Wasseraufbereitung Entsalzungstechniken für sauberes Trinkwasser voranbringen

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Die Erde ist voll von Wasser. Doch von den weltweiten Wassermassen sind nur 2,5 Prozent Süßwasser; und davon wiederum nur 0,3% überhaupt für den Menschen zugänglich. Um auch Meerwasser für uns nutz- und trinkbar zu machen, eignen sich Entsalzungstechnologien. Wie diese am besten weiterentwickelt werden können, hat nun ein internationales Forscherteam untersucht.

Paderborn, Stanford/USA – 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 so genannte 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. In einer aktuellen Studie stellen sie Lösungen vor, die auf fortgeschrittene Charakterisierungstechniken und rechnergestützte Modellierung setzen.

Gängige Entsalzungstechnologien stoßen schnell an Grenzen

Nach Angabewn der OECD werden in Deutschland jährlich rund 300 Kubikmeter Wasser pro Kopf verbraucht. 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. Oft nutzt man Meerwasser als Ressource, um daraus Trinkwasser zu gewinnen. Möglich wird das zum Beispiel durch spezielle Membranen, mit denen sich der Prozess der so genannten Umkehrosmose durchführen lässt. Aber auch Trenntechniken, die geladene Teilchen über eine angelegte Spannung aus dem Wasser entfernen, werden angewendet (kapazitive Deionisation).

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Laut 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.“ Kenntnisse von physikalischen und chemischen Prozessen auf atomarer und molekularer Ebene seien für die Entwicklung neuer Technologien entscheidend.

Molekulare Einblicke dank Charakterisierungstechniken

In einer aktuellen Studie zeige die Wissenschaftler um Steinrück, wie verschiedene 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. „Die Technologien zur Energiespeicherung haben enorm von der Charakterisierung von Elektroden, Elektrolyten und sogar funktionstüchtigen Geräten profitiert“, sagt Steinrück. „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.“

Funktionsweise auf atomarer Ebene verstehen

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. Mit den Erkenntnissen aus solchen Experimenten ließen sich Materialien neu- und weiterentwickeln, 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“, fasst Steinrück zusammen.

Originalpublikation: Sharon E. Bone, Hans-Georg Steinrück, Michael F. Toney: Advanced Characterization in Clean Water Technologies, Cell (2020), DOI: 10.1016/j.joule.2020.06.020

* N. Reckendorf, Universität Paderborn, 33098 Paderborn

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