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Auf Knopfdruck vom Meer zum Trinkwasser

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Wissenschaftler bauen eine tragbare Entsalzungsanlage, die ohne Filter oder Hochdruckpumpen klares, sauberes Trinkwasser erzeugen

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soll. Die tragbare Entsalzungsanlage kann gleichzeitig Partikel und Salze entfernen, um Trinkwasser zu gewinnen. Das einfache Gerät, das weniger als 10 Kilogramm wiegt und keine Filter benötigt, kann von einem kleinen, tragbaren Solarpanel mit Strom versorgt werden.

Wissenschaftler des MIT (Massachusetts Institute of Technology) haben eine tragbare Entsalzungsanlage mit einem Gewicht von weniger als 10 Kilogramm entwickelt, die Salzpartikel für die Trinkwassergewinnung entfernen kann.

Das koffergroße Gerät, das für den Betrieb weniger Strom benötigt als ein einzelnes Handy-Ladegerät, kann auch mit einem kleinen, tragbaren Solarpanel betrieben werden, das online für etwa 50 US-Dollar erhältlich ist. Es produziert automatisch Trinkwasser, das die Qualitätsstandards der Weltgesundheitsorganisation übertrifft. Die Technologie ist in einem benutzerfreundlichen Gerät verpackt, das auf Knopfdruck funktioniert.

Im Gegensatz zu anderen Entsalzungsanlagen, die Wasser zum Filtern benötigen, verwendet dieses Gerät Strom, um Partikel aus dem Wasser zu entfernen. Da keine Ersatzfilter erforderlich sind, werden die Anforderungen an eine langfristige Wartung erheblich reduziert.

Dies könnte die Möglichkeit schaffen, dass Einheiten in abgelegenen Gebieten und Gebieten mit stark begrenzten Ressourcen eingesetzt werden, beispielsweise in Gemeinden auf kleinen Inseln oder auf Hochseefrachtschiffen. Sie könnten auch verwendet werden, um Flüchtlingen bei der Flucht vor Naturkatastrophen zu helfen, oder sie könnten Soldaten bei langfristigen Militäreinsätzen nützlich sein.

– Dies ist eine Art Höhepunkt einer zehnjährigen Reise, an der meine Gruppe und ich jahrelang gearbeitet haben, an der Physik hinter einzelnen Entsalzungsprozessen, aber wir haben all diese Fortschritte in eine Kiste gesteckt, ein System gebaut und es demonstriert Ozean, was für mich eine wirklich bedeutende und nützliche Erfahrung war – sagt der leitende Autor Jongyoon Han , Professor für Elektrotechnik und Informatik und Bioingenieurwesen und Mitglied des Forschungslabors für Elektronik (RLE).

Zu Han gesellen sich der Erstautor Junghyo Yoon , ein Wissenschaftler am RLE, Hyukjin J. Kwon , Ph.D., SungKu Kang , ebenfalls Ph.D. an der Northeastern University, und Eric Brack vom U.S. Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM). Die Forschung wurde in Environmental Science and Technology veröffentlicht.

Filterlose Technologie

„Im Handel erhältliche tragbare Entsalzungseinheiten erfordern normalerweise Hochdruckpumpen, um Wasser durch Filter zu drücken, was sehr schwierig zu reduzieren ist, ohne die Energieeffizienz des Geräts zu beeinträchtigen“, erklärt Yoon.

Stattdessen stützt sich ihre Einheit auf eine Technik namens Ionenkonzentrationspolarisation (ICP), die vor mehr als 10 Jahren von der Han-Gruppe eingeführt wurde. Anstatt Wasser zu filtern, legt der ICP-Prozess ein elektrisches Feld an Membranen an, die über und unter dem Wasserkanal platziert sind. Membranen stoßen positiv oder negativ geladene Partikel ab, einschließlich Salzmoleküle, Bakterien und Viren, die hindurchtreten. Die geladenen Teilchen werden dann in einen anderen Wasserstrom abgelassen, der schließlich abgeleitet wird.

Der Prozess entfernt sowohl gelöste als auch suspendierte Feststoffe, sodass sauberes Wasser durch den Kanal fließen kann. Da nur eine Niederdruckpumpe erforderlich ist, verbraucht die ICP-Technik weniger Energie als andere Techniken, aber die ICP entfernt nicht immer alle Salze, die in der Mitte des Kanals schwimmen. Daher haben Wissenschaftler einen anderen Prozess, bekannt als Elektrodialyse, integriert, um restliche Salzionen zu entfernen.

Yoon und Kang haben lange geforscht, um die ideale Kombination aus ICP- und Elektrodialysemodulen zu finden. Die optimale Einstellung ist ein zweistufiger ICP-Prozess, bei dem das Wasser in der ersten Phase durch sechs Module fließt, in der zweiten Phase dann durch drei, gefolgt von einem Elektrodialyseprozess. Dadurch wurde der Energieverbrauch minimiert und gleichzeitig sichergestellt, dass der Prozess autark blieb.

„Es stimmt zwar, dass einige geladene Teilchen auf einer Ionenaustauschmembran eingefangen werden könnten, aber wenn sie eingefangen sind, kehren wir einfach die Polarität des elektrischen Felds um und die geladenen Teilchen können leicht entfernt werden“, erklärt Yoon.

Sie montierten und montierten ICPs und Elektrodialysemodule, um ihre Energieeffizienz zu verbessern und sie in ein tragbares Gerät zu integrieren. Sie entwarfen ein Gerät für Nicht-Experten, mit nur einem Knopf, um den automatischen Prozess der Entsalzung und Reinigung zu starten. Nachdem der Salzgehalt und die Anzahl der Partikel auf bestimmte Schwellenwerte reduziert wurden, informiert das Gerät den Benutzer, dass das Wasser trinkbar ist.

Sie haben auch eine Smartphone-App entwickelt, die das Gerät drahtlos steuern und Energieverbrauchs- und Salzgehaltsdaten in Echtzeit melden kann.

Tests am Strand

Nach Laborexperimenten mit Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt und unterschiedlicher Trübung testeten sie das Gerät am Carson Beach in Boston.

Yoon und Kwon stellten eine Kiste in Ufernähe auf und warfen das Versorgungsrohr ins Wasser. In etwa einer halben Stunde füllte das Gerät einen Plastikbecher mit sauberem, trinkbarem Wasser!

– Er war sogar in seinem ersten Lauf erfolgreich, der ziemlich aufregend und überraschend war. Aber ich denke, der Hauptgrund für unseren Erfolg ist die Anhäufung all dieser kleinen Veränderungen, die wir auf dem Weg gemacht haben – sagt Han.

Das resultierende Wasser übertraf die Qualitätsrichtlinien der Weltgesundheitsorganisation, und die Einheit reduzierte die Menge an Schwebstoffen um mindestens den Faktor 10. Ihr Prototyp produziert Trinkwasser mit 0,3 Litern pro Stunde und benötigt nur 20 Watt pro Liter.

„Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Übertragungssystems war die Entwicklung eines intuitiven Geräts, das jeder verwenden konnte“, sagt Han.

Yoon hofft, das Gerät benutzerfreundlicher zu machen und seine Energieeffizienz und Produktionsrate durch ein Startup zu verbessern, das zur Kommerzialisierung der Technologie geplant ist.

Im Labor möchte Han die Lehren, die er in den letzten zehn Jahren gelernt hat, auf Wasserqualitätsprobleme anwenden, die über die Entsalzung hinausgehen, wie z. B. die schnelle Erkennung von Verunreinigungen in Trinkwasser.

– Das ist ein absolut spannendes Projekt und ich bin stolz auf die Fortschritte, die wir bisher gemacht haben, aber es gibt noch viel zu tun – Han ist bescheiden.

Die Forschung wurde teilweise vom DEVCOM Soldier Center, dem Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), dem Experimental AI Postdoc Fellowship Program der Northeastern University und dem Roux AI Institute finanziert.

Redaktion Service
Bild: Umweltbundesamt
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