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Nanotechnological Application in WAter DESalination

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Bessere Entsalzung mit Nanotechnologie

Meerwasserentsalzung ist heute ein wichtiges Verfahren, um Trinkwasser bereitzustellen. Doch kann es mit Verschmutzung einhergehen und energieintensiv sein. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NAWADES wurde Nanotechnologie angewandt, um einige der Probleme zu lösen, welche diese Technologie zurückhalten.

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Derzeit werden täglich weltweit mehr als 63 Millionen Kubikmeter Wasser an über 14 000 Anlagen entsalzt. Dies wird hauptsächlich über Umkehrosmose (Reverse Osmosis, RO) bewerkstelligt, ein Verfahren, bei dem aufgrund einer dichten Polymermembran ausschließlich Wassermoleküle durchgelassen werden. Da die Entsalzung mithilfe von RO mit einer Reihe von Umweltproblemen einhergeht, wurde im Zuge des NAWADES-Projekts die Herausforderung adressiert, das Verfahren zu verbessern. Das Projekt setzte Nanotechnologie ein, neue Lösungen für diese Aufgabe zu entwickeln. Laut dem Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) könnten bis zum Jahr 2050 etwa 60 % der Weltbevölkerung unter erheblicher Wasserknappheit leiden, wobei bei 33 % bereits ein Wassermangel bestünde. Manche Länder befinden sich bereits auf einem guten Weg, ihren Bedarf über Entsalzung zu decken; in Israel etwa geht mehr als 40 % und in Saudi Arabien mehr als 70 % des städtischen Wassers auf Entsalzung zurück – ein Verfahren, bei dem salziges Meerwasser in frisches Trinkwasser umgewandelt wird. In Europa befinden sich ca. 10 % der weltweiten Entsalzungskapazitäten, wobei Spanien mit mehr als 700 Anlagen eine führende Stellung einnimmt. Auch im Vereinigten Königreich in London, wurde eine erste Entsalzungsanlage eröffnet. Die derzeitige Technologie weist jedoch Probleme auf. Der über die Entsalzung mithilfe von Umkehrosmose erzeugte Abfallstrom ist eines dieser Probleme. Solerückstände und Chemikalienzusätze werden üblicherweise zurück in das Meer geleitet. Bei dem Verfahren werden außerdem erhebliche Energiemengen verbraucht. Einer optimalen Entsalzung mithilfe von RO-Membranen sind durch die Ansammlung von groben Mineralsalzen, einer sogenannten Oberflächenverkrustung, und durch biologisches Fouling über Bakterien Grenzen gesetzt, da diese jeweils das Membranleben verkürzen. „Zur Reduzierung von Scaling und Fouling sowie des Bedarfs für einen kostspieligen Membranersatz wird eine kontinuierliche Dosierung von Antibelagmitteln in Kombination mit Chlorungs- oder Entchlorungsstrategien angewandt“, erklärt Christiane Chaumette vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, die Koordinatorin des NAWADES-Projekts. Über das NAWADES-Projekt wurde ein hochrangiges europäisches Konsortium im Bereich der Membranherstellung und -anwendung zusammengestellt, um an einer Optimierung der Meerwasserentsalzung zu forschen. Hierzu wurde bei den Grundlagen angesetzt: Bei der Membran einschließlich des vollständigen Prozesses von der Meerwasseraufnahme bis zum Abwasserstrom. Das Konsortium verwendete Verfahren wie unter anderem eine Plasmaoberflächenbehandlung der Membran und integrierte UV-Bestrahlungsmethoden, welche die Biofouling-Entfernung von der Membran verbessern. Gemäß dem Entwurf ist die neue Entsalzungsvorrichtung unter Verwendung eines zusätzliches kurvenförmigen Gehäuses mit LED-Leuchten selbstreinigend. Hierdurch wird Licht zur Aktivierung eines Titandioxidkatalysators (TiO2) in Polyvinylidenfluorid (PVDF)- oder Aluminiumoxidmembranen zugeführt. Im Zuge des Projekts wurde überdies die Fouling- und Scaling-Überwachung mithilfe elektrischer Widerstandsvergleiche untersucht. Die LED- und selbstreinigenden Membranen wurden in Demonstrations-Prototypen integriert und in der Pilotphase von NAWADES vor Ort an der Entsalzungsanlage El Prat de Llobregat in Barcelona, Spanien, getestet. Während der Demonstrationszeit wurden vier verschiedene Ultrafiltrationsmembranen mit und ohne LED-UV-Bestrahlung sowohl bei Einweg- als auch Querstromeinstellungen getestet. „Es war eine gute Erfahrung, den Übergang von NAWADES-Labortests in die Demonstrationsphase und in Marktkonzeptpakete miterleben zu können. Ich persönlich bin dankbar dafür, dass auch die industriellen Partner eine zeitgerechte Publikation zahlreicher Forschungsergebnisse möglich gemacht haben“, sagt Chaumette. Die NAWADES-Partner haben in 2 Patentanträge investiert, von denen bereits einer genehmigt worden ist. Die Partner haben einen Nutzungsvertrag über die NAWADES-Technologie unterzeichnet und führen die Entwicklung spezifischer Technologien in bilateralen und trilateralen Partnerschaften fort.

Schlüsselbegriffe

NAWADES, Entsalzung, Membransystem, Meerwasser, Umkehrosmose, Fouling, Scaling

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