technologien wie die Umkehrosmose, die kein extrem salzhaltiges Wasser wie Entsalzungslaken oder produziertes Wasser aus der hydraulischen Frakturierung behandeln kann.

Obwohl sie vielversprechend ist, funktioniert die Membrandestillation nicht perfekt. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, Membranen zu entwickeln, die Wasser effizient reinigen und gleichzeitig sicherstellen, dass das saubere Wasser nicht verunreinigt wird.

Tong und der Materialwissenschaftler Arun Kota von der Fakultät für Maschinenbau haben sich zusammengetan, um die grundlegende Wissenschaft hinter der Entwicklung dieser perfekten Membran zu erforschen. In neuen Experimenten, die sie in Nature Communications beschreiben, liefern die CSU-Ingenieure neue Informationen darüber, warum bestimmte Membrandesigns, die bei der Membrandestillation verwendet werden, besser funktionieren als andere.

„Das grundlegende Wissen aus unserer Arbeit verbessert das mechanistische Verständnis des Wasserdampftransports in mikroporösen Substraten und hat das Potenzial, das zukünftige Design von Membranen für die Membrandestillation zu leiten“, sagte Tong.

Bei der Membrandestillation wird das Speisewasser erhitzt, wodurch die reinen und unreinen Bestandteile durch Unterschiede in der Flüchtigkeit getrennt werden. Die mikroporöse Membran ist eine Schlüsselkomponente des Aufbaus, da sie Wasserdampf durchlässt, nicht jedoch die gesamte unreine Flüssigkeit. Typischerweise besteht die Membran aus einem „hydrophoben“ oder wasserabweisenden Material, um nur den Wasserdampf durchzulassen, aber eine Barriere für das Speisewasser aufrechtzuerhalten.

Diese hydrophoben Membranen können jedoch versagen, da das Speisewasser, beispielsweise aus Schieferöl gefördertes Wasser, eine niedrige Oberflächenspannung aufweisen kann. Diese niedrige Oberflächenspannung ermöglicht, dass das Speisewasser durch die Membranporen austritt und das reine Wasser auf der anderen Seite verunreinigt – ein Phänomen, das als Membranbenetzung bezeichnet wird.

Frühere Untersuchungen hatten gezeigt, dass die Verwendung von „omniphoben“ Membranen – Membranen, die alle Flüssigkeiten abstoßen, einschließlich Wasser und Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung – die Dampf-Wasser-Trennung intakt hält. Allerdings verlangsamen omniphobe Membranen normalerweise die Geschwindigkeit und Menge des durch die Membran strömenden Wasserdampfs, was die Effizienz des gesamten Prozesses drastisch verringert.

Die CSU-Forscher wollten herausfinden, warum es diesen Kompromiss zwischen hydrophoben und omniphoben Membranen gibt. Durch systematische Experimente im Labor unter der Leitung der Postdoktoranden Wei Wang in Kotas Labor und Tongs Doktoranden Xuewei Du fanden sie heraus, dass herkömmliche hydrophobe Membranen eine größere Flüssigkeits-Dampf-Grenzflächenfläche erzeugen. Dadurch erhöht sich die Menge der stattfindenden Verdunstung. Mit den omniphoben Membranen sahen sie eine viel kleinere Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche. Dies erklärt den Leistungsunterschied der Membranen.

Die in den Experimenten verwendeten omniphoben Membranen wurden ohne Ablagerung zusätzlicher Partikel hergestellt. So konnten die Forscher feststellen, dass ihre Beobachtungen nicht auf strukturelle Veränderungen der Membranen zurückzuführen waren.

Querschnittsansicht einer herkömmlichen hydrophoben Membran, die bei der Membrandestillation verwendet wird. Das Blau steht für Wasser. Bildnachweis: Tong- und Kota-Labore

Obwohl sie keine Lösung für diesen Kompromiss anboten, offenbaren ihre Erkenntnisse die zentrale Herausforderung, die Membrandestillation zu einer erfolgreichen Technologie zu machen. „Wenn man das Problem gründlich versteht, gibt es Möglichkeiten, es zu lösen“, sagte Kota. „Wir haben den Mechanismus identifiziert; jetzt müssen wir das Kompromissproblem lösen.“

Beispielsweise können intelligente Membranen mit außergewöhnlicher Omniphobie und gleichzeitig großer Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche die Membrandestillation zu einem robusten und kostengünstigen Verfahren zur Wasserreinigung machen. Das Team hat weitere gemeinsame Forschungsarbeiten zur Entwicklung solcher intelligenten Membranen initiiert, mit dem Ziel, die Effizienz der Membrandestillation zu steigern.

Tong fügte hinzu, dass die Forschung an der Schnittstelle zweier Disziplinen stattfand: Oberflächenwissenschaft und Membrantechnologie.

„Arun und ich nutzten unser komplementäres Fachwissen, um diese Arbeit systematisch durchzuführen“, sagte Tong. „Es ist ein Beispiel für eine gute interdisziplinäre Zusammenarbeit auf dem gesamten Campus.“

Zu dieser Arbeit trugen auch die Doktoranden Hamed Vahabi im Maschinenbau und Yiming Yin im Bau- und Umweltingenieurwesen bei.

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