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Meerwasserentsalzung: Kostengünstigere und umweltfreundlichere Membranen

Bevölkerungswachstum, Dürren: Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist eine große Herausforderung für die öffentliche Gesundheit, denn mehr als 2,2 Milliarden Menschen – das ist jeder dritte Mensch – verfügen nicht über diesen Zugang. Meerwasser zu entsalzen ist daher eine verlockende Idee. Seit etwa 50 Jahren werden Filtermembranen entwickelt, die Wassermoleküle durchlassen, aber die Ionen, aus denen sich das Salz zusammensetzt, aufhalten. Ihre Leistungsfähigkeit hat jedoch bislang nur zu sehr energieaufwendigen Lösungen geführt, die selbst zum Klimawandel beitragen. Forscher des Institut Européen des Membranes in Montpellier versuchen, eine Hybridmembran zu entwickeln, eine Kombination aus einer Polyamidmatrix, die bereits von der Entsalzungsindustrie verwendet wird, und künstlichen Wasserkanälen.

Meerwasserentsalzung: Kostengünstigere und umweltfreundlichere Membranen

Weltweit werden derzeit etwa 100 Millionen Kubikmeter Wasser pro Tag entsalzt, hauptsächlich mithilfe eines von der Natur inspirierten Verfahrens: der Osmose. Von Osmose spricht man beispielsweise bei der spontanen Passage von Wasser durch die Poren einer Membran, die zwei Lösungen mit unterschiedlicher Salzkonzentration voneinander trennt: Das Wasser fließt von der weniger konzentrierten zur konzentrierteren Lösung, wodurch letztere verdünnt wird und der Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Lösungen abnimmt. Um Meerwasser zu entsalzen, muss das Wasser jedoch entgegen dieser spontanen Bewegung “gedrückt” werden, um sehr unterschiedliche Salzkonzentrationen auf beiden Seiten der Membran zu erreichen, oder sogar eine Konzentration von null oder fast null auf einer Seite. Dazu muss auf das Wasser ein hoher Druck ausgeübt werden. Man spricht von Umkehrosmose. Parallel dazu versucht die Chemie ständig, die Synthese dieser biometrischen Membranen weiterzuentwickeln. In jüngster Zeit hat die Herstellung von Membranen aus dünnen Polyamidfilmen, die Nanopartikel einschließen, die Durchlässigkeit verbessert, jedoch mit einer geringeren Salzabweisung.

Um die Membranen für die Entsalzung zu verbessern, versucht das Institut Européen des Membranes in Montpellier, die Aquaporine (Proteine) durch synthetische Kanäle zu ersetzen. Man entdeckte, dass sich die Wassermoleküle, um diese Kanäle zu durchqueren, selektiv in einer Reihe anordnen (man spricht von molekularen Wasserfäden). Besser noch: Sie sind auf eine ganz bestimmte Weise ausgerichtet, die sich durch die Polarität des Wassermoleküls in Verbindung mit der Asymmetrie der Kanäle selbst erklären lässt. Dies führt zu einer größeren Mobilität der Wassermoleküle in den Kanälen und fördert so den Stofftransport bei geringerer Energiezufuhr von außen. Die Herausforderung bestand dann darin, diese biomimetischen Membranen in größerem Maßstab herzustellen, was den Wissenschaftlern gelungen ist.

Diese Arbeit wurde 2019 zum Patent angemeldet. Die Leistungen der Membranen in Bezug auf Durchlässigkeit (3 Liter pro Kubikmeter pro Stunde pro Bar) und Salzabweisung (über 99,5 %) ermöglichen eine Senkung der Energiekosten um 12 % bei dreimal so viel produziertem Wasser wie bei den derzeitigen Methoden, deren Erträge seit 50 Jahren stagnieren. Diese Membranen könnten auch verwendet werden, um ultrareines Wasser (das für die Herstellung von Impfstoffen oder Bauteilen für die Mikroelektronik benötigt wird) auf einfachere und billigere Weise herzustellen.

Quelle : CNRS