Damit es sauber bleibt: Ingenieure arbeiten daran, dass Entsalzungsmembranen maßstabsgetreu bleiben

Von Anne Manning

Das Labor von Assistenzprofessor Tiezheng Tong arbeitet an der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Membranablagerungen bei Entsalzungsprozessen. Von links: Doktorand Yiming Yin; Zange; Bachelor-Forscher Ronny Minjarez; und der Doktorand Yiqun Yao mit der Umkehrosmoseanlage des Labors.

Kochendes Wasser kann dunkle Mineralablagerungen auf der Innenfläche Ihres einst glänzenden Aluminiumkessels hinterlassen – nichts, was ein wenig Essig und Backpulver nicht entfernen können.

Aber in anderen Zusammenhängen sind diese unansehnlichen Mineralflecken nicht nur ein Ärgernis – sie sind ein großes Hindernis für unsere Fähigkeit, Milliarden von weiteren Gallonen Wasser für Milliarden von Menschen verfügbar zu machen.

Wasserentsalzung, eine Technologie, die sauberes Wasser aus salzigen, schmutzigen Quellen wie Meerwasser, Brackwasser im Binnenland oder Abwasser gewinnt, erfreut sich weltweit wachsender Beliebtheit. Weltweit sind über 18.000 Anlagen in Betrieb. Es nutzt ein physikalisches Prinzip namens Umkehrosmose, bei dem schmutziges Wasser mit sehr hohem Druck durch eine Membran gepresst wird, deren Poren so klein sind, dass man sie nicht sehen kann – um ein Vielfaches kleiner als die Breite eines Haares. Sauberes Wasser wird von einem salzigen Nebenprodukt getrennt und der Prozess beginnt von vorne.

Dieselben Mineralablagerungen, die sich auf Ihrem Wasserkocher bilden, bilden sich auch in großen Mengen auf diesen Spezialmembranen, verstopfen die Poren der Membranen und verringern die Effizienz des gesamten Prozesses erheblich. Membranen müssen häufig gewechselt oder gereinigt werden, was die Kosten erhöht und Entsalzungstechnologien daran hindert, eine führende Rolle bei der Bekämpfung der Wasserknappheit auf der ganzen Welt zu spielen.

Mineralablagerungen auf Membranoberflächen bei Entsalzungsanwendungen sind ein hochtechnisches Problem, das Tiezheng Tong, Assistenzprofessor am Department of Civil and Environmental Engineering der Colorado State University, in den letzten Jahren zu lösen versucht hat.

Er und seine Studenten arbeiten in einem Labor im Scott Bioengineering Building, führen Experimente durch und gewinnen grundlegende Erkenntnisse darüber, warum es bei der Entsalzung zu einer solchen Mineralablagerung kommt und welche Mechanismen die Bildung von Ablagerungen in verschiedenen Arten von Mineralien antreiben. Und während sich die Ingenieure auf Lösungen konzentrieren, sind sie auch damit beschäftigt, neue Wege zur Bewältigung des Problems zu entwickeln, sei es durch die Erfindung anderer Membranen oder durch das Testen neuer Additivlösungen, die die Membranen widerstandsfähiger gegen Ablagerungen machen würden, ohne die Wasserqualität zu beeinträchtigen.

„Wir wollen, dass unsere Wasserinfrastruktur dem Klimawandel standhält“, sagte Tong, der 2017 nach einer Postdoktorandenstelle an der Yale University bei Menachem Elimelech, einem herausragenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Umwelttechnik, an die CSU-Fakultät kam. „Wenn uns das Oberflächenwasser ausgeht, brauchen wir eine Reserve, um die Gesellschaft mit ausreichend Wasser zu versorgen … wenn wir das erreichen wollen, stehen wir vor vielen Herausforderungen, einschließlich der Frage der Mineralablagerungen. Das ist sozusagen unsere Nische, in der wir uns befinden.“ Ich arbeite an diesen Verfahren zur Aufbereitung von Sole mit extrem hohem Salzgehalt. Dies ist wahrscheinlich einer der anspruchsvollsten Teile der Wassergewinnung aus unkonventionellen Quellen.“

Tong stellt die Fachkenntnisse seines Labors in den Bereichen Entsalzung und Membranwissenschaft der National Alliance for Water Innovation (NAWI) zur Verfügung, einer 110 Millionen US-Dollar teuren Initiative des Energieministeriums, die Hunderte von Wissenschaftlern zusammenbringt, um verschiedene Probleme im Zusammenhang mit aktuellen Entsalzungstechnologien anzugehen. Ihr Ziel ist es, Entsalzungstechnologien mit der Gewinnung von Süßwasser aus von Dürre betroffenen konventionellen Quellen wie Seen, Flüssen und Grundwasserleitern vergleichbar oder sogar billiger zu machen.

Durch die NAWI-Partnerschaft, in der CSU-Forscher eine führende Rolle gespielt haben, wurde Tongs Labor kürzlich zusammen mit Forschern der Vanderbilt University finanziert, um die Entwicklung einer auf Elektrodialyse basierenden Methode zur Behandlung von Hypersaline-Entsalzungssolen zu unterstützen.

Die Herausforderungen, die Entsalzung zu einer praktikablen Option für Kommunen und Länder zu machen, sind vielschichtig: wirtschaftlich, was den Bau und die Wartung von groß angelegten Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen anbelangt, und ökologisch, da hochsalzhaltige Salzlaken, die bei Wasseraufbereitungsprozessen übrig bleiben, erhebliche Mengen an Wasser einbringen und schädliche Verschmutzung der aquatischen Ökosysteme.

Tong glaubt, dass die Lösung des sehr spezifischen Problems der Mineralablagerung einen positiven Dominoeffekt haben könnte, der die Gesamtkosten der Entsalzung senkt, die Inbetriebnahme weiterer Anlagen ermöglicht und neue Energie für die Lösung damit verbundener Probleme wie die Umweltauswirkungen gefährlicher Solenebenprodukte bringt.

Das Problem der Mineralablagerungen ist ein technisches Problem, aber es beinhaltet auch reine Chemie, mit der Notwendigkeit, genau zu verstehen, welche anorganischen Moleküle auf Oberflächen gebildet werden und warum. Auf diese Weise spricht das Thema Tongs vielschichtiges Labor an.

„Bei der Membranskalierung gibt es viele grundlegende Probleme zu verstehen“, sagte Tong. „Es gibt chemische Reaktionen, Kinetik und Thermodynamik. Im universitären Umfeld versuchen wir, die Grenzen der Wissenschaft zu verschieben – was einen Teil der Aufregung ausmacht, in diesem Kontext zu arbeiten. Wir müssen eine Menge Dinge lösen, bevor wir nach Antworten suchen können.“ zu den wirklichen Problemen, mit denen Entsalzungstechnologien konfrontiert sind.“

Tong betreibt ein Labor, das sich auf drei Strategien zur Verbesserung der membranbasierten Wasserentsalzung konzentriert. Erstens versuchen die Ingenieure, die Oberflächen von Industriemembranen zu modifizieren, um eine andere Chemie auszulösen und sie widerstandsfähiger gegen Mineralablagerungen zu machen.

Zweitens erwägen sie den Einsatz spezieller chemischer Mittel, sogenannter Antikalkmittel, die in kleinen Mengen dem unbehandelten Wasser zugesetzt werden könnten und die Bildung von Ablagerungen verhindern würden.

Der dritte Punkt ist Prozessinnovation oder die Idee, ganze Industriesysteme, die für die hochmoderne Membranentsalzung verantwortlich sind, zu überdenken oder zu verbessern.

In letzter Zeit widmet das Tong-Labor Schub 2, also der Idee, Antikalkmittel zum Schutz der Membranen, die sauberes Wasser produzieren, zu perfektionieren, verstärkte Aufmerksamkeit. Eine ihrer jüngsten Erkenntnisse, die in der hochrangigen Fachzeitschrift „Environmental Science and Technology“ veröffentlicht wurde, skizzierte das unterschiedliche Verhalten zweier wichtiger Kalkbildner, Gips und Kieselsäure, auf molekularer Ebene. Gips entsteht durch einen Kristallisationsprozess, während Kieselsäure durch Polymerisation entsteht. Diese unterschiedlichen Mechanismen erfordern zwei Arten von Antikalkmitteln mit unterschiedlichen chemischen Funktionsgruppen, unabhängig davon, ob sie negativ oder positiv geladen sind.

Ph.D. im vierten Jahr Student Yiming Yin, der die Anti-Scalant-Studien geleitet hat, sagte, die Aufklärung der Unterschiede zwischen der Bildung dieser Mineralien auf Membranoberflächen verdeutliche die Komplexität, eine Lösung für die Behandlung von unterschiedlich salzigem oder brackigem Wasser zu finden.

„Derzeit haben wir ein grundlegendes Verständnis darüber erlangt, wie sich Gips und Kieselsäure verhalten“, sagte Yin. „Jetzt wollen wir weitermachen und sagen: Welche Strategien können wir nutzen, um sie zu mildern?“

Tongs Studenten nutzten auch ihr neu gewonnenes Wissen insbesondere über das chemische Verhalten von Gips. Unter Verwendung von Gips als repräsentativem Kalkmittel experimentierten sie mit der Kombination der Techniken der Umkehrosmose und der Membrandestillation, einer anderen Art der Entsalzungstechnologie, die Wärme anwendet, um auch bei hohen Gipskonzentrationen eine reine Wasserrückgewinnung zu erreichen.

Während die Umkehrosmose branchenüblich und die am weitesten verbreitete Entsalzungstechnologie ist, gelten für sie strenge Grenzen hinsichtlich des Salzgehalts des Wassers, das behandelt werden kann. Mit anderen Worten: Wasser, das leicht verschmutzt und salzhaltig ist, ist kein Problem, aber sobald diese salzigen, brackigen Konzentrate bis zu 70.000 Milligramm pro Liter Salz erreichen, wird es zu schwierig, das Wasser durch die Membranen zu drücken, und das System bricht zusammen . Dann kann die Membrandestillation ins Spiel kommen, um die Arbeit zu erledigen, und deshalb glaubt Tongs Team, dass eine Aufbereitungsanlage, die beide Technologien kombiniert, der Schlüssel dazu sein könnte, mehr Anlagen in Betrieb zu nehmen und die Kosten zu senken. Durch den Einsatz von Antikalkmitteln ist Tongs Team kürzlich eine außergewöhnliche Wasserrückgewinnung aus gipshaltigen Salzwässern gelungen. Die Ergebnisse wurden im Journal of Membrane Science veröffentlicht.

Ronny Minjarez, ein Student im dritten Jahr, der im Labor arbeitet und Mitautor der beiden Veröffentlichungen zum Thema Entkalkung ist, sagte, er sei begeistert von der Gelegenheit, an Technologien zu arbeiten, die so wichtige Auswirkungen auf die Zukunft des Planeten haben.

„Die Entsalzung wird für die Zukunft von großer Bedeutung sein, da die Wasserressourcen immer stärker belastet werden“, sagte Minjarez. „Daher werden diese Technologien noch wichtiger.“

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