Revolutionäre Membrantechnologie steigert Abwasserreinigung & Energieeffizienz

• Neue Membranart benötigt deutlich niedrigeren Druck als Standardmembranen, um Schwebstoffe aus Wasser zu filtern.
• Hält 3-mal länger und spart doppelt so viel Energie wie konventionelle Transmembranen.

Wasseraufbereitung verringert Konzentration von Bakterien, Pilzen, Viren, Algen, Parasiten und Schwebstoffen. Es gibt diverse physikalische, biologische, chemische Prozesse, und seit Jahrzehnten nutzen wir elektromagnetische Strahlung wie UV-Licht zur Wasserreinigung.

Wasserfiltration und -behandlung – für Trinkwasser, chemische und industrielle Anwendungen – verbraucht fast 13 % des gesamten US-Stromverbrauchs, setzt jährlich 290 Mio. Tonnen CO₂ frei. Zum Kontext: entspricht dem kombinierten Gewicht aller Menschen weltweit.

Zur Reinigung wird Wasser durch Membran mit winzigen Poren geleitet. Porengröße filtert Verunreinigungen/Partikel größer als Wassermoleküle. Da Membranen durch Verstopfung „verschleißen“, brauchen sie höhere Spannungen, um Wassermoleküle durchzudrücken, und verstopfte Membranen müssen oft ersetzt werden, was Wasserbehandlungskosten erhöht.

Forscher der Harvard University entwickelten nun eine neue Membranart, die deutlich niedrigeren Druck als traditionelle Membranen benötigt, um Schwebstoffe aus Wasser zu filtern. Sie nennen sie Flüssigkeitsgesteuerte Membranen (LGMs). Sie sind doppelt so effizient (Energieverbrauch) und halten dreimal länger als bestehende Membranen.

LGMs einsetzbar in breitem Spektrum wasserverarbeitender Settings, senken Stromverbrauch und Kosten großer Industrieprozesse, inkl. Gas- und Ölbohrung.

Funktionsweise

Jede Flüssigkeitsgesteuerte Membran ist mit spezieller Flüssigkeit beschichtet, die Poren in „geschlossenem“ Zustand füllt und versiegelt – als reversibles Tor. Wird Druck angewendet (zum Filtern), wird Flüssigkeit in Membranporen zu den Enden gezogen, bildet offene Poren, konfigurierbar für Durchlass bestimmter Gase oder Flüssigkeiten.

Referenz: AIP | doi:10.1063/1.5047480 | Harvard University

Dies verhindert „Verschleiß“ der Membran durch glatte Flüssigkeitsoberfläche. Da LGMs Zielsubstanzen aus verschiedenen Flüssigkeitsgemischen trennen können, nutzbar in industrieller Flüssigkeitsverarbeitung.

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

Für LGM-Herstellung infundierten Forscher winzige Scheiben (25 mm) konventioneller Filtermembran mit speziellem Schmiermittel Perfluorpolyether, seit über 3 Jahrzehnten in Luftfahrtindustrie genutzt.

Test und Anwendungen

Forscher mischten Bentonit-Ton in Wasser und leiteten es durch LGM-Poren bei angepasstem Druck. Ergebnisse mit konventionellen Membranen verglichen.

Flüssigkeitsgesteuerte Membranen zeigten Verschleißerscheinungen deutlich später: filterten Wasser 3-mal länger effektiv als unbehandelte Membranen, bevor manuelle Entfernung angesammelter Substanzen nötig war. Auch 60 % weniger Nanoton-Ablagerung auf Membran während Filtration.

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Zur Filtrationsinitiation benötigen LGMs 16 % weniger Druck, sparen mehr Energie. Dies könnte Filtrationsrate von Wasserbehandlungsmechanismen in diversen Branchen steigern: Textilien, Petrochemie, Biopharma, Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung.