Neue Filtrationstechnologie verbessert die Abwasserreinigung und macht sie energieeffizient

• Ein neuer Membrantyp erfordert einen viel niedrigeren Druck als Standardmembranen, um Schwebeteilchen aus dem Wasser zu filtern.
• Es hält dreimal länger und spart doppelt so viel Energie wie herkömmliche Transmembranen.

Wasserreinigungstechniken verringern die Konzentration bestimmter Stoffe wie Bakterien, Pilze, Viren, Algen, Parasiten und Schwebstoffe. Es gibt mehrere physikalische, biologische und chemische Prozesse, und in den letzten Jahrzehnten haben wir elektromagnetische Strahlung wie UV-Licht verwendet, um Wasser zu reinigen.

Der Prozess der Wasserfiltration und -aufbereitung – für Trinkwasser, chemische und industrielle Anwendungen – macht fast 13% des gesamten Stromverbrauchs in den Vereinigten Staaten aus, der jährlich 290 Millionen Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzt. Um dies in einen Kontext zu setzen, entspricht es dem Gesamtgewicht aller Menschen auf der Welt.

Um Wasser zu reinigen, wird es normalerweise durch eine Membran mit winzigen Poren geleitet. Die Größe dieser Poren ist klein genug, um Verunreinigungen oder Partikel, die größer als Wassermoleküle sind, herauszufiltern. Da diese Membranen aufgrund von Verstopfungen zum "Verschleiß" neigen, benötigen sie höhere Spannungen, um Wassermoleküle zu drücken, und oft müssen verstopfte Membranen ersetzt werden, was die Kosten der Wasseraufbereitung erhöht.

Forscher der Harvard University haben nun einen neuen Membrantyp entwickelt, der einen viel geringeren Druck als herkömmliche Membranen benötigt, um Schwebeteilchen aus dem Wasser zu filtern. Sie nennen es Liquid-Gated-Membranen (LGMs). Sie ist doppelt effizient (in Bezug auf den Energieverbrauch) und hält dreimal länger als bestehende Membranen.

LGMs können in einer Vielzahl von Wasseraufbereitungsumgebungen verwendet werden, wodurch der Stromverbrauch und die Kosten großer industrieller Prozesse, einschließlich Gas- und Ölbohrungen, gesenkt werden.

Wie es funktioniert?

Jede Liquid-Gated-Membran ist mit einer speziellen Flüssigkeit beschichtet, die die Poren in einer „geschlossenen“ Phase füllt und verschließt und als reversibler Gate dient. Wenn Sie Druck ausüben (um Wasser zu filtern), wird die Flüssigkeit in den Poren der Membran zu den Enden gezogen und bildet offene Poren, die so konfiguriert werden können, dass sie bestimmte Gase oder Flüssigkeiten durchlassen.

Referenz:AIP | doi:10.1063/1.5047480 | Harvard-Universität 

Dies verhindert den „Verschleiß“ der Membranen aufgrund der rutschigen Oberfläche der Flüssigkeit. Und da LGMs in der Lage sind, Zielstoffe aus verschiedenen Flüssigkeitsgemischen zu trennen, könnten sie in der industriellen Flüssigkeitsverarbeitung verwendet werden.

Transmembrandruck (TMP) für Standard- und Gate-Membran | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Um ein LGM zu erstellen, infundierten Forscher winzige Scheiben (25 Millimeter) einer herkömmlichen Filtermembran mit einem speziellen flüssigen Gleitmittel, Perfluorpolyether, das seit über drei Jahrzehnten in der Luftfahrtindustrie verwendet wird.

Testen und Anwendungen

Die Forscher mischten Bentonit-Ton in Wasser und leiteten ihn mit entsprechendem Druck durch die Poren von LGM. Anschließend verglichen sie die Ergebnisse mit herkömmlichen Membranen.

Die Liquid-Gates-Membranen zeigten deutlich später Abnutzungserscheinungen als herkömmliche:Sie filterten Wasser dreimal länger effektiv als unbehandelte Membranen, bevor sie die auf der Membran angesammelten Substanzen manuell entfernen mussten. Außerdem hatten sie während der Filtration 60 % weniger Nanoton auf ihrer Membran.

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Um die Filterung einzuleiten, benötigen LGMs 16 % weniger Druck, wodurch mehr Energie gespart wird. Dies könnte die Filtrationsrate von Wasseraufbereitungsmechanismen erhöhen, die in verschiedenen Branchen verwendet werden, darunter Textilien, Petrochemie, biopharmazeutische Herstellung und Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung.