Ingenieure haben eine neue Art von Membran entwickelt, die Chemikalien im Abwasser so effektiv trennt, dass sie wiederverwendet werden können. Dies bietet der Industrie eine neue Möglichkeit, die Nachhaltigkeit zu verbessern und gleichzeitig wertvolle Nebenprodukte und Chemikalien aus dem Abwasser zu extrahieren.
Die für den Einsatz in der Abwasserbehandlung entwickelte nanoporöse Dünnschicht-Verbundmembran, bekannt als TFC NPM, weist eine „beispiellose“ Fähigkeit auf, Salze und andere chemische Komponenten aus Wasser zu trennen, und könnte in einer Reihe zu einer nachhaltigeren Behandlung und Bewirtschaftung von Wasser führen von Branchen.
Ein Forschungsbericht, der heute, am 3. August, in veröffentlicht wurde Naturwasser beschreibt detailliert die Leistung der Membran und erklärt, wie ihre einzigartigen Eigenschaften, die in Teilen von Muscheln inspiriert sind, den Weg für eine nachhaltigere Wasserbewirtschaftung in Branchen wie der Pharmaindustrie, der Öl- und Gasindustrie, der Textilindustrie und der Lebensmittelverarbeitung ebnen könnten. Der Artikel wurde von Wissenschaftlern der britischen University of Bath zusammen mit Kollegen aus China, Südkorea, Singapur, Australien und Belgien verfasst.
Sie sagen, dass die Membran aktuelle Äquivalente ersetzen könnte, die in der Elektrodialyse verwendet werden, einem Prozess zur Wasseraufbereitung, bei dem Ionen unter elektrischem Strom durch Membranen von einer Lösung in eine andere transportiert werden. Bestehende Membranen sind teuer und können Trenneffizienzen von 90–95 % erreichen. Die Autoren der neuen Arbeit sagen, dass das neue TFC NPM dies deutlich verbessern kann, mit Wirkungsgraden von mehr als 99 % und gleichzeitig weniger Energie zu geringeren Kosten verbraucht.
Dr. Ming Xie, Dozent für Chemieingenieurwesen an der University of Bath und einer der Autoren des Papiers, sagt, die Membran könnte zu einem Umdenken in der Abwasserbehandlung führen. Er sagt: „Traditionell betrachteten viele Branchen das von ihnen erzeugte Abwasser als Gewerbeabfall, der für das Unternehmen notwendige Kosten darstellt.“
„Technologien wie die von uns entwickelte Membran können uns dabei helfen, Schritte zur Senkung der Kohlenstoffemissionen zu unternehmen, indem sie den Energiebedarf der Abwasserbehandlung reduzieren und gleichzeitig Möglichkeiten finden, die darin enthaltenen Komponenten wie Chemikalien, Salze, Energie, Biomasse und Nährstoffe effizient zu trennen.“ Wiederverwendung als hochwertige Nebenprodukte.“
Bei der Gestaltung der Beschichtung der Membranoberfläche ließen sich die Forscher von Muscheln inspirieren. Sie besteht aus den Polymeren Polyethylenimin (PEI) und Polydopamin (PDA), einer Verbindung, die Muscheln ausscheiden und bei Nässe an Felsen oder Holz festkleben. Die Klebrigkeit der Beschichtung macht die Membran hochselektiv und lässt Wasser durch, blockiert jedoch andere Verbindungen und organische Materialien. Dieser mehrstufige Prozess führt zu einer verbesserten Filterung des Wassers und einer hocheffizienten, energiesparenden Möglichkeit, Chemikalien einzeln zu fraktionieren (oder zu trennen).
Die Elektrodialyse ist eine Technologie, die ihre Anpassungsfähigkeit für verschiedene Anwendungen gezeigt hat, in diesem Fall für die Bewirtschaftung stark salzhaltiger Abfallströme. Beim Elektrodialyseprozess wird elektrisches Potenzial genutzt, um die positiven und negativen Ionen gelöster Salze durch eine separate semipermeable synthetische Membran zu treiben.
Während der Tests verwendeten die Forscher vier Antibiotika – Ceftriaxon-Natrium, Cefotaxim-Natrium, Carbenicillin-Dinatrium und Ampicillin-Natrium –, um die elektrobetriebene Filtrationsleistung der PDA/PEI-beschichteten Membran nachzuweisen. Die Membran zeigte eine beispiellos hohe Rückgewinnungseffizienz bei der Entfernung der Antibiotika aus Salzwasserlösungen (Wasser und NaCl-Natriumchlorid) – mit einer Entsalzungseffizienz von über 99,3 % und einer Rückgewinnung der Antibiotika von über 99,1 %.
Wenn die Membran in die industrielle Abwasserbehandlung integriert wird, ist sie in der Lage, eine hochwirksame elektrodialytische Fraktionierung (Trennung) verschiedener gemischter organischer/NaCl-Lösungen durchzuführen, und zwar effektiver als bestehende Standardverfahren.
Co-Autor Dr. Dong Han Seo vom Department of Energy Engineering des Korea Institute of Energy Technology sagte: „Diese Arbeit demonstriert den neuesten Stand der Technik der Elektrodialyse, um die große Herausforderung in der Pharmaindustrie anzugehen und eine biobasierte Abwasserbehandlung zu ermöglichen.“ eine effektive Rückgewinnung der hochwertigen Chemikalien und gleichzeitig die Gewinnung von wiederverwendbarem Wasser bei geringem Energieverbrauch.“
Dr. Jiuyang Lin von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ebenfalls Co-Autor, sagte: „Diese einfache, aber effektive Beschichtung sorgt für Langzeitstabilität und garantiert einen niedrigen Energieverbrauch unabhängig von den Abwasserbedingungen. Dies ist ein Durchbruch bei der Entdeckung der Elektrodialyse für die Abwasserbehandlung.“ Cleveres Membrandesign, Simulation und Analyse.“
Die Autoren erforschen Wege zur Kommerzialisierung der Membran.
Mehr Informationen:
Jiuyang Lin et al.: Der Abschirmeffekt ermöglicht einen schnellen Ionentransfer durch eine nanoporöse Membran für eine äußerst energieeffiziente Elektrodialyse. Naturwasser (2023). DOI: 10.1038/s44221-023-00113-5. www.nature.com/articles/s44221-023-00113-5