Wasserknappheit ist ein großes Problem auf der ganzen Welt. „Alle Kontinente sind davon betroffen“, sagt Amir Barati Farimani, Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Vier Milliarden Menschen leben mindestens einen Monat im Jahr unter Bedingungen schwerer Wasserknappheit. Eine halbe Milliarde Menschen lebt das ganze Jahr über unter schwerer Wasserknappheit.“
Auch wenn die Menschen ohne Zugang zu sicherem Trinkwasser kämpfen, gibt es Ozeane von nicht trinkbarem Wasser direkt vor ihrer Haustür. „71 % der Erdoberfläche ist von Meerwasser bedeckt“, sagt Barati Farimani. „Das ist also ein sehr interessanter Widerspruch.“
Um dieses Problem zu bekämpfen, hat Barati Farimani seine Forschung auf die Wasserentsalzung konzentriert. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem salziges Meerwasser in Süßwasser umgewandelt werden kann.
Es gibt viele Möglichkeiten, Wasser zu entsalzen, aber eine der effektivsten ist die Membranentsalzung. Bei dieser Methode wird das Wasser durch eine dünne Membran mit winzigen Löchern gepresst. Das Wasser fließt durch die Poren, aber die Salzionen können nicht hindurch, so dass auf der anderen Seite nur Süßwasser zurückbleibt.
Quelle: College of Engineering
Ein leitfähiges metallorganisches Gerüst (MOF) ist ein neuer Membrantyp für die Wasserentsalzung.
In seiner jüngsten Forschungsarbeit untersucht Barati Farimani das Potenzial eines neuen Membrantyps, eines sogenannten metallorganischen Gerüsts (MOF). „Diese Membranen bestehen sowohl aus einem Metallzentrum als auch aus einer organischen Verbindung“, sagt Barati Farimani. Die organische Verbindung und das Metall verbinden sich in einem fünfeckigen Muster, wobei in der Mitte ein Loch entsteht, das als Pore dient. „Wenn man sie betrachtet, sind sie wie eine Bienenwabe“, fügt Barati Farimani hinzu.
Es gibt mehrere Gründe, warum das Gerüst effektiver ist. Erstens ist es unglaublich dünn. Es ist nur ein paar Atome dick, was bedeutet, dass die Wassermoleküle beim Durchgang durch die Poren nur wenig Reibung erfahren.
Außerdem trägt die Anordnung der Poren zur Permeation bei. „Wenn man keine benachbarten Poren hat, übt die Wand einen enormen Druck auf die Moleküle aus“, sagt Barati Farimani. Dadurch wird der Entsalzungsprozess weniger effizient. Um zu verstehen, warum das so ist, muss man sich vorstellen, dass man Wasser in einen Trichter gießt. Das Wasser bewegt sich langsamer durch das Loch am Ende, weil es gegen die Wände gedrückt und durch einen kleinen Raum gezwungen wird.
Das MOF hingegen hat mehrere nebeneinanderliegende Poren. „Es gibt keinen Druck von der Wandseite“, sagt Barati Farimani. „Und das gibt ihnen die Möglichkeit, leichter durch die Poren zu gelangen.“ Stellen Sie sich vor, Sie gießen Wasser durch ein Sieb – es bewegt sich viel schneller, weil es mehrere Austrittsstellen hat, durch die es entweichen kann.
Schließlich hat das MOF eine größere strukturelle Integrität als andere Materialien. Bei den meisten Materialien müssen die Wissenschaftler winzige Löcher bohren, um die benötigten Poren zu erzeugen, wodurch die Menge, die pro Fläche erzeugt werden kann, begrenzt ist. „Wenn man viele Poren erzeugen will, ist das mit Graphen oder MoS2 nicht möglich“, sagt Barati Farimani. „Strukturell können sie den Druck nicht halten.“
Aber dank seiner Wabenstruktur ist MOF von Natur aus porös. Dies ermöglicht ein höheres Verhältnis von Poren zu Oberfläche. Es spart auch Zeit und Energie, da die Poren nicht gebohrt oder in ihrer Größe angepasst werden müssen.
Die Unterschiede zwischen MOF und anderen typischen Membranen sind bemerkenswert, sowohl in Bezug auf die Geschwindigkeit, mit der das Wasser hindurchfließt, als auch in Bezug auf die Anzahl der zurückgewiesenen Ionen. Und dabei handelt es sich nur um eine Simulation von ein paar Poren. Eine Entsalzungsanlage kann Milliarden von Poren haben, was ihre Effizienz exponentiell steigert. „Im Maßstab eines großen Betriebs wäre das enorm“, sagt Barati Farimani. „Selbst eine kleine Steigerung der Effizienz würde einen riesigen Sprung bedeuten.“
Wir müssen frisches Wasser für viele unterprivilegierte Menschen bereitstellen. Das ist unsere Mission: Wir wollen es so energieeffizient machen, dass wir überall Wasser entsalzen können.
Amir Barati Farimani, Assistenzprofessor, Maschinenbau
Barati Farimanis Artikel über seine Forschung wurde in Nano Letters veröffentlicht, einer monatlich erscheinenden, von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift der American Chemical Society. Er trägt zu einer wachsenden Diskussion über die Wasserentsalzung bei und stellt einen wichtigen Schritt nach vorn in diesem Bereich dar.
Außerhalb der akademischen Welt hofft Barati Farimani, dass seine Forschung auch Auswirkungen auf das Leben der Menschen haben kann. „Wir müssen frisches Wasser für viele unterprivilegierte Menschen bereitstellen, etwa in Afrika oder an anderen Orten“, sagt er. „Im Grunde ist das unsere Mission: Wir wollen es so energieeffizient machen, dass wir überall Wasser entsalzen können.“