Die Zukunft der Entsalzung? Eine schnelle, effiziente und selektive Membran zur Reinigung von Salzwasser

Wasserknappheit ist ein wachsendes Problem auf der ganzen Welt. Die Entsalzung von Meerwasser ist eine etablierte Methode zur Gewinnung von Trinkwasser, jedoch mit enormen Energiekosten verbunden. Erstmals nutzen Forscher fluorbasierte Nanostrukturen, um erfolgreich Salz aus Wasser zu filtern. Im Vergleich zu aktuellen Entsalzungsmethoden arbeiten diese fluorhaltigen Nanokanäle schneller, benötigen weniger Druck und weniger Energie und sind ein effektiverer Filter.

Wenn Sie jemals mit einer Antihaft-Teflon-beschichteten Bratpfanne gekocht haben, dann haben Sie wahrscheinlich gesehen, wie leicht nasse Zutaten darin herumrutschen. Dies geschieht, weil die Schlüsselkomponente von Teflon Fluor ist, ein leichtes Element, das von Natur aus wasserabweisend oder hydrophob ist. Teflon kann auch zum Auskleiden von Rohren verwendet werden, um den Wasserfluss zu verbessern. Ein solches Verhalten erregte die Aufmerksamkeit von außerordentlichem Professor Yoshimitsu Itoh vom Institut für Chemie und Biotechnologie der Universität Tokio und seinem Team. Es inspirierte sie, zu untersuchen, wie Rohre oder Kanäle aus Fluor auf einer ganz anderen Ebene, der Nanoebene, funktionieren könnten.

„Wir waren neugierig zu sehen, wie effektiv ein fluorhaltiger Nanokanal beim selektiven Filtern verschiedener Verbindungen, insbesondere Wasser und Salz, sein könnte. “, sagte Itoh. „Es gibt derzeit im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, Wasser zu entsalzen: thermisch, indem Meerwasser durch Wärme verdampft wird, sodass es als reines Wasser kondensiert, oder durch Umkehrosmose, bei der Wasser mit Druck durch eine Membran gedrückt wird, die Salz blockiert. Beide Methoden erfordern viel Energie , aber unsere Tests deuten darauf hin, dass fluorhaltige Nanokanäle wenig Energie benötigen und auch andere Vorteile haben.“

Das Team stellte Testfiltrationsmembranen her, indem es nanoskopische Fluorringe chemisch synthetisierte, die gestapelt und in eine ansonsten undurchlässige Lipidschicht eingebettet wurden, ähnlich den organischen Molekülen, aus denen Zellwände bestehen. Sie erstellten mehrere Testmuster mit Nanoringen zwischen etwa 1 und 2 Nanometern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist fast 100.000 Nanometer breit. Um die Wirksamkeit ihrer Membranen zu testen, maßen Itoh und das Team das Vorhandensein von Chlorionen, einem der Hauptbestandteile von Salz – der andere ist Natrium – auf beiden Seiten der Testmembran.

„Es war sehr aufregend, die Ergebnisse aus erster Hand zu sehen. Der kleinere unserer Testkanäle hat ankommende Salzmoleküle perfekt zurückgewiesen, und auch die größeren Kanäle waren immer noch eine Verbesserung gegenüber anderen Entsalzungstechniken und sogar hochmodernen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Filtern“, sagte Itoh. „Die wirkliche Überraschung für mich war, wie schnell der Prozess ablief. Unsere Probe arbeitete etwa mehrere tausend Mal schneller als typische Industriegeräte und etwa 2.400 Mal schneller als experimentelle Entsalzungsgeräte auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis.“

Da Fluor elektrisch negativ ist, stößt es negative Ionen wie das in Salz enthaltene Chlor ab. Aber ein zusätzlicher Bonus dieser Negativität ist, dass sie auch sogenannte Wassercluster, im Wesentlichen lose gebundene Gruppen von Wassermolekülen, abbaut, so dass sie schneller durch die Kanäle passieren. Die fluorbasierten Wasserentsalzungsmembranen des Teams sind effektiver, schneller, benötigen weniger Energie im Betrieb und sind außerdem sehr einfach zu bedienen, also wo ist der Haken?

„Derzeit ist die Art und Weise, wie wir unsere Materialien synthetisieren, selbst relativ energieintensiv; wir hoffen jedoch, dies in anstehenden Forschungsarbeiten verbessern zu können. Und angesichts der Langlebigkeit der Membranen und ihrer niedrigen Betriebskosten werden die Gesamtenergiekosten steigen.“ viel niedriger sein als mit aktuellen Methoden“, sagte Itoh. „Andere Schritte, die wir unternehmen möchten, sind natürlich die Skalierung. Unsere Testproben waren einzelne Nanokanäle, aber mit der Hilfe anderer Spezialisten hoffen wir, in einigen Jahren eine Membran mit einem Durchmesser von etwa 1 Meter herzustellen. Parallel zu diesen Fertigungsbedenken, Wir untersuchen auch, ob ähnliche Membranen verwendet werden könnten, um Kohlendioxid oder andere unerwünschte Abfallprodukte, die von der Industrie freigesetzt werden, zu reduzieren.“

Die Ergebnisse werden in veröffentlicht Wissenschaft.