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Jun 29, 2023

Unser Verständnis der Umkehrosmose hat sich als falsch erwiesen

Robert Anderson/Unsplash Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden. Wasser ist eine kostbare Ressource, die alle Lebewesen dazu benötigen

Robert Anderson/Unsplash

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Wasser ist eine kostbare Ressource, die alle Lebewesen zum Überleben benötigen. Allerdings hatten nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation im Jahr 2019 fast 2,2 Milliarden Menschen (oder jeder Dritte) keinen Zugang zu sicher verwalteten Trinkwasserdiensten.

Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist eine entscheidende globale Herausforderung, die in einigen Gebieten auf die Entsalzung von Meerwasser angewiesen ist. Dies geschieht am häufigsten mithilfe eines Prozesses, der als Umkehrosmose (RO) bekannt ist.

Das Phänomen der Osmose wurde bereits 1748 beobachtet, doch die Umkehrosmose-Technologie war erst fast zwei Jahrhunderte später kommerziell nutzbar. Die Meerwasser-RO-Entsalzung (SWRO) wurde Ende der 1950er Jahre von Srinivasa Sourirajan, Sidney Loeb und einem Forscherteam der University of California, Los Angeles (UCLA) praktisch demonstriert.

Fast jedes RO-System auf der Welt verwendet Membranen, um Trinkwasser aus Meerwasser zu erzeugen. Jetzt, mehr als 270 Jahre nach der ursprünglichen Beobachtung, glauben Wissenschaftler, dass die Grundlage unseres Verständnisses des Wassertransports bei der Umkehrosmose falsch ist.

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Wissenschaftler der Yale University haben herausgefunden, dass der Lösungsdiffusionsmechanismus, von dem angenommen wird, dass er das zugrunde liegende Prinzip des Wassertransports in RO ist, falsch ist. Stattdessen haben sie herausgefunden, dass der Wassertransport in RO durch Porenströmung und Druckänderungen innerhalb der Membran gesteuert wird.

Interesting Engineering (IE) sprach mit dem leitenden Forscher der Studie, Professor Menachem Elimelech, dem Sterling-Professor für Chemie- und Umweltingenieurwesen an der Yale University, um weitere Einblicke in ihre Arbeit zu erhalten.

„Ich dachte immer, dass der Lösungsdiffusionsmechanismus für den Wassertransport nicht intuitiv und, um ehrlich zu sein, mit vielen seiner Annahmen ziemlich seltsam ist“, sagte Elimelech über seine Motivation, ein so gut etabliertes Phänomen zu untersuchen.

Elimelech arbeitete für diese Forschung mit Professor Ying Li von der University of Wisconsin, Madison und Professor Lianfa Song von der Texas Tech University zusammen. Zum Team gehörten auch die Postdoktoranden Li Wang, Mohammad Heiranian, Hanqing Fan aus Yale und Jinlong He von der University of Wisconsin, Madison.

Paul Duda Fotografie/Menachem Elimelech

Bevor wir uns mit der eigentlichen Forschung befassen, kann es hilfreich sein, zunächst die aktuelle Erklärung von RO, dem Lösungsdiffusionsmechanismus, zu verstehen.

RO nutzt eine durchlässige Membran, um Verunreinigungen und Verunreinigungen aus dem Wasser zu trennen.

Gemäß der Lösungs-Diffusions-Theorie wird der Wassertransport durch die Lösungs- und Diffusionsprozesse gesteuert, die wiederum durch Wasserkonzentrationsgradienten und Membranmaterialeigenschaften gesteuert werden. Die Wassermoleküle diffundieren aufgrund ihres Konzentrationsgradienten durch die Membran und bewegen sich von Bereichen hoher Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration.

Meerwasser ist eine Lösung von in Wasser gelösten Salzen. In diesem Modell diffundieren die Wassermoleküle aufgrund ihres Konzentrationsgradienten über die Membran und hinterlassen die größeren Salzionen, was zu sauberem Wasser führt.

„Ich habe in meinem Kurs die Grundlagen des Lösungsdiffusionsmechanismus anhand von Lehrbuchmaterialien vermittelt“, erklärt Elimelech, „aber ich war mit den Kernannahmen des Modells nicht zufrieden, insbesondere mit der Tatsache, dass der hydrostatische Druck über die Membran hinweg konstant ist und dann abfällt Null an den Membranausgängen. Ich hielt diese Annahme für unphysikalisch.“

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„Außerdem sagt das Modell aufgrund dieser Annahme einen Wasserkonzentrationsgradienten über die Membran voraus, was keinen Sinn ergibt. Ich habe mich immer gefragt, wie sich die Konzentration von Wasser, das inkompressibel ist, mit dem Druck ändern kann.“

Schließlich beschloss ich, den Mechanismus des Wassertransports zu entschlüsseln. Etwa zu dieser Zeit veröffentlichte Prof. Song von der Texas Tech University einen Artikel über den Wasserfluss durch Osmose und argumentierte, dass dieser nicht durch einen Lösungsdiffusionsmechanismus gesteuert werden könne. Dies motivierte mich, die Natur des Wassertransports bei der Umkehrosmose auf molekularer Ebene weiter zu erforschen.

Wir haben das Team vor etwa zwei Jahren zusammengestellt. Wir waren der Meinung, dass neben Experimenten und Theorie auch Simulationen der Molekulardynamik von entscheidender Bedeutung sein werden, um die wissenschaftliche Gemeinschaft zu überzeugen, da wir noch nicht über experimentelle Techniken verfügen, um den Wassertransport innerhalb der Membran auf molekularer Ebene zu untersuchen. Daher haben wir uns vor etwa einem Jahr entschieden, mit UW Madison zusammenzuarbeiten“, erklärte Elimelech und erläuterte, wie er dazu kam, das klassische Lösungsdiffusionsmodell in Frage zu stellen.

„Unsere Arbeit, die Nichtgleichgewichts-Molekulardynamiksimulationen (NEMD) und Lösungsmitteltransportexperimente verwendet, unterstützt nachdrücklich das Porenströmungsmodell für den Wassertransport in RO-Membranen und widerlegt gleichzeitig das Lösungsdiffusionsmodell“, fügte Elimelech hinzu.

Für die Lösungsmitteltransport- (oder Permeations-)Experimente verwendete das Team Polyamid- und Cellulosetriacetat-RO-Membranen mit Wasser und organischen Lösungsmitteln. Das Team machte einige wichtige Beobachtungen, die es dazu veranlassten, ein alternatives Modell zur Lösungs-Diffusions-Theorie zur Erklärung des Wassertransports vorzuschlagen.

Menachem Elimelech/Fortschritte in der Wissenschaft

Die NEMD-Simulationen ergaben, dass der Druck innerhalb der Membran entlang der Richtung der Wasserpermeation linear abnahm. Dies deutet auf das Vorhandensein eines Druckgradienten innerhalb der Membran hin.

Darüber hinaus zeigten die NEMD-Simulationen keine Änderung der Wasserkonzentration über die Membran hinweg, was im Widerspruch zur Hauptannahme im Lösungs-Diffusions-Modell steht.

In ihren Permeationsexperimenten stellten die Forscher fest, dass der Wasserfluss linear mit dem ausgeübten Druck zunahm. Dies steht im völligen Widerspruch zum Lösungs-Diffusions-Modell, bei dem der Wasserfluss einen Maximalwert erreicht, der als Deckenfluss bezeichnet wird, und nach dem er bei einer weiteren Erhöhung des angelegten Drucks nicht mehr zunimmt.

Schließlich stellten sie in den NEMD-Simulationen fest, dass das Wasser in Clustern über miteinander verbundene Poren durch die Membranen wandert. Diese Beobachtung stand im Gegensatz zur Annahme des Lösungs-Diffusions-Modells, dass Wassermoleküle als dispergierte Einzelmoleküle eindringen.

Diese Erkenntnisse veranlassten Elimelech und sein Team, das Lösungsreibungsmodell vorzuschlagen, um den Wassertransport in RO-Membranen zu erklären.

Nach dem Lösungsreibungsmodell (SF-Modell) ist die treibende Kraft für den Wassertransport eher ein Druckgradient als ein Konzentrationsgradient. Wasser und Lösungsmittel wandern als Cluster durch die Membranporen und erfahren dabei Reibungskräfte.

Menachem Elimelech/Fortschritte in der Wissenschaft

Die Reibungskräfte entstehen durch die Wechselwirkungen zwischen dem Membranmaterial und den Lösungsmittelmolekülen. Das Modell beinhaltet das Konzept der Reibungskoeffizienten, die den Widerstand darstellen, dem die Lösungsmittelmoleküle bei ihrer Bewegung durch die Membranporen ausgesetzt sind.

„Poren im Inneren der Membran werden mit kleinen Ansammlungen von Wassermolekülen hydratisiert. Für kurze Zeiträume können einige dieser Poren miteinander verbunden werden, wodurch ein vollständiger Feed-to-Permeat-Durchgang für die Bewegung von Wassermolekülen durch die Membran entsteht. Aufgrund des ausgeübten Drucks.“ Durch die thermische Bewegung der Polymermatrix verändert sich das Netzwerk miteinander verbundener Poren ständig. Dies bedeutet, dass sich ständig Kanäle zwischen Feed und Permeat bilden und aufbrechen.

Wenn wir eine Gruppe von Wassermolekülen markieren, die von der Feed-Seite in die Membran eindringen, werden wir sehen, dass die markierten Moleküle gemeinsam durch das Netzwerk miteinander verbundener Poren wandern. Insgesamt steht dies im Widerspruch zum Lösungs-Diffusions-Modell, bei dem erwartet wird, dass sich Wassermoleküle nach dem Eintritt in die Membran einzeln in der Membran ausbreiten und diffundieren“, erklärte Elimelech.

Das SF-Modell berücksichtigt den Druckgradienten innerhalb der Membran und die auf die Lösungsmittelmoleküle wirkenden Reibungskräfte. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren kann das Modell den Wasser- und Lösungsmitteltransport in RO-Membranen genauer vorhersagen als das herkömmliche Lösungsdiffusionsmodell.

Angesichts der langjährigen Akzeptanz des Lösungs-Diffusions-Modells hätte das Team in der wissenschaftlichen Gemeinschaft möglicherweise auf große Skepsis stoßen. Laut Elimelech hat die Arbeit des Teams jedoch eine lebhafte Debatte unter Forschern ausgelöst.

„Das Papier erregte viel Aufmerksamkeit und löste eine lebhafte Debatte in der Membran-Community aus, mehr als jedes andere Thema in den letzten Jahrzehnten. Im Mai, als das Papier auf der Jahrestagung der North American Membrane Society vorgestellt wurde, war es der Punkt.“ Diskussion der Teilnehmer während der gesamten Konferenz.

„Unsere Ergebnisse werden Forscher nun dazu veranlassen, experimentelle Techniken zu entwickeln, um den Transport von Wasser und Salz in RO-Membranen auf molekularer Ebene zu verstehen“, sagte er.

Auf die Frage nach den Auswirkungen ihrer Forschung auf den Entwurf und die Optimierung von Umkehrosmosesystemen sagte Elimelech: „Erstens stellt unser Artikel ein grundlegendes Verständnis des Wassertransports in Umkehrosmose dar und widerlegt einen weithin akzeptierten Mechanismus für den Wasserfluss in Umkehrosmose.“

Wir zeigen auch, dass der Wassertransport in RO durch das Lösungsreibungsmodell beschrieben werden kann, das die Reibung von Wassermolekülen mit der Membran berücksichtigt. Diese Reibung entsteht durch die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit dem Membranmaterial. Die Chemie der Membran beeinflusst die Wechselwirkungen und damit die Reibung. Indem wir die Porengröße anpassen und Materialien mit geringerer Reibung mit Wasser finden, können wir Hochleistungsmembranen entwickeln.“

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Elimelech hält es für notwendig, sich auf die Entwicklung experimenteller In-situ-Techniken zu konzentrieren, um den Wasser- und Salztransport auf molekularer Ebene innerhalb von RO-Membranen zu untersuchen. Durch die Durchführung von Experimenten unter Druck können sie tiefere Einblicke in die beteiligten Mechanismen und Dynamiken gewinnen und den Weg für umfassendere Forschung auf diesem Gebiet ebnen.

Die Ergebnisse dieser Studie stellen eine der etabliertesten Theorien zum Wassertransport in Frage. Durch die Bereitstellung eines alternativen und genaueren Modells zur Erklärung des Wassertransports in RO-Membranen könnten die Forscher auch den Weg zu effizienteren und nachhaltigeren sauberen Wasserressourcen ebnen.

Elimelech stimmte zu, dass ihre Forschung zum umfassenderen Ziel beiträgt, den Zugang zu sauberem Trinkwasser für alle zu ermöglichen.

„Ein besseres Verständnis des Wasser- und Salztransports in RO-Membranen auf molekularer Ebene wird die Entwicklung von Hochleistungsmembranen mit ausreichender Wasserdurchlässigkeit und extrem hoher Salzabweisung unterstützen eine nachhaltige Lösung zur Verbesserung der Wasserversorgung in wasserarmen Regionen auf der ganzen Welt“, schloss er.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Wir führten Nichtgleichgewichts-Molekulardynamiksimulationen (NEMD) und Lösungsmittelpermeationsexperimente durch, um den Mechanismus des Wassertransports in Umkehrosmosemembranen (RO) zu entschlüsseln. Die NEMD-Simulationen zeigen, dass der Wassertransport durch einen Druckgradienten innerhalb der Membranen und nicht durch einen Wasserkonzentrationsgradienten gesteuert wird, was im deutlichen Gegensatz zum klassischen Lösungsdiffusionsmodell steht. Wir zeigen außerdem, dass Wassermoleküle als Cluster durch ein Netzwerk von Poren wandern, die vorübergehend miteinander verbunden sind. Permeationsexperimente mit Wasser und organischen Lösungsmitteln unter Verwendung von Polyamid- und Cellulosetriacetat-RO-Membranen zeigten, dass die Lösungsmitteldurchlässigkeit von der Porengröße der Membran, dem kinetischen Durchmesser der Lösungsmittelmoleküle und der Lösungsmittelviskosität abhängt. Diese Beobachtung steht nicht im Einklang mit dem Lösungs-Diffusions-Modell, bei dem die Durchlässigkeit von der Löslichkeit des Lösungsmittels abhängt. Motiviert durch diese Beobachtungen zeigen wir, dass das Lösungsreibungsmodell, bei dem der Transport durch einen Druckgradienten gesteuert wird, den Wasser- und Lösungsmitteltransport in RO-Membranen beschreiben kann.