Es kommt in Eisbären und Urwäldern vor. Es ist in unseren Schalentieren, heißen Kakaomischungen und Grünkohl enthalten.
Was ist dieses allgegenwärtige „Es“? Bei „Es“ handelt es sich um Per- und Polyfluoralkyl-Substanzen, auch PFAS oder Forever-Chemikalien genannt, die zum Schutz von Kleidung, Kochgeschirr, Kosmetika und anderen Produkten vor Wasser, Fett oder Öl eingesetzt werden. Aber diese Chemikalien können aus diesen Gütern austreten und unsere Nahrung, Luft, Pflanzen und unser Trinkwasser schädigen. Bisher haben Wissenschaftler das herausgefunden Eine PFAS-Exposition könnte zu einer Schädigung der Leber und des Immunsystems führenerhöhtes Risiko für Nieren- oder Hodenkrebs, Geburtsfehler und andere Gesundheits- und Umweltprobleme.
Und eine der häufigsten Arten der Aufnahme dieser Chemikalien ist die Aufnahme von verunreinigtem Wasser.
„PFAS sind typischerweise in sehr, sehr geringen Konzentrationen vorhanden“, sagte Kurban Sitterley, ein Wasseraufbereitungsexperte am National Renewable Energy Laboratory (NREL). „Aber sie können schon in geringen Konzentrationen krebserregend sein.“
Glücklicherweise können wir PFAS und andere unerwünschte Schadstoffe wie Arsen oder Kalzium mithilfe eines Prozesses namens Ionenaustausch aus unserem Wasser extrahieren. Und bald wird die Entfernung von PFAS keine Option mehr sein. Im Juni 2023 kündigte die Environmental Protection Agency ihren Plan an, Wasserversorger dazu zu verpflichten, einen PFAS-Gehalt im Trinkwasser von nahezu Null zu erreichen. Das bedeutet, dass viele Wasseraufbereitungsanlagen ihre Systeme aufrüsten müssen, um diese heimtückische Chemikalie bekämpfen zu können.
„Und Ionenaustauschtechnologien“, sagte Sitterley, „sind einige der einzigen selektiven Trenntechnologien, die wir haben, die diese Chemikalien für immer aus dem Wasser entfernen können.“
Sitterley, der Mitglied der National Alliance for Water Innovation (NAWI) ist, hat sich kürzlich mit Alexander Dudchenko, einem assoziierten Wissenschaftler am Stanford Linear Accelerator Center, zusammengetan, um ein Modell zu demonstrieren, das zur Verbesserung von Ionenaustauschsystemen beitragen könnte.
Mit deren neues Ionenaustauschmodell, das das Team in einem NREL-Bericht demonstrierte Im September 2023 veröffentlicht, können Versorgungsunternehmen und Forscher verschiedene Systemdesigns simulieren und untersuchen. Versorgungsunternehmen können beispielsweise ermitteln, welches System die wirtschaftlichste Option zur Entfernung eines bestimmten Schadstoffs wie Arsen, Kalzium oder PFAS sein könnte. Und Forscher können die Technologien optimieren, um herauszufinden, welche Designs mehr gereinigtes Wasser und weniger Abfall produzieren, weniger Energie verbrauchen und/oder weniger kosten könnten.
„Viele Wasseraufbereitungsanlagen müssen ihre Aufbereitungsanlage umrüsten, um mit PFAS umgehen zu können, weil es absolut überall vorkommt“, sagte Sitterley. „Das wird hoffentlich eine Anwendung für das Ionenaustauschmodell sein.“
Das neue Modell des Duos ist Teil des kostenlosen, öffentlich zugänglichen Angebots von NAWI Technoökonomische Bewertungsplattform für die Wasseraufbereitung (Wasserhahn). Mit WaterTAP können Benutzer mehr als 50 verschiedene Arten von Wasseraufbereitungstechnologien digital simulieren und erkunden.
Nehmen wir zum Beispiel an, dass Sitterley ein anderes Harz ausprobieren möchte – die Substanz in Ionenaustauschsystemen, die Verunreinigungen wie PFAS aufnimmt. Mit diesem Modell konnte er testen, wie sich verschiedene Harze auf die Leistung des Systems auswirken. Könnte das Upgrade beispielsweise mehr PFAS entfernen? Und wenn ja, wäre diese Optimierung die Kosten wert?
Ionenaustauschsysteme nutzen eine chemische Reaktion, um unerwünschte Ionen durch harmlose zu ersetzen, ähnlich wie beim Umtausch einer Währung gegen eine andere. Die Technologie ist gut untersucht und vielseitig und kann ein breites Spektrum an Schadstoffen bekämpfen. Heutzutage wird der Ionenaustausch am häufigsten verwendet, um Wasser zu enthärten – oder Mineralien wie Kalzium oder Magnesium zu entfernen. Obwohl sogenanntes hartes Wasser nicht gefährlich ist (es kann sogar eine wertvolle Quelle für Kalzium und Magnesium für diejenigen sein, die nicht genug über die Nahrung aufnehmen), können Kalzium und Magnesium Rohre verkleben und die Entfernung von Seife und Reinigungsmitteln erschweren Schmutz von Kleidung und Geschirr.
Nachdem Sitterley und Dudchenko ihr Modell gebaut hatten, demonstrierten sie auch, wie es funktioniert – die erste von vielen Demos, die geplant waren, um die Fähigkeiten von WaterTAP zu demonstrieren. Für die Demonstration des Ionenaustauschmodells zeigte das Team, wie diese Systeme Kalzium aus dem Trinkwasser herausfiltern könnten. Sie experimentierten auch mit verschiedenen Systemdesigns, um zu sehen, wie sich Änderungen auf die Kosten auswirken könnten.
„Wir versuchen herauszufinden, wo man wirtschaftliche oder leistungsbezogene Vorteile erzielen kann“, sagte Sitterley.
Sitterley wird auch sein Modell weiter verfeinern. Derzeit arbeitet er daran, das Tool so zu erweitern, dass es mehrere Schadstoffe gleichzeitig analysieren kann. Hartes Wasser enthält weit mehr als nur Kalzium. Wenn das Modell also alle Mineralien in dieser Mischung bewerten kann, könnte es eine noch genauere Schätzung der Leistung und Kosten eines Systems liefern.
Und bald könnte das Modell auch die Kosten für die Abfallentsorgung berücksichtigen. Wenn beispielsweise eine Wasseraufbereitungsanlage Ionenaustausch zur Entfernung von PFAS nutzt, was dann? Die Entsorgung einer potenziell schädlichen Chemikalie ist nicht immer billig. In Zukunft könnte das Modell diese Nachbehandlungskosten berücksichtigen (obwohl Benutzer diese Daten bereits finden können, wenn sie das Tool mit anderen WaterTAP-Modellen koppeln).
„Wenn wir den Abfallstrom genau modellieren können, zumindest wie viel erzeugt wird und was darin enthalten ist, wäre das meiner Meinung nach wirklich wertvoll“, sagte Sitterley. „Ein Großteil der Kosten für den Ionenaustausch wird durch die Bewirtschaftung des Abfallstroms verschlungen, unabhängig davon, ob er gefährlich ist oder nicht. Daher hoffe ich, diesen Teil des Modells bald zu verbessern.“
Obwohl WaterTAP nicht die einzige verfügbare Modellierungsplattform für die Wasseraufbereitung ist, ist es die einzige, die kostenlos und für jedermann und überall verfügbar ist. Sitterley sieht sein neues Modell und den Rest des WaterTAP-Tools als Teil eines öffentlichen Dienstes. Wasser werde nicht nur als Trinkwasser konsumiert, sagte er. Landwirtschaft, Kraftwerke und Industrie verbrauchen ebenfalls große Mengen der schwindenden Vorräte der Erde.
„Wenn wir mit WaterTAP letztendlich ein besseres Verständnis der Wasseraufbereitungsprozesse erlangen“, sagte Sitterley. „Ich denke, das wäre ein großer Sieg.“