Einige der 3 Millionen Kubikmeilen 13 Millionen Kubikkilometer Salzwasser der Erde. Thierry Meier / Unsplash
Stellen Sie sich den Querschnitt einer Haarsträhne vor. Diese winzige Oberfläche – etwa ein Millionstel Meter im Durchmesser – ist riesig im Vergleich zu den Poren in einem neuen Filtertyp, der von Ingenieuren der Universität Tokio in Japan entwickelt wurde.
In einem Papier veröffentlicht am Donnerstag im Peer-Review-JournalWissenschaft stellten die Forscher ihre neue Methode zur Entsalzung von Wasser unter Verwendung von Fluorringen mit einem Durchmesser von nur ein bis zwei Nanometern vor. Die hydrophoben Eigenschaften der Chemikalie trugen zu ihrer bemerkenswerten Fähigkeit bei, Salzmoleküle mit beeindruckender Geschwindigkeit und Effizienz zu filtern.
Aneinandergereiht würden fast 100.000 der Ringe benötigt, um sich über die gesamte Schnittfläche eines menschlichen Haares zu erstrecken.
„Es war sehr aufregend, die Ergebnisse aus erster Hand zu sehen“, sagt Werkstofftechniker Yoshimitsu Itoh, einer der Co-Autoren der Veröffentlichung. „Der kleinere unserer Testkanäle hat ankommende Salzmoleküle perfekt zurückgewiesen, und auch die größeren Kanäle waren immer noch eine Verbesserung gegenüber andere Entsalzungstechniken und sogar hochmoderne Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Filter.“
Fluor ist das perfekte Element für die unglaublich kleinen Poren
Die Schlüsselinnovation in diesem neuen Entsalzungstechnologie ist Fluor, ein hydrophobes Element, das seit langem wegen seines Wunsches, in Ruhe gelassen zu werden, geschätzt wird. Es ist kein Zufall, dass Fluor ein Schlüsselbestandteil von Teflon ist, das in Antihaftpfannen verwendet wird, um zu verhindern, dass Spiegeleier kleben bleiben und sich in Rohren befindenum Flüssigkeiten effizienter fließen zu lassen. Auf nanoskopischer Ebene stößt Fluor negativ geladene Ionen ab, einschließlich des Chlors in Salz NaCl. Seine elektrischen Eigenschaften zersetzen auch Klumpen von Wassermolekülen, die verhindern können, dass die Flüssigkeit so frei wie möglich fließt.
Die Forscher stellten Membranen her, indem sie mehrere fluorhaltige Ringe übereinander stapelten, um Röhren zu bilden. Sie betteten die Röhren Seite an Seite in eine wasserdichte Schicht aus Lipidmolekülen ein, wodurch etwas entstand, das einer Zellmembran ähnelt. Wassermoleküle sindwillkommen passieren, und Salzmoleküle sind es nicht.
„Die wirkliche Überraschung für mich war, wie schnell der Prozess ablief.“ „Unsere Probe arbeitete etwa mehrere tausend Mal schneller als typische Industriegeräte und etwa 2.400 Mal schneller als experimentelle Entsalzungsgeräte auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis.“
Ein langer Weg zur Kommerzialisierung
Die Umwandlung von Meerwasser in etwas, das Menschen trinken können, ist eine lebenswichtige technologische Fähigkeit, die immer wichtiger wird.
„Es gibt derzeit zwei Hauptwege, Wasser zu entsalzen: thermisch, indem Meerwasser durch Wärme verdampft wird, sodass es als reines Wasser kondensiert, oder durch Umkehrosmose, bei der Wasser unter Druck durch eine Membran gedrückt wird, die Salz blockiert“, sagt Itoh.
Obwohl diese Technologien nachweislich in großem Maßstab funktionieren, sind sie benötigt viel Energie. Diese frühen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Fluor-Nanostrukturen der Schlüssel zu Entsalzungstechniken sein könnten, die weitaus effizienter sind. „Unsere Tests deuten darauf hin, dass Fluor-Nanokanäle wenig Energie benötigen“, sagt Itoh.
Derzeit erfordert der Herstellungsprozess des neuen Materials viel Energie, aber die Forscher glauben, dass sie diese Kosten senken können. „Und angesichts der Langlebigkeit der Membranen und ihrer niedrigen Betriebskosten werden die Gesamtenergiekosten steigenviel niedriger als mit aktuellen Methoden“, sagt Itoh.
Die aktuelle Studie ist beeindruckend, aber weit entfernt von einem funktionalen Prototyp, auf den sich eine Gemeinschaft verlassen kann. „Unsere Testproben waren einzelne Nanokanäle, aber mit Hilfe anderer Spezialisten hoffen wir, eine Membran mit einem Durchmesser von etwa 1 Meter in mehreren herzustellenJahre", sagt Itoh. Die Forscher haben auch Pläne, über die Wasserentsalzung hinauszublicken.
„[W]ir untersuchen auch, ob ähnliche Membranen verwendet werden könnten, um Kohlendioxid oder andere unerwünschte Abfallprodukte, die von der Industrie freigesetzt werden, zu reduzieren“, sagt Itoh.