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Wie lässt sich Wasser besser reinigen?

Sauberes Wasser ist weltweit knapp. Vor allem in trockenen Regionen gibt es deshalb Anlagen mit Membranfiltern, die Brack-, Meer- und Abwasser reinigen. Ein israelisch-deutsches Forschungsteam hat das Verschmutzen auf Membranoberflächen in Abwasseraufbereitungsanlagen jetzt mittels Neutronen untersucht. Dies könnte die Reinigungsverfahren verbessern und Kosten senken.

Zwar sind 70 Prozent der Erde mit Wasser bedeckt, aber sauberes Wasser ist knapp. Deshalb sind Wasseraufbereitungsanlagen nötig, um Brackwasser zu reinigen.
Prof. Dr. Yoram Oren (l.) untersuchte die Membran am Instrument KWS-3 mit Dr. Vitaliy Pipich in der Neutronenleiterhalle des MLZ. © Dr. Dietmar Schwahn / Forschungszentrum Jülich
Vor der Membran der Aufbereitungsanlagen bildet sich eine sogenannte Kuchenschicht aus Kieselsäurepartikeln (rot). © Reiner Müller, FRM II / TUM
Dr. Dietmar Schwahn und Thomas Starc (im weißen Labormantel) montieren die Testzelle am Probenort der Neutronen-Kleinwinkelanlage KWS-3. © Dr. Vitaliy Pipich / Forschungszentrum Jülich

Wasser ist eine kostbare Ressource, insbesondere in den Ländern der südlichen Erdhalbkugel. Wenn nicht genügend Süßwasser zur Verfügung steht, werden in Wasseraufbereitungsanlagen sowohl brackiges Grundwasser als auch Abwässer gereinigt, um es zu Brauchwasser oder trinkbar zu machen. Riesige Anlagen filtern das vorbehandelte Wasser durch selektive Membranen, die unerwünschte organische Stoffe, kolloidale Partikel und Salze aus dem Wasser entfernen.

Filter verstopfen

Mineralien, wie etwa Kieselsäure (SiO2) verschmutzen und verstopfen häufig diese Membranfilter. Dadurch verringert sich die Wassermenge, die in einer bestimmten Zeiteinheit von der Membran gereinigt werden kann. Daher müssen die Membranen häufiger ersetzt oder mit speziellen Mitteln gewaschen werden, was wiederum zu höheren Kosten führt.

Israelische und deutsche Forschende haben nun eine spezielle Zelle für diese Membranen gebaut, um die Ablagerungsprozesse zu simulieren, die die Verstopfung und Verschmutzung verursachen. Diese Zelle erfüllt die Anforderungen für die Durchführung von Filtrationsexperimenten mittels in-situ Kleinwinkelneutronenstreuung an den Instrumenten KWS-3 und KWS-1 des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums. Diese Methode ermöglicht es, die Verschmutzungen und Kristallbildung der Partikel bis in den Nanometer-Bereich hinein zu analysieren.

Kuchenschicht vor der Membran

"Wir konnten den gesamten Prozess simulieren und verfolgen, wie er in der Realität abläuft", sagt Dr. Dietmar Schwahn vom Forschungszentrum Jülich. "Die Neutronen zeigen uns zerstörungsfrei, wie sich Kieselsäure-Partikel vor der Membran anlagern." In vielen Fällen bilden die Partikel eine "Kuchenschicht" auf der Membranoberfläche, in der sie als dichter Kieselsäure-Kristall geordnet sind. Mit Hilfe der Neutronenstreuung konnten die Forschenden den Abstand der Kieselsäure-Partikel zueinander innerhalb dieser Schicht bestimmen. Überraschenderweise führte diese „Kuchenbildung“ zu einem leicht erhöhten Wasserdurchfluss, der parallel zu den Neutronenmessungen ermittelt wurde.

Kostengünstige Substanzen verhindern Verschmutzung

Neutronen zeigten, was im Größenbereich von Mikrometern bis zu Nanometern auf den Membranoberflächen während des Entsalzungsprozesses geschieht. "Die Ingenieure messen den Wasserdurchfluss durch die Membran", sagt Dietmar Schwahn. "Wir haben nun dazu beigetragen, den Einfluss der Siliziumdioxid-Partikel auf den Wasserfluss durch die Membran zu erklären."

„Die Ergebnisse helfen nun dabei kostengünstige Methoden und Substanzen zu entwickeln, die die Kristallisationsbildung und Verschmutzung auf der Membranoberfläche verhindern“, sagt Prof. Dr. Yoram Oren vom Zuckerberg-Institut für Wasserforschung an der Ben-Gurion-Universität in Israel.

 

Originalpublikation:

V. Pipich, T. Starc, J. Buitenhuis , R. Kasher, W. Petry , Y. Oren, D. Schwahn, Silica Fouling in Reverse Osmosis Systems–Operando Small-Angle Neutron Scattering Studies, Membranes 11, 413 (2021)

https://doi.org/10.3390/membranes11060413