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Wie aus Salzwasser Trinkwasser wird

Forschung Marburg Wie aus Salzwasser Trinkwasser wird

Der Marburger Chemie-Professor Ulrich Tallarek hat zusammen mit Professor Richard M. Crooks (University of Texas) eine energieeffiziente neue Methode zur Meerwasserentsalzung entwickelt.

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Quelle: Tilo Schüßler/pixelio

Marburg . Die in Marburg und Austin (Texas) entwickelte neue Methode zur Meerwasserentsalzung fand bereits internationale Anerkennung:  Das Projekt kam in der Sparte „Umwelt“ bis in die Endrunde des Wettbewerbs, bei dem am vergangenen Freitag in New York der Preis „World Technology Award“ verliehen wurde.  Die Professoren Ulrich Tallarek (Marburg) und Richard M. Crooks (Austin) haben ihre zugrundeliegenden Forschungsergebnisse vor drei Monaten in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ vorgestellt. Entstanden ist die neue Meerwasser-Entsalzungsmethode als Nebenprodukt aus einem gemeinsamen Forschungsprojekt von Crooks und Tallarek zur Miniaturisierung der Trennung von Molekülen, die insbesondere in der medizinischen Forschung wichtig sind.

Entsalzung soll auf 75 Prozent gesteigert werden

 Sie entwickelten einen speziellen Chip, auf dem beispielsweise die millionenfache Anreicherung von Geringstmengen Peptiden gelang, um sie anschließend zu identifizieren.  Beim Experimentieren im Labor kamen sie spontan auf die simple, aber effektive neue Idee. Für ihre Methode, die im Prinzip mit einer herkömmlichen Batterie auskommt, nutzen die beiden Forscher die elektrolytischen Eigenschaften des Meerwassers. Und so sieht die erfolgreiche Versuchsanordnung aus: Auf den Chip in der Größe einer Briefmarke wird Meerwasser in winzige Kanäle geleitet. An einer Wegmarke liegt eine Elektrode, an der ein kleiner Teil der Chlorid-Ionen, die wesentlicher Bestandteil des Salzes im Meerwasser sind, oxidiert wird. Dadurch entsteht eine an Ionen verarmte Zone, somit ein Gefälle im elektrischen Feld, das die nachfolgenden Ionen im Meerwasser an dieser Wegmarke umleitet. Auf diese Weise kommt eine Teilentsalzung zustande. Die Hälfte des Meerwassers wird dabei zu 25 Prozent  entsalzt.
Das ist immerhin ein Anfang, denn das gesamte Verfahren ist bisher nicht optimiert. Wichtig war den Forschern, dass die Entsalzung nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch funktioniert. Damit eine ausreichende Menge des Wassers entsalzt wird, müssen natürlich sehr viele dieser Kanäle parallel geschaltet werden. Nun arbeiten Tallarek und Crooks bereits an einer Optimierung des Verfahrens, um die Entsalzung bis auf 75 Prozent zu steigern. Der Marburger kümmert sich dabei beispielsweise um die numerische Simulation der zugrundeliegenden Prozesse, um die Effekte so realistisch wie möglich zu beschreiben und im Hinblick auf einen höheren Entsalzungsgrad gezielt auslegen zu können.

Zeitaufwendiges Verfahren

 „Ein Vorteil unserer Technik besteht darin, dass sie im Unterschied zu den bisher üblichen Entsalzungsmethoden ohne teure und empfindliche Membranen auskommt, die verkeimen oder verstopfen könnten“, erläutert Tallarek.  Diese Membranen werden üblicherweise bei der sogenannten Umkehrosmose verwendet: Dabei pressen Pumpen das Meerwasser mit Hochdruck durch sehr feine Membranen, die das Salz zurückhalten und nur Wasser hindurch lassen. Das zweite derzeit weltweit im großen Stil verwendete Entsalzungsverfahren ist die Verdampfung des Wassers. „Dieses Verfahren mit Verdampfung und anschließender Kondensation des Wassers verbraucht immense Energiemengen“, erläutert Tallarek.
Der Nachteil der neuen Technologie liegt auf der Hand: Eine völlige Entsalzung des Meerwassers wäre nur mit einem großen Zeitaufwand oder massiver Parallelisierung möglich. So wäre es wohl zu aufwändig, sie für die Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser im großen Stil zu verwenden. Dennoch könnte die Methode mehrere Anwendungen finden, hofft Professor Tallarek.
 So könnten Haus-Anlagen gebaut werden, bei denen pro Haushalt und Tag zwei bis drei Liter entsalztes Wasser gewonnen werden. Auch eine Vorentsalzungs-Anlage für die Osmose-Technologie könnte mit der neuen Technologie betrieben werden. Für die Umsetzung auf industrieller Ebene ist die US-Firma „Okeanos“ zuständig, die eine Lizenz für das Verfahren erworben hat (siehe Artikel unten „Mit Millionen Chips bis zur Marktreife“).

Mit Millionen Chips bis zur Marktreife

„Okeanos Technologies“ heißt die US-Firma, die aus der Grundidee der Forscher aus Marburg und Austin bis zum nächsten Jahr einen marktreifen Prototypen zur Meerwasserentsalzung entwickeln will. Die fertigen Maschinen könnten dann jeweils aus Millionen parallelgeschalteter Chips bestehen.

Dass diese dann auch funktionieren, ist auch die Sache von „Okeanos“. Besonders für die Anwendung in den Entwicklungsländern könnte die neue Methode wegen der Energieeffizienz interessant werden, vor allem wenn die dafür benötigte Energie durch preiswerte alternative Energiequellen wie Solarenergie zur Verfügung gestellt wird. Doch es bedarf auch noch einiger wissenschaftlicher Vorarbeiten, die die Forscher bisher noch nebenbei machen. „Wir werden nicht gefördert“, betonte der Marburger Professor Ulrich Tallarek, einer der beiden Initiatoren. Dennoch sei die Thematik so spannend und umweltrelevant, dass er sie gerne auch so weiterverfolge.

Mit elektrochemischer Methode zur Entsalzung des Meerwassers

Es ist ein simples, aber effektives Verfahren  zur Meerwasserentsalzung, das an der Uni Marburg mitentwickelt wurde.
 Eine Elektrode dient als Wegscheide für das Meerwasser, das in winzigen Kanälen auf einen Chip geleitet wird. „Das salzhaltige Wasser fließt an dieser Abzweigung vorbei und teilt sich dort“, erklärt Professor Ulrich Tallarek.  Folgender elektrochemischer Effekt wird ausgenutzt: Die Elektrode oxidiert einen kleinen Teil der negativ geladenen Ionen, die im Meerwasser enthalten sind, zu neutralen Chlormolekülen. Daraus resultiert ein elektrischer „Feldgradient“, ein Gefälle im elektrischen Feld, das als eine Art Sperre dient. Elektrisch geladene Teilchen werden hier abgelenkt.  An der Gabelung in Form eines „Y“ wandern die Ionen daher bevorzugt  in den rechten Kanal. In den linken Kanal fließt das teilentsalzte Wasser, das deutlich weniger Salz enthält.

Die Labor-Experimente, mit denen grundsätzlich der Erfolg der neuen Methode bewiesen wurde, erfolgten an der „University of Texas“. Für die grundlegende Beschreibung der Prozesse und die Berechnung verschiedener Auslegungen (Optimierung) sind Professor Ulrich Tallarek und sein Team an der Uni Marburg zuständig. Mit der neuen Methode kommen die Forscher schon  an das 1,5- fache des theoretischen Energie-Minimums heran und sind verglichen mit der Umkehr-Osmose energieeffizienter. Allerdings gilt das zunächst nur für eine Entsalzungsquote von 25 Prozent. Um aus salzhaltigem Meerwasser Trinkwasser zu gewinnen, müsste allerdings einen Entsalzungsgrad von mindestens 99 Prozent erreicht werden. Nachdem zunächst als Material für die Elektrode Gold verwendet wurde, untersuchen die Forscher alternative Materialien. Bei der Verfahrens-Optimierung werden die Platzierung der Elektrode auf dem Chip sowie die Dimensionen der ableitenden Mikrokanäle bearbeitet.

von Manfred Hitzeroth

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