Effizientes Reinigen von Wasser – auf Nano-Poren kommt es an

Die Umkehrosmose wird häufig eingesetzt, um Wasser zu reinigen und zu entsalzen. Im Kern dieser Technologie steht eine spezielle Membran. Die winzigen Poren in der Membran müssen über lange Betriebsperioden funktionell bleiben. Für derartige Untersuchungen im Betrieb sind Neutronen mit ihrer Durchdringung auch von komplexen Materialien ideal geeignet.

Wasserfilter Künstlerische Darstellung eines Wasserfilters, der schmutziges Wasser trinkbar macht. © generated with AI, ChatGPT, edited by Reiner Müller (FRM II / TUM)

Künstlerische Darstellung eines Wasserfilters, der schmutziges Wasser trinkbar macht. © generated with AI, ChatGPT, edited by Reiner Müller (FRM II / TUM)

Die Umwandlung von Meer- oder verschmutztem Wasser in trinkbares Wasser ist besonders in trockenen Regionen essenziell, aber auch in geschlossenen Biotopen, wie z.B. Raumschiffen. Umkehrosmosemembranen (ROMs, von „Reverse Osmosis Membranes“) bestehen aus einer 0,2 Mikrometer dünnen aktiven Polyamidschicht und weiterer 300 Mikrometer unterstützender Trägerstruktur. Das entspricht insgesamt etwa drei Blättern Druckerpapier. Diese Membranen erzeugen reines Wasser extrem energieeffizient , wie z. B. durch Entsalzung oder Reinigung von Brauchwasser. Der Prozess basiert auf dem selektiven Transport ausschließlich von Wassermolekülen, die unter Druck durch eine Membran getrieben werden.

Neutronen vermessen Poren

Die Leistung einer ROM wird größtenteils durch die Struktur der Poren und die Eigenschaften ihres Materials bestimmt. Mithilfe von Neutronen an den KWS-1 und KWS-3 -Instrumenten des Forschungszentrums Jülich am MLZ konnte ein Team aus israelischen und deutschen Forschenden einzigartige und detaillierte Informationen über die Poren in einer kommerziellen kompositen ROM während des Betriebs erhalten. Der Trick ist es, den Kontrast für die Visualisierung der Poren in den Schichten zu erhöhen, indem man eine Mischung aus leichtem (H₂O) und schwerem (D₂O) Wasser verwendet. Schweres Wasser streut Neutronen besser als leichtes Wasser und ist zudem durchlässiger für Neutronen. Dadurch wird das gemessene Signal verstärkt, ohne die physikalischen und chemischen Prozesse in der Membran zu beeinflussen.

Komplexes Netzwerk entsalzt Wasser

Die wichtigsten Ergebnisse betreffen die Eigenschaften der Poren und wie sich diese im Laufe des Betriebs in der hauchdünnen Oberfläche und der Trägerschicht der sogenannten „Kompositmembran“ verändern. Entsalzung geschieht hauptsächlich durch ein Netzwerk aus nanometergroßen Poren in der nur einen Bruchteil von einem Mikrometer dünnen selektiven Polyamid-Oberfläche. Die Trägerschicht aus Polysulfon und nicht gewobenem Polypropylen, weist ebenfalls eine poröse Struktur auf. Diese Poren können jedoch etwa einen Mikrometer groß sein und ermöglichen dadurch den Wasserfluss durch die gesamte Membran. Das Netzwerk aus offenen nanometer Poren in der Polyamidschicht auf verschiedenen Längenskalen selbstähnlich, wohingegen die Forschenden in beiden Trägerschichten sowohl Mikrometer große Poren als auch kleinere fanden. Diese sind jedoch nicht selektiv, sondern ermöglichen den Transport des reinen Wasers. Zu Beginn des Betriebs verringert sich der Volumenanteil dieser Poren leicht, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Dieser Prozess kann mehrere Stunden dauern. Mit diesem Wissen können Forschende die Membranen verbessern, sodass sie effizienter arbeiten und die Wasserreinigung günstiger wird.