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Wasserentsalzungs- und Fluoridionen-Entfernung mit Elektrodialyse

Sauberes Trinkwasser ist für unsere Gesundheit von größter Bedeutung. Trotz seiner zentralen Rolle für unser aller Leben bedroht die weltweit fortschreitende Industrialisierung die Süßwasserressourcen auf der ganzen Welt. So ist zum Beispiel Fluorid, wenngleich ein wesentliches Spurenelement, gleichzeitig auch Ursache für gefährliche gesundheitliche Schäden im Menschen. In größeren Mengen über längere Zeit vom Körper aufgenommen, verursacht Fluorid Fluorose, ein stark die Knochen schädigende Vergiftung.

Fluorid-haltige Mineralien im Gestein kommen besonders häufig in Indien vor. Durch Auswaschung gelangt Fluorid in anliegende Grundwasserleiter und so in den Boden. Die Konzentration von Fluoridionen in einem indischen Grundwasser kann mehr als 30 mg/l betragen. Giftige Konzentrationen von 20-80 mg / Tag über einen Zeitraum von 10 bis 20 Jahren verursachen irreparable Schäden am menschlichen Körper.

Fluoridionen im Grundwasser werden zur Wasseraufbereitung durch Membranen entfernt. Diese Membrane verschmutzen jedoch leicht, z.B. Bakterien in Abwasser oder andere Ablagerungen und können so ernsthafte Bedrohung für der öffentlichen Gesundheit darstellen. Daher liegt ein besonderer Fokus bei der Entwicklung von fluoridentfernenden Membranen auf der Verhinderung solcher Verschmutzugen, zum Beispiel in dem man bakterielles Wachstum verlangsamt.

Zur Wasseraufbereitung ist die Herstellung von antimikrobiellen Oberflächenmodifikation zur Herstellung hochwertigen Membranen für Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose ein wichtiger Schritt.

Elektrodialyse wird häufig zur Entfernung von Kontaminationen aus Wasser verwendet, da nur wenig Energie benötigt wird. Bei Elektrodialysemembranen sind Salzablagerungen ein wirtschaftliches Risiko, das es zu vermeiden gilt. Salzablagerungen können gehäuft auftreten, wenn die Konzentration zweiwertiger Ionen zu hoch ist. Hinzu kommt das Risiko von Biofouling durch mikrobielles Wachstum. Beide Vorgänge beeinträchtigen die Leistung von Elektrodialysemembranen, was widerum wirtschaftliche Verluste verursacht, da die Membranen gereinigt oder ersetzt werden müssen. Für eine effiziente Wasseraufbereitung ist es daher von Bedeutung, die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Membranen zu verbessern.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern haben eine zusammengesetzte Anionenaustauschmembran für Wasserentsalzungs- und Fluoridionenentfernung durch Elektrodialyse hergestellt, die über verbesserte antimikrobiellen Eigenschaften verfügt. Ihre Ergebnisse habe sie im Fachmagazin ACS ES&T Water publiziert. Das Konsortium bestand aus Forschern der Akademie für Wissenschaft und Innovation in Ghaziakad, Indien, und der Universität von Tokio.

Ihre Anionenaustauschmembranen basiert auf vernetzten Terpolymeren mit eingebauten Silber-Nanopartikeln zur Verlangsamung mikrobiellen Wachstums. Die Membrane sind geeignet für die Wasserentsalzung und Fluoridionentfernung durch Elektrodialyse. Die Herstellung der Terpolymere und Polyacrylnitril-Copolymere erfolgte durch N-Alkylierung unter Verwendung verschiedener Alkylhalogenide. Die N-Alkylierung des Terpolymers durch verschiedene Alkylgruppen beeinflußte die Wasseraufnahme, Hydrophobie, den Ionentransport und die ionische Leitfähigkeit der der Membran. Lange Alkylgruppen erhöhten die Wirksamkeit der Fluoridentfernung sowie die oxidative und physische Stabilität der Membranen. Die Eignung der hergestellten Verbundmembranen wurde für die Entfernung von gefährlichen Fluoridionen (5,5 und 11 mg/l) aus einer Natriumchloridlsung (2 g/l) durch Elektrodialyse bei einer Spannung von 2 V überprüft.

Der Einbau von 0,03% Silber-Nanopartikeln in das quaternisierten Polymer bewirkte die gewünschten antimikrobiellen Eigenschaften. Die einheitliche Verteilung der Silbernanopartikel in der Flüssig- und Festphase wurde durch Transmissionselektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen. Die Anheftung von Bakterien wurde durch Koloniezaehlung ueberprueft war 100-fach verringert, wenn Silbernanoprtikeln in die Membran eingebaut wurde. Die verringerte mikrobielle Anheftung auf die Membranoberfläche ist somit auf die antimikrobielle Wirkung der Silbernanopartikel zurückzuführen. Nur 0,03% Silbernanopartikel reichten aus, um gewünschte antimikrobielle Wirkung in der Membran zu erzielen.

Bei einer Wassertemperatur von 50°C trat nach 15 Tagen keine nachweisbare Auslaugung der Silberpartikel auf. Diese Arbeit stellt somit eine verbesserte Anionenaustauschmembran mit antimikrobieller Eigenschaft für eine effiziente Entfernung von Fluor sowie die Entsalzung durch Elektrodialyse dar.

Details zur Methodik

Der gesamte Syntheseprozeß erfolgte in vier Schritten:

  • Schritt 1: Silbernitrat wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, um eine 30 mM-Lösung herzustellen
  • Schritt 2: Terpolymer und quaternisierte Terpolymere wurden durch freie radikalische Polymerisation hergestellt
  • Schritt 3: Verbundzusatzstoffe wurden durch die Reduktion von Silbernitrat mit Natriumborhydrit in Gegenwart von Dimethylformamid hergestellt
  • Schritt 4: die Membran wurde mit den Silbernanopartikeln vernetzt

Charakterisierung der Anionenaustauschmembran

Die Membran wurde mithilfe zahlreicher analytischer Methoden charakterisiert:

  • UV-Vis und IR-Spektroskopie
  • Einbau der Silbernanopartikel durch Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie
  • Thermische Stabilität, Zugeigenschaften, Loeslichkeit sowie weiter physikochemische und elektrochemische Eigenschaften der Silbernanopartikel-Verbundpolymere wurden untersucht
  • Wasserentsalzungs- und Fluoridentfernung
  • Die Wirksamkeit der Silbernanopartikel auf mikrobielle Anheftung
  • Energieverbrauch und -effizienz während der Wasserentsalzungs- und Fluoridentfernung durch die Verbundmembran
  • Die Membranstabilität in Bezug auf pH, Temperatur und Fentons Reagenz wurde bewertet

Referenz:

Pal et al. 2021 “Composite Anion Exchange Membranes with Antibacterial Properties for Desalination and Fluoride Ion Removal” ACS ES&T Water 1 (10), 2206-2216, https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00147

Bild: Wikipedia

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Hocheffiziente Entsalzung durch Nanoröhrchen

Die Trennung flüssiger Kompartimente ist nicht nur für die Energiegewinnung biologischer Zellen von Bedeutung, da dort die Zellatmung stattfindet, sondern auch für elektrochemische Zellen und Entsalzung durch revertierte Osmose und andere Prozesse. Es ist also nur folgerichtig, daß die die angewandte Forschung sich intensiv damit beschäftigt. Wir haben schon in mehreren Artikeln über vielversprechende Versuche berichtet, Membranen billiger und effektiver zu machen. Auch Nanomaterialien sind schon intensiv beforscht worden.

In Folge klimatischer Veränderungen, hervorgerufen durch die globale Erwärmung, wird Wasserknappheit immer häufiger zu einem Problem in vielen Teilen der Welt. Am Meer gelegene Siedlungen können ihre Versorgung mit entsalztem Wasser aus Meerwasser und Brackwasserquellen sichern.

Jetzt haben Forscher des kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Poren aus Kohlenstoffnanoröhrchen entwickelt, die so effizient Salz aus Wasser entfernen, daß sie mit kommerziellen Entsalzungsmembranen vergleichbar sind. Diese winzigen Poren haben einen Durchmesser von nur 0,8 Nanometern (nm). Ein menschliches Haar einen Durchmesser von 60.000 nm. Die Ergebnisse haben die Forscher in der Zeitschrift Science Advances publiziert.

Die vorherrschende Technologie zur Entfernung von Salz aus Wasser ist die Umkehrosmose. Dabei wird eine Dünnschicht-Verbundmembran (DVM) verwendet, um Wasser von Ionen zu trennen. Bisher war die Leistung dieser Membranen jedoch unbefriedigend. Beispielsweise sind DV-Membranen durch die Kompromisse zwischen Permeabilität und Selektivität eingeschränkt. Zudem weisen sie häufig eine unzureichende Abstoßung einiger Ionen und Spuren von Verunreinigungen auf.  Das erfordert zusätzliche Reinigungsstufen die wieder die Energiekosten erhöhen.

Wie so oft, haben sich die Forscher die Natur zum Vorbild genommen. Biologische Wasserkanäle, auch als Aquaporine bekannt, liefern eine Blaupause für die Strukturen, die eine höhere Leistung bieten können. Diese Aquaporine haben extrem enge innere Poren, die das Wasser zusammendrückt. Dadurch wird eine extrem hohe Wasserdurchlässigkeit mit Transportraten von mehr als 1 Milliarde Wassermolekülen pro Sekunde pro Pore ermöglicht. Kohlenstoffnanoröhren stellen aufgrund der geringen Reibung des Wassers auf den Innenflächen einen der vielversprechenden Ansatz für künstliche Wasserkanäle dar.

Die Forschergruppe entwickelte Nanoröhrchen-Porine, die sich selbst in nachgeahmte biologische Membranen einfügen. Diese künstlichen Wasserkanäle bilden die Funktionalität von Aquaporinkanälen nach. Die Forscher maßen den Wasser- und Chloridionentransport durch die künstlichen Porine mit einem Durchmesser von 0,8 nm. Computersimulationen und Experimente unter Verwendung de künstlichen Porine in Lipidmembranen zeigten einen verbesserten Fluß sowie eine starke Ionenabstoßung in den Kanäle von Kohlenstoffnanoröhrchen.

Mit diesem Verfahren kann man den genauen Wert der Wasser-Salz-Permselektivität in den engen Kohlenstoffnanoröhrchen bestimmen. Simulationen auf Atomebene bieten eine detaillierte molekulare Ansicht der neuartign Kanäle. Bei Frontis Energy freuen wir uns über diesen vielversprechenden Ansatz und hoffen schon bald ein kommerzielles Produkt auf dem Markt sehen zu können.

(Bild: Wikipedia)