Den weltweiten Wasserbedarf effizienter decken

Wissenschaftler wollen Entsalzungstechnologien verbessern

Paderborn. Wasser ist die wahrscheinlich wichtigste Ressource der Welt. Wir nutzen sie in der Landwirtschaft, in

Nutria im Wasser © Annette Olenberg

Nutria im Wasser © Annette Olenberg

der Industrie, zum Trinken – vorausgesetzt, das Wasser ist sauber. Hier helfen sogenannte Entsalzungstechnologien. Sie entfernen gelöste Stoffe aus dem Wasser und bereiten es damit fĂŒr die unterschiedlichen Anwendungen auf. Zwar gibt es bereits eine Vielzahl entsprechender Verfahren, dennoch sehen Wissenschaftler der UniversitĂ€t Paderborn und des Stanford National Accelerator Laboratory SLAC in den USA dringenden Verbesserungsbedarf. Ihre Studie, die jĂŒngst im Fachmagazin „Joule“ veröffentlicht wurde, stellt Lösungen mittels fortgeschrittener Charakterisierungstechniken und rechnergestĂŒtzter Modellierung vor.

Leistung und Haltbarkeit von Entsalzungstechnologien weiterentwickeln

Pro Kopf werden in Deutschland jĂ€hrlich rund 312 Kubikmeter Wasser verbraucht. Das belegen Zahlen des Statistischen Bundesamts fĂŒr das Jahr 2019. Anders verhĂ€lt es sich in LĂ€ndern, die nur begrenzten Zugang zu sauberem SĂŒĂŸwasser haben. FĂŒr diese Regionen ist es umso wichtiger, die lebensnotwendige Ressource aufzubereiten. Meerwasser ist zur Gewinnung von Trinkwasser besonders attraktiv. Möglich wird das zum Beispiel durch den Prozess der sogenannten Umkehrosmose oder durch kapazitive Deionisation. Laut Jun.- Prof. Dr. Hans-Georg SteinrĂŒck vom Department Chemie der UniversitĂ€t Paderborn stoßen diese Mechanismen allerdings – wie andere gĂ€ngige Verfahren auch – an ihre Grenzen: „Leistung und Haltbarkeit aktueller Entsalzungstechnologien mĂŒssen verbessert werden, um den kĂŒnftigen Bedarf an sauberem Wasser zu decken. Diese Herausforderung ist besonders komplex, weil es eine Vielzahl von Wasserquellen gibt, die unterschiedliche Mengen an Salz, gelösten organischen Stoffen und anderen Verunreinigungen enthalten“, sagt SteinrĂŒck. Kenntnisse von physikalischen und chemischen Prozessen auf atomarer und molekularer Ebene seien fĂŒr die Entwicklung neuer Technologien entscheidend.

Vorbild Energiespeicherung: Charakterisierungstechniken erlauben molekulare Einblicke

Die Wissenschaftler zeigen in ihrer Studie auf, wie innovative Charakterisierungstechniken, einschließlich Röntgen-, Neutronen-, Elektronen- und Positronen-basierter Methoden, auf Wasserentsalzungstechnologien angewandt werden können. Ziel ist es, detaillierte molekulare Einblicke zu erhalten, insbesondere in Kombination mit rechnergestĂŒtzter Modellierung. Dazu SteinrĂŒck: „Die Technologien zur Energiespeicherung haben enorm von der Charakterisierung von Elektroden, Elektrolyten und sogar funktionstĂŒchtigen GerĂ€ten profitiert. Im Gegensatz dazu sind diese Methoden fĂŒr Entsalzungstechnologien bislang nur spĂ€rlich eingesetzt worden. Das liegt zum einen an den Schwierigkeiten bei der Charakterisierung sehr dĂŒnner Materialien und GrenzflĂ€chenregionen und zum anderen daran, dass Entsalzungstechnologien komplexe GewĂ€sser behandeln, die von Natur aus heterogen sind.“

Verbesserte Materialen auf Basis atomarer Bausteine

Mithilfe bestimmter Techniken können Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung und physikalische Struktur der Materialen visualisieren, die in Wasserentsalzungstechnologien verwendet werden – sogar wĂ€hrend des Betriebs. Konkret lassen sich damit chemische Bindungen zwischen Atomen und deren Positionen vermessen. „Daraus können nicht nur RĂŒckschlĂŒsse auf die Funktionsweise einzelner Atome gezogen werden, sondern es kann auch aufgedeckt werden, welche atomaren und molekularen Fehlverhalten zur Entwertung der Materialen und somit zu einer verkĂŒrzten Lebensdauer der Verfahren beitragen“, erklĂ€rt SteinrĂŒck. Damit wĂ€re im Ergebnis eine wissensbasierte Weiterentwicklung von neuartigen und verbesserten Materialen möglich, in denen die atomaren Bausteine fĂŒr spezifische Herausforderungen gezielt angeordnet werden können, so der Chemiker weiter.

„Wir gehen davon aus, dass das gewonnene VerstĂ€ndnis der Physik und der Chemie, die den Entsalzungstechnologien zugrunde liegen, die Entwicklung verbesserter Materialien und Verfahren beschleunigen wird. Das kann letzten Endes auch zu einem geringeren Energieverbrauch, verbesserter Kosteneffizienz, erhöhten KapazitĂ€ten und damit zu einer insgesamt effizienteren Wasseraufbereitung fĂŒhren“.

Zur Veröffentlichung: Advanced Characterization in Clean Water Technologies

Text: Nina Reckendorf

Foto: Annette Olenberg