Das Filtern von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten spart Strom

Die Filterung und Behandlung von Wasser, sowohl für den menschlichen Verzehr als auch für die Reinigung von industriellem und kommunalem Abwasser, macht etwa 13% des gesamten jährlichen Stromverbrauchs in den USA aus und setzt jährlich etwa 290 Millionen Tonnen CO2 in die Atmosphäre frei – was ungefähr dem Gesamtgewicht jedes Menschen auf der Erde entspricht.

Eine der gebräuchlichsten Methoden der Wasseraufbereitung ist das Durchleiten durch eine Membran mit Poren, die so bemessen sind, dass sie Partikel herausfiltern, die größer als Wassermoleküle sind. Diese Membranen sind jedoch anfällig für „Fouling“ oder Verstopfung durch die Materialien, die sie herausfiltern sollen, was mehr Strom erfordert, um das Wasser durch eine teilweise verstopfte Membran und häufigen Membranwechsel zu drücken, was die Kosten für die Wasseraufbereitung erhöht.

Neue Forschungen des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University sowie Mitarbeiter der Northeastern University und der University of Waterloo zeigen, dass die flüssiggesteuerten Membranen (LGMs) der Wyss Nanotonpartikel mit zweifach höherer Effizienz, fast dreifach längerer Time-to-Foul und einer Verringerung des für die Filtration erforderlichen Drucks gegenüber herkömmlichen Membranen aus dem Wasser filtern und eine Lösung bieten, die den Kosten- und Stromverbrauch von belastenden industriellen Prozessen wie Öl- und Gasbohrungen reduzieren könnte. Die Studie wurde in APL Materials veröffentlicht.

„Dies ist die erste Studie, die zeigt, dass LGMs eine nachhaltige Filtration in Umgebungen erreichen können, die denen der Schwerindustrie ähneln, und sie gibt Aufschluss darüber, wie LGMs verschiedenen Arten von Verschmutzungen widerstehen, was zu ihrer Verwendung in einer Vielzahl von Umgebungen der Wasseraufbereitung führen könnte“, sagte Erstautor Jack Alvarenga, ein Forschungswissenschaftler am Wyss Institute.

LGMs imitieren die Verwendung flüssigkeitsgefüllter Poren durch die Natur, um die Bewegung von Flüssigkeiten, Gasen und Partikeln durch biologische Filter mit möglichst wenig Energie zu steuern, so wie die kleinen Spaltöffnungen in den Blättern der Pflanzen Gase durchlassen. Jede LGM ist mit einer Flüssigkeit beschichtet, die als reversibler Anschnitt wirkt und ihre Poren im „geschlossenen“ Zustand füllt und verschließt. Wenn Druck auf die Membran ausgeübt wird, wird die Flüssigkeit in den Poren zu den Seiten gezogen, wodurch offene, mit Flüssigkeit ausgekleidete Poren entstehen, die so abgestimmt werden können, dass sie den Durchtritt bestimmter Flüssigkeiten oder Gase ermöglichen und einer Verschmutzung durch die rutschige Oberfläche der Flüssigkeitsschicht widerstehen. Die Verwendung von fluidausgekleideten Poren ermöglicht auch die Trennung einer Zielverbindung aus einem Gemisch verschiedener Substanzen, wie sie in der industriellen Flüssigkeitsverarbeitung üblich ist.

Das Forschungsteam entschied sich, ihre LGMs an einer Suspension von Bentonitton im Wasser zu testen, da solche „Nanoton“-Lösungen das Abwasser von Bohrungen in der Öl- und Gasindustrie nachahmen. Sie haben 25-mm-Scheiben einer Standardfiltermembran mit Perfluorpolyether, einer Art flüssigem Schmiermittel, das seit über 30 Jahren in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, versetzt, um sie in LGMs zu verwandeln. Anschließend stellten sie die Membranen unter Druck, um Wasser durch die Poren zu ziehen, ließen aber die Nanotonpartikel zurück und verglichen die Leistung unbehandelter Membranen mit LGMs.

Die unbehandelten Membranen zeigten viel schneller Anzeichen von Nanotonfouling als die LGMs, und die LGMs konnten Wasser dreimal länger filtern als die Standardmembranen, bevor sie ein „Rückspülverfahren“ benötigten, um Partikel zu entfernen, die sich auf der Membran angesammelt hatten. Weniger häufiges Rückspülen könnte zu einer Reduzierung des Einsatzes von Reinigungschemikalien und Energie für die Rückspülung von Wasser führen und die Filtrationsrate in der industriellen Wasseraufbereitung verbessern.

Während die LGMs schließlich Verschmutzungen erlitten, zeigten sie eine 60%ige Reduzierung der Menge an Nanoton, der sich während der Filtration in ihrer Struktur angesammelt hat, was als „irreversibles Verschmutzen“ bezeichnet wird, da es nicht durch Rückspülung entfernt wird. Dieser Vorteil verleiht LGMs eine längere Lebensdauer und macht mehr vom Filtrat für alternative Anwendungen rückgewinnbar. Darüber hinaus benötigten die LGMs 16% weniger Druck, um den Filtrationsprozess einzuleiten, was eine weitere Energieeinsparung bedeutet.

„LGMs haben das Potenzial für den Einsatz in so unterschiedlichen Industrien wie der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, der biopharmazeutischen Industrie, der Textilindustrie, der Papier- und Zellstoffindustrie, der chemischen und petrochemischen Industrie und könnten Verbesserungen im Energieverbrauch und in der Energieeffizienz über einen weiten Bereich industrieller Anwendungen hinweg bieten“, sagte die korrespondierende Autorin Joanna Aizenberg, Ph.D., die Gründungsmitglied der Kernfakultät des Wyss Institute und des Amy Smith Berylson Professor of Material Sciences an der Harvard’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ist.

Die nächsten Schritte des Teams für die Forschung sind groß angelegte Pilotstudien mit Industriepartnern, der längerfristige Betrieb der LGMs und die Filterung noch komplexerer Stoffgemische. Diese Studien werden einen Einblick in die wirtschaftliche Lebensfähigkeit von LGMs für verschiedene Anwendungen geben und zeigen, wie lange sie in einer Reihe von Anwendungsfällen dauern würden.

„Das Konzept, eine Flüssigkeit zu verwenden, um andere Flüssigkeiten zu filtern, ist zwar für uns nicht offensichtlich, aber in der Natur weit verbreitet. Es ist wunderbar zu sehen, wie die Nutzung der Innovationen der Natur auf diese Weise zu enormen Energieeinsparungen führen kann“, sagte Dr. Donald Ingber, Gründungsdirektor von Wyss, der auch der Judah Folkman Professor für Gefäßbiologie an der Harvard Medical School und dem Vascular Biology Program am Boston Children’s Hospital ist, sowie Professor für Bioengineering an SEAS.

Mehr Informationen:
Jack Alvarenga et al, Research Update: Liquid Gated Membranfiltrationsleistung mit anorganischen Partikelsuspensionen, APL Materials (2018). DOI: 10.1063/1.504748080

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