Wasserentsalzungsanlagen könnten teure Chemikalien durch neue Kohlenstoffgewebeelektroden ersetzen, die Bor aus Meerwasser entfernen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Umwandlung von Meerwasser in sicheres Trinkwasser.
Eine Studie, die die neue Technologie beschreibt, wurde in veröffentlicht Naturwasser von Ingenieuren der University of Michigan und der Rice University.
Bor ist ein natürlicher Bestandteil des Meerwassers, der im Trinkwasser zu einer giftigen Verunreinigung wird, wenn er durch herkömmliche Filter zur Entfernung von Salzen gelangt. Der Borgehalt im Meerwasser liegt etwa doppelt so hoch wie die mildesten Grenzwerte der Weltgesundheitsorganisation für sicheres Trinkwasser und fünf- bis zwölfmal höher als die Toleranz vieler landwirtschaftlicher Pflanzen.
„Die meisten Umkehrosmosemembranen entfernen nicht sehr viel Bor, daher müssen Entsalzungsanlagen in der Regel eine Nachbehandlung durchführen, um das Bor zu entfernen, was teuer sein kann“, sagte Jovan Kamcev, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen und makromolekulare Wissenschaft an der UM Ingenieurwesen und Mitautor der Studie. „Wir haben eine neue Technologie entwickelt, die ziemlich skalierbar ist und im Vergleich zu einigen herkömmlichen Technologien Bor auf energieeffiziente Weise entfernen kann.“
Im Meerwasser liegt Bor als elektrisch neutrale Borsäure vor und passiert daher Umkehrosmosemembranen, die normalerweise Salz entfernen, indem sie elektrisch geladene Atome und Moleküle, sogenannte Ionen, abstoßen. Um dieses Problem zu umgehen, fügen Entsalzungsanlagen ihrem aufbereiteten Wasser normalerweise eine Base hinzu, die dazu führt, dass Borsäure negativ geladen wird. In einer weiteren Stufe der Umkehrosmose wird das neu geladene Bor entfernt und die Base anschließend durch Zugabe von Säure neutralisiert. Diese zusätzlichen Behandlungsschritte können kostspielig sein.
„Unser Gerät reduziert den Chemikalien- und Energiebedarf der Meerwasserentsalzung, verbessert die Umweltverträglichkeit erheblich und senkt die Kosten um bis zu 15 Prozent oder etwa 20 Cent pro Kubikmeter aufbereitetem Wasser“, sagte Weiyi Pan, Postdoktorand an der Rice University und a Co-Erstautor der Studie.
Angesichts der Tatsache, dass die weltweite Entsalzungskapazität im Jahr 2019 insgesamt 95 Millionen Kubikmeter pro Tag betrug, könnten die neuen Membranen jährlich rund 6,9 Milliarden US-Dollar einsparen. Große Entsalzungsanlagen – wie die Claude „Bud“ Lewis Carlsbad Desalination Plant in San Diego – könnten in einem Jahr Millionen von Dollar einsparen.
Solche Einsparungen könnten dazu beitragen, Meerwasser zu einer besser zugänglichen Trinkwasserquelle zu machen und die wachsende Wasserkrise zu lindern. Laut einem Bericht der Global Commission on the Economics of Water aus dem Jahr 2023 wird die Süßwasserversorgung voraussichtlich bis 2030 40 % des Bedarfs decken.
Die neuen Elektroden entfernen Bor, indem sie es in Poren einschließen, die mit sauerstoffhaltigen Strukturen übersät sind. Diese Strukturen binden spezifisch an Bor und lassen gleichzeitig andere Ionen im Meerwasser durch, wodurch die Menge an Bor, die sie einfangen können, maximiert wird.
Aber die borfangenden Strukturen benötigen immer noch eine negative Ladung des Bors. Anstatt eine Base hinzuzufügen, wird die Ladung durch die Spaltung von Wasser zwischen zwei Elektroden erzeugt, wodurch positive Wasserstoffionen und negative Hydroxidionen entstehen. Das Hydroxid bindet sich an Bor und verleiht ihm eine negative Ladung, die es an den Einfangstellen in den Poren der positiven Elektrode haften lässt. Durch das Einfangen von Bor mit den Elektroden können Kläranlagen außerdem vermeiden, mehr Energie für eine weitere Stufe der Umkehrosmose aufzuwenden. Anschließend rekombinieren die Wasserstoff- und Hydroxidionen zu neutralem, borfreiem Wasser.
„Unsere Studie stellt eine vielseitige Plattform dar, die pH-Änderungen nutzt, die andere Schadstoffe wie Arsen in leicht entfernbare Formen umwandeln könnten“, sagte Menachem Elimelech, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Chemie- und Biomolekulartechnik an der Rice University bei Nancy und Clint Carlson , und ein Mitautor der Studie.
„Darüber hinaus können die funktionellen Gruppen an der Elektrode so angepasst werden, dass sie sich gezielt an verschiedene Verunreinigungen binden und so eine energieeffiziente Wasseraufbereitung ermöglichen“, sagte Elimelech.
Die Forschung wird von der National Alliance for Water Innovation, dem US-Energieministerium, der US National Science Foundation und der US-Israel Binational Science Foundation finanziert.
Die Elektroden wurden am Michigan Center for Materials Characterization untersucht.
