Wissenschaftler wollen Entsalzungstechnologien verbessern
Wasser ist die wahrscheinlich wichtigste Ressource der Welt. Wir nutzen sie in der Landwirtschaft, in der Industrie, zum Trinken – vorausgesetzt, das Wasser ist sauber. Hier helfen sogenannte Entsalzungstechnologien. Sie entfernen gelöste Stoffe aus dem Wasser und bereiten es damit für die unterschiedlichen Anwendungen auf. Zwar gibt es bereits eine Vielzahl entsprechender Verfahren, dennoch sehen Wissenschaftler der Universität Paderborn und des Stanford National Accelerator Laboratory SLAC in den USA dringenden Verbesserungsbedarf. Ihre Studie, die jüngst im Fachmagazin „Joule“ veröffentlicht wurde, stellt Lösungen mittels fortgeschrittener Charakterisierungstechniken und rechnergestützter Modellierung vor.
Leistung und Haltbarkeit von Entsalzungstechnologien weiterentwickeln
Pro Kopf werden in Deutschland jährlich rund 312 Kubikmeter Wasser verbraucht. Das belegen Zahlen des Statistischen Bundesamts für das Jahr 2019. Anders verhält es sich in Ländern, die nur begrenzten Zugang zu sauberem Süßwasser haben. Für diese Regionen ist es umso wichtiger, die lebensnotwendige Ressource aufzubereiten. Meerwasser ist zur Gewinnung von Trinkwasser besonders attraktiv. Möglich wird das zum Beispiel durch den Prozess der sogenannten Umkehrosmose oder durch kapazitive Deionisation. Laut Jun.-Prof. Dr. Hans-Georg Steinrück vom Department Chemie der Universität Paderborn stoßen diese Mechanismen allerdings – wie andere gängige Verfahren auch – an ihre Grenzen: „Leistung und Haltbarkeit aktueller Entsalzungstechnologien müssen verbessert werden, um den künftigen Bedarf an sauberem Wasser zu decken. Diese Herausforderung ist besonders komplex, weil es eine Vielzahl von Wasserquellen gibt, die unterschiedliche Mengen an Salz, gelösten organischen Stoffen und anderen Verunreinigungen enthalten“, sagt Steinrück. Kenntnisse von physikalischen und chemischen Prozessen auf atomarer und molekularer Ebene seien für die Entwicklung neuer Technologien entscheidend.
Vorbild Energiespeicherung: Charakterisierungstechniken erlauben molekulare Einblicke
Die Wissenschaftler zeigen in ihrer Studie auf, wie innovative Charakterisierungstechniken, einschließlich Röntgen-, Neutronen-, Elektronen- und Positronen-basierter Methoden, auf Wasserentsalzungstechnologien angewandt werden können. Ziel ist es, detaillierte molekulare Einblicke zu erhalten, insbesondere in Kombination mit rechnergestützter Modellierung. Dazu Steinrück: „Die Technologien zur Energiespeicherung haben enorm von der Charakterisierung von Elektroden, Elektrolyten und sogar funktionstüchtigen Geräten profitiert. Im Gegensatz dazu sind diese Methoden für Entsalzungstechnologien bislang nur spärlich eingesetzt worden. Das liegt zum einen an den Schwierigkeiten bei der Charakterisierung sehr dünner Materialien und Grenzflächenregionen und zum anderen daran, dass Entsalzungstechnologien komplexe Gewässer behandeln, die von Natur aus heterogen sind.“
Verbesserte Materialen auf Basis atomarer Bausteine
Mithilfe bestimmter Techniken können Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung und physikalische Struktur der Materialen visualisieren, die in Wasserentsalzungstechnologien verwendet werden – sogar während des Betriebs. Konkret lassen sich damit chemische Bindungen zwischen Atomen und deren Positionen vermessen. „Daraus können nicht nur Rückschlüsse auf die Funktionsweise einzelner Atome gezogen werden, sondern es kann auch aufgedeckt werden, welche atomaren und molekularen Fehlverhalten zur Entwertung der Materialen und somit zu einer verkürzten Lebensdauer der Verfahren beitragen“, erklärt Steinrück. Damit wäre im Ergebnis eine wissensbasierte Weiterentwicklung von neuartigen und verbesserten Materialen möglich, in denen die atomaren Bausteine für spezifische Herausforderungen gezielt angeordnet werden können, so der Chemiker weiter.
„Wir gehen davon aus, dass das gewonnene Verständnis der Physik und der Chemie, die den Entsalzungstechnologien zugrunde liegen, die Entwicklung verbesserter Materialien und Verfahren beschleunigen wird. Das kann letzten Endes auch zu einem geringeren Energieverbrauch, verbesserter Kosteneffizienz, erhöhten Kapazitäten und damit zu einer insgesamt effizienteren Wasseraufbereitung führen“.
Zur Veröffentlichung: https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.06.020
Die Mitteilung des Stanford Linear Accelerator Center gibt es unter:
https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-07-27-how-clean-water-technologies-could-get-boost-x-ray-synchrotrons.aspx
Text: Nina Reckendorf