(Manki Kim/Unsplash) Salz aus Meerwasser zu entfernen, um es trinkbar zu machen, erfordert die Bewältigung einer Reihe wissenschaftlicher Herausforderungen, einschließlich der Optimierung der dafür verwendeten Membran Entsalzung Prozess – und neue Forschungen zu diesen Membranen versprechen, den gesamten Vorgang in Zukunft billiger und zugänglicher zu machen.
Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Membranen möglicherweise um 30 bis 40 Prozent effizienter zu machen, was den Energiebedarf zum Filtern von Wasser angeht. Der Schlüssel zu ihrem Ansatz liegt in der Dichte der Membranen auf nanoskaliger Ebene.
In einer neuen Studie erläutert das Team, dass es wichtiger ist, die Dichte der Membranen konstant zu halten, als die Dicke der Membran selbst. Dies kann die sogenannte Wasserreinigungstechnik verbessern Umkehrosmose Dabei werden Mineralien durch Druck von einer Membran aufgefangen und entfernt.
Die nanoskalige 3D-Membrankartierung zeigte die Bedeutung einer konsistenten Dichte. (Enrique Gomez/Penn State)
„Umkehrosmosemembranen werden häufig zur Reinigung von Wasser verwendet, aber wir wissen immer noch viel nicht über sie.“ sagt Umweltingenieur Manish Kumar von der University of Texas in Austin.
„Wir konnten nicht wirklich sagen, wie sich das Wasser durch sie bewegt, daher wurden alle Verbesserungen in den letzten 40 Jahren im Wesentlichen im Dunkeln durchgeführt.“
Um einen klareren Blick auf diese Membranen zu werfen, verwendeten Kumar und seine Kollegen ein multimodales Verfahren Elektronenmikroskopie Technik – Kombination einer Analyse der chemischen Zusammensetzung mit 3D-Kartierung auf Nanoebene – um zu modellieren, wie effizient Wasser gereinigt werden könnte.
Anlass für die Forschung war die Beobachtung, dass dickere Membranen bei der Entsalzung häufig besser geeignet sind, was kontraintuitiv ist, wenn man bedenkt, dass das Wasser mehr Material zum Durchdringen hat.
Die Modellierung ergab, dass Inkonsistenzen und „tote Zonen“ in der Membran eine größere Rolle spielten als die Dicke.
Wenn die Dichte der Membranen gleichmäßig verteilt wird, kann mehr Wasser mit weniger Energie gereinigt werden, schlagen die Forscher vor – was großen Unternehmen und Kleinverbrauchern gleichermaßen Geld spart und einen besseren Zugang zur Technologie ermöglicht.
„Man kann sehen, dass einige Orte mehr oder weniger dicht sind.“ Kaffee Filtere einfach nach deinem Auge“, sagt Chemieingenieur Enrique Gomez , von der Pennsylvania State University.
„Bei Filtrationsmembranen sieht es gleichmäßig aus, liegt aber nicht im Nanomaßstab, und wie man diese Massenverteilung kontrolliert, ist für die Wasserfiltrationsleistung wirklich wichtig.“
Die Produktion von Süßwasser ist nicht nur für die öffentliche Gesundheit, sondern auch für die Nutzung in der Landwirtschaft und Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung. Jedes Jahr werden Milliarden Gallonen Wasser gereinigt, sodass Effizienzsteigerungen von 30 bis 40 Prozent einen großen Unterschied machen könnten.
Die Möglichkeit, Membranen mit einer so geringen Auflösung abzubilden – in diesem Fall weniger als der halbe Durchmesser eines DNA-Strangs – bedeutet, dass Wissenschaftler jetzt viel besser verstehen, was eine Membran bei der Umkehrosmose besser macht. Dies wiederum sollte zukünftige Forschungen zur noch weiteren Verbesserung der Effizienz beeinflussen.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten Salzwasser zu reinigen, um es für andere Zwecke zu nutzen, aber der Membranansatz ist bereits einer der effizientesten. Forscher suchen nun nach Möglichkeiten, wie es weiter verbessert und an bestimmte Verwendungszwecke angepasst werden kann.
„Süßwassermanagement wird weltweit zu einer entscheidenden Herausforderung“ sagt Gomez . „Engpässe, Dürren – mit zunehmenden Unwettern ist zu erwarten, dass dieses Problem noch größer wird.“
„Die Verfügbarkeit von sauberem Wasser ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Gebieten mit geringen Ressourcen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .