Neue Entsalzungstechnik sorgt für mehr Trinkwasser

Nature (2012)Zitieren Sie diesen Artikel

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Eine neue, energieeffizientere Meerwasser-Destillationsmembran sorgt für mehr Trinkwasser und weniger Salzabfluss.

Ein Artikel von Scientific American.

Mehr als ein Drittel der Weltbevölkerung leidet bereits unter Trinkwasserknappheit – bis 2025 wird mit einem Anstieg auf 50 Prozent gerechnet. Die Entsalzung von Meerwasser kann Küstengemeinden dabei helfen, lokale Engpässe zu beheben, obwohl der Prozess kostspielig ist und übrig gebliebene Sole wieder in die Gewässer zurückgeleitet werden muss Der Ozean hat Auswirkungen auf die Umwelt. Jetzt verspricht ein neues System, mehr Trinkwasser mit weniger salzhaltigen Abwässern zu produzieren.

Kamalesh Sirkar, ein angesehener Professor für Chemieingenieurwesen am New Jersey Institute of Technology (NJIT), sagt, er habe ein Direktkontakt-Membrandestillationssystem (DCMD) entwickelt, das effizient Trinkwasser aus bis zu 20 Prozent salzkonzentrierter Sole herauspressen kann. (Nach etwa 25 Prozent fällt im Membrandestillationssystem Salz aus der Lösung aus und könnte die Membranen, Pumpen, Leitungen und andere Komponenten beschädigen, sagt Sirkar.)

Normales Meerwasser weist einen Salzgehalt von etwa 3,5 Prozent auf, wodurch die neue Anlage das gleiche Meerwasser mehrfach aufbereiten kann. „Mit weniger Rückständen kann mehr Wasser zurückgewonnen werden“, sagt Sirkar.

In Sirkars System fließt erhitztes Meerwasser durch eine Membran, die mit einer Reihe hohler Röhren aus einer porösen, aber hydrophoben Faser versehen ist – was bedeutet, dass nur Wasserdampf osmotisch übertragen werden kann. Durch jedes der Rohre fließt kaltes Destillatwasser in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Meerwassers. Der Temperaturunterschied zwischen dem erhitzten Meerwasser und dem kalten Destillatwasser führt zur Dampfbildung an den Rohren. Dieser Dampf diffundiert durch die Poren, kondensiert erneut in den Rohren und verbindet sich mit dem kalten Destillatwasserstrom. Das Salz kann nicht in die Rohre eindringen und wird abtransportiert; Mit jedem Zyklus wird mehr Frischwasser entnommen und es bleibt höher konzentrierte Sole zurück.

Sirkars kürzlich patentiertes System kann etwa 80 Liter Trinkwasser pro 100 Liter Meerwasser liefern, sagt er. Ein vergleichbares Umkehrosmosesystem – das Meerwasser mithilfe von Druck durch eine Salzfiltermembran presst – würde laut Sirkar 41 Liter aus der gleichen Menge Salzwasser zurückgewinnen.

Zu den Vorteilen der Membrandestillation gehört die Möglichkeit, Trinkwasser mit sehr geringem Salzgehalt herzustellen. Darüber hinaus kann Meerwasser bei verschiedenen Temperaturen – von 30 bis 100 Grad Celsius – destilliert werden, wodurch die normalerweise für die Entsalzung benötigte Wärmemenge reduziert wird, was laut Sirkar eine Energieeinsparung bedeutet. Längerer Gebrauch kann die Effizienz einer typischen Membran verringern, aber laut Sirkar fügt sein System eine ultradünne Schicht einer hochporösen Silikon-Fluorpolymer-Beschichtung hinzu, um die Lebensdauer der Membran zu verlängern. Fluorpolymer – ein Polymer, das Fluoratome enthält – weist eine hohe Beständigkeit gegenüber den im Meerwasser vorkommenden Lösungsmitteln, Säuren und Basen auf. Was die Auswirkungen der Entsalzung auf die Umwelt betrifft, sagt Sirkar, dass die Rückführung konzentrierter Sole ins Meer eine „minimale“ Störung des Meereslebens darstellt. Er fügt hinzu: „Meerwasser ist ein sehr großes Volumen mit genügend Turbulenzen, um [die Sole] sehr schnell zu verdünnen.“

Das heißt nicht, dass die Membrandestillation problemlos ist. Es ist eine stabile, kostengünstige Wärmequelle erforderlich, um zu verhindern, dass sich die Temperaturen des Wassers auf beiden Seiten der Membran angleichen, was den Verdampfungs-/Kondensationsprozess behindern würde. Damit DCMD praktikabel ist, muss es einfacher zu verwenden und kostengünstiger sein und in der Lage sein, die verfügbaren Wärmequellen zu nutzen, einschließlich der Abwärme, die beispielsweise von Fabriken an Land und Offshore-Bohrbetrieben erzeugt wird, sagt Sirkar.

Obwohl Membranen immer besser werden, ist Umkehrosmose häufiger anzutreffen und wird seit den späten 1960er Jahren in Entsalzungsanlagen eingesetzt. Jüngste Verbesserungen in der Umkehrosmose-Technologie – darunter effizientere Membranen aus Kohlenstoffnanoröhren und Energierückgewinnungsgeräte, die die Leistung steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Kosten senken – haben sie selbst für kleine Gemeinden wie Sand City, Kalifornien, zu einer praktikablen Option gemacht. auf der Monterey-Halbinsel mit einer Bevölkerung von weniger als 350.

Welche Technologie auch immer für die Entsalzung verwendet wird, der Preis bleibt ein Joker und hängt von den Energiekosten ab, die für den Bau und die Wartung der Anlage, den Betrieb des Prozesses sowie den Transport von Meerwasser hinein und entsalztem Wasser erforderlich sind. Eine aktuelle Studie der WateReuse Association zeigt, dass die Kosten für Meerwasserentsalzungsprojekte stark variieren und zwischen etwa 2 und 12 US-Dollar pro 3.785 Liter liegen. Einheiten mit geringerer Kapazität, die weniger als 3,8 Millionen Liter pro Tag produzieren, liegen am oberen Ende dieser Kostenspanne, auch weil sie nicht die gleichen Größenvorteile nutzen können wie größere Anlagen.

Aus diesem Grund nimmt die Entsalzung im Bericht „National Water Program 2012 Strategy: Response to Climate Change“ der US-Umweltschutzbehörde, der im März als Entwurf zur öffentlichen Kommentierung veröffentlicht wurde, keine herausragende Rolle ein. (pdf) Der Bericht stellt fest, dass „Entsalzung energieintensiv ist und mit der Entsorgung von Abfallsole aus der Behandlung Risiken und Kosten verbunden sein können.“ Dennoch räumt die Agentur ein, dass ein steigender Meeresspiegel im Laufe der Zeit das Eindringen von Salzwasser in Süßwassergrundwasserleiter an der Küste verstärken kann, und weist darauf hin, dass Entsalzung eine Möglichkeit ist, sicherzustellen, dass diese Grundwasserleiter nutzbar bleiben.

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Der Artikel wurde ursprünglich am 22. Mai 2012 von Scientific American veröffentlicht.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Greenemeier, L. Neue Entsalzungstechnik liefert mehr Trinkwasser. Natur (2012). https://doi.org/10.1038/nature.2012.10702

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Veröffentlicht: 23. Mai 2012

DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2012.10702

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