Wissenschaftlern zufolge könnten Manganferrit-Nanopartikel die Verfügbarkeit von Trinkwasser weltweit deutlich steigern, wenn sie zur Modifizierung der derzeit in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzten Filterschichten verwendet werden.
„Unsere Studie verzeichnet einige außergewöhnliche Ergebnisse. Die leistungsstärkste Membran, die 2 Gewichtsprozent Verbundmaterial enthält, erreichte einen Wasserdurchfluss von 351,4 LMH, was 2,6-mal höher ist als bei den ursprünglichen PES-Membranen“, sagte der Co-Autor der Studie, Dr. Ismail Almanassra, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institute for Science and Engineering der University of Sharjah.
PES- oder Polyethersulfon-Membranen sind für Wasseraufbereitungsanlagen unverzichtbar, da sie als Barrieren fungieren, die Trinkwasser durchlassen und das Eindringen unerwünschter Stoffe verhindern. Sie filtern Salze, Verunreinigungen und andere unerwünschte Partikel aus dem Wasser.
„Die Bedeutung dieses Projekts liegt in seinem Potenzial, die Wasseraufbereitungsprozesse zu revolutionieren und in großem Maßstab technologische, wirtschaftliche, ökologische und gesundheitliche Vorteile zu bieten“, fügte Dr. Almanassra hinzu.
Die Studie, veröffentlicht im Zeitschrift für Membranwissenschaftzeigt, dass die Wissenschaftler „UF-Membranen mit überlegenem Wasserdurchfluss und überlegener Rückweisungsrate“ entwickelt haben und in der Lage sind, wesentliche Ineffizienzen der derzeitigen Wasseraufbereitungsmethoden zu beheben.
„Das Projekt verringert wirksam den Biofouling, senkt die Wartungs- und Betriebskosten und trägt durch eine effizientere Wasserwirtschaft gleichzeitig zur ökologischen Nachhaltigkeit bei“, fügte Dr. Almanassra hinzu.
UF- oder Ultrafiltrationsmembranen werden weltweit häufig in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt. Sie werden auch üblicherweise in Entsalzungsprojekten sowie zur Grundwasservorbehandlung, Lebensmittelverarbeitung, industriellen chemischen Trennung und Abwasserbehandlung eingesetzt.
UF-Membranen wirken auch als Barriere, um Endotoxine, Viren und andere Feststoffe und Krankheitserreger zu suspendieren und so Trinkwasser mit hoher Reinheit und geringer Schlammdichte zu erzeugen. Sie bestehen meist aus Polymermaterialien oder Keramik.
Dr. Almanassra sagte, dass Wasseraufbereitungs- und Entsalzungsanlagen derzeit mit mehreren Herausforderungen konfrontiert seien, „insbesondere während der Vorbehandlungsphase, in der polymerbasierte Ultrafiltrationsmembranen (UF) zur Dekontaminierung eingesetzt werden.“
„Ein großes Problem ist Biofouling, bei dem sich biologische Materialien auf der Membranoberfläche ansammeln und den Permeatfluss und die Wasserqualität negativ beeinflussen.“
Biofouling beeinträchtigt die Effizienz und Haltbarkeit von UF-Membranen, die in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden. Es wird durch Mikroorganismen verursacht, die das Wasser verschmutzen und verunreinigen, die Trinkwasserproduktion verringern und Membranoberflächen bedecken, blockieren oder beschädigen.
Dies ist ein Problem, mit dem sich Betriebsingenieure immer noch herumschlagen. Um es zu lösen, verfolgen sie normalerweise zwei Lösungsansätze. Bei der ersten erhöhen sie den Betriebsdruck auf FU-Membranen, um die Durchlässigkeit und Wasserproduktion aufrechtzuerhalten. Bei der zweiten sind sie gezwungen, die mit Biofouling befallenen Membranen häufig auszutauschen.
Die Autoren der Studie zeigen jedoch, dass beide Lösungen zu höheren Betriebs- und Wartungskosten führen. Als Forscher mit unterschiedlichem Hintergrund arbeiten sie an der Innovation und Entwicklung von UF-Membranen durch die Integration hydrophiler Materialien, um Biofouling wirksam zu bekämpfen und die langfristigen Kosten zu senken.
„Dieser Ansatz verbessert nicht nur den Permeatfluss und die Schadstoffentfernungsrate, sondern verringert mit der Zeit auch die Auswirkungen von Biofouling erheblich und führt zu effizienteren und kostengünstigeren Wasseraufbereitungslösungen“, sagte Dr. Almanassra.
Die Innovation der Wissenschaftler liegt in ihrem Erfolg bei der Modifizierung von 2D-Graphit-Kohlenstoffnitrid mit Manganferrit-Nanopartikeln, die als Nanofüllstoffe für PES-UF-Membranen verwendet werden sollen. Die Membranen wurden mit unterschiedlichen Massenbeladungen des Additivs zwischen 0,5 und 3 Gew.-% mittels Phaseninversionsmethode hergestellt.
Vor dem Testen und Auswerten wurden diese Filme mithilfe verschiedener Techniken charakterisiert, um ihre Morphologie, Oberflächenrauheit sowie ihre physikochemischen und mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Anschließend wurden die Membranen mit Fouling-Mitteln getestet, von denen bekannt ist, dass sie mit der Zeit Fouling verursachen.
„In puncto Abweisung und Antifouling-Kapazität schnitt unsere Membran hervorragend ab und wies über 95 % HA und BSA ab. Beeindruckenderweise behielt die Membran sogar nach der hydraulischen Reinigung eine Rückgewinnungsrate von über 88 % bei.
„Die Integration hydrophiler Materialien stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft dar, mit potenziellen Anwendungen über die Wasseraufbereitung hinaus. Letztendlich verbessert dieses Projekt die öffentliche Gesundheit, indem es saubereres, sichereres Wasser bereitstellt und skalierbare Lösungen für die globalen Herausforderungen der Wasserknappheit und -verschmutzung bietet.“
Weitere Informationen:
Lubna Jaber et al., Bahnbrechende biofoulingresistente PES-UF-Membran mit MnFe2O4/g-C3N4-Nanokomposit: Einblick in Mechanismen und Foulingdynamik, Zeitschrift für Membranwissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.memsci.2023.122259