Neue Membranfiltertechnologie hilft bei der Bewältigung von Wasserknappheitsproblemen

Die Membran könnte in fortschrittlichen Wasseraufbereitungssystemen und anderen Anwendungen eingesetzt werden.

Mit dem Bevölkerungswachstum und der industriellen Entwicklung ist auch der Wasserbedarf gestiegen, was zu einer noch größeren Wasserknappheit geführt hat. Dies erfordert die Nutzung nichttraditioneller Wasserquellen, einschließlich Abwasser, Meerwasser und Brackwasser.

In den letzten Jahren haben sich Membrantechnologien aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz, einfachen Bedienung und kompakten Bauweise zum führenden Werkzeug für die Wasserwiederverwendung und -entsalzung entwickelt. Einige davon – zum Beispiel die Entsalzung durch Umkehrosmose (RO) und die Abwasserbehandlung durch Membranreaktoren – werden bereits in großem Maßstab in der Industrie eingesetzt.

Trotz ihrer weit verbreiteten Implementierung weisen RO-Systeme seit langem Leistungseinschränkungen im Zusammenhang mit Membranmaterialien auf. Aktuelle Membranen entfernen auch neutrale gelöste Stoffe mit niedrigem Molekulargewicht nur schlecht und reagieren empfindlich auf den Abbau durch Oxidationsmittel, die bei der Wasseraufbereitung verwendet werden.

Jetzt haben Forscher der University of Colorado Boulder (CU Boulder) ein neues Membran-Wasserfiltersystem auf Basis von Luftblasen entwickelt, das dabei helfen kann, Probleme der Wasserknappheit auf der ganzen Welt anzugehen.

Im Allgemeinen basieren Membranfilter auf Druck, um Wasser durch ein Sieb zu drücken und so das Wasser von unerwünschten Partikeln und Verunreinigungen zu trennen. Das neue Membransystem nutzt eine winzige Luftblasenschicht, um das Wasser zu destillieren, anstatt es zu sieben. Laut Forschern wird das neue System durch diese Änderung durchlässiger und kann unerwünschte Verunreinigungen besser entfernen als herkömmliche Umkehrosmosesysteme.

Aktuelle Membranen auf dem neuesten Stand der Technik unterliegen einem Kompromiss zwischen Wasserdurchlässigkeit und Wasser-Salz-Selektivität, wobei ein Gewinn an Wasserdurchlässigkeit zu einem Verlust an Salzabweisung führt. Im Gegensatz dazu beobachtete das Team, dass Membranen, die auf einem Gas-Flüssigkeits-Phasenwechsel beruhen, die Permeabilität erhöhen können, ohne die Wasser-Salz-Selektivität zu beeinträchtigen, indem sie die Dicke der Luftschicht verringern.

Für Proof-of-Concept-Tests fertigte das Team Lufteinschlussmembranen unter Verwendung poröser anodischer Aluminiumoxidsubstrate (AAO), die mit einer kontrollierten hydrophoben Beschichtung modifiziert waren.

Da die Trennung aufgrund eines Gas-Flüssigkeits-Phasenwechsels erfolgt, beobachteten die Forscher eine nahezu vollständige Abstoßung gelöster Stoffe, einschließlich Natriumchlorid, Bor, Harnstoff und N-Nitroso-Dimethylamin. Membranen, die aus Luftschichten mit einer Dicke von weniger als 200 nm hergestellt wurden, zeigten Wasserdurchlässigkeiten, die die von kommerziellen Membranen übertreffen, ohne dass die Salzabweisung darunter leidet. Außerdem fanden sie heraus, dass die Lufteinschlussmembranen den Kontakt mit Chlor- und Ozonoxidantien vertragen.

Die Membrantechnologie des Teams könnte in fortschrittlichen Wasseraufbereitungssystemen und anderen Anwendungen eingesetzt werden. „Diese können genutzt werden, um Wasser in einem sehr hohen Maße zu reinigen, wenn es um die Entsalzung von Meerwasser und die Wiederverwendung von Abwasser geht“, sagte Assistenzprofessor Anthony Straub in einer Erklärung. „Wir arbeiten auch laufend mit der NASA zusammen, um diese Membranen zur Wiederaufbereitung von Wasser bei Weltraumforschungs- und Forschungsmissionen zu nutzen.“

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