27.09.2021 - Massachusetts Institute of Technology

Eine neue Methode zur Entfernung von Blei aus Trinkwasser

Ingenieure haben ein relativ kostengünstiges und energieeffizientes Verfahren zur Aufbereitung von mit Schwermetallen belastetem Wasser entwickelt.

Ingenieure des MIT haben ein neues Verfahren zur Entfernung von Blei und anderen Schwermetallverunreinigungen aus Wasser entwickelt, das nach ihren Angaben weitaus energieeffizienter ist als jedes andere derzeit verwendete System, auch wenn es andere in der Entwicklung befindliche Systeme gibt, die dem nahe kommen. Letztendlich könnte es zur Behandlung von bleiverseuchtem Wasser in Privathaushalten oder zur Behandlung von verunreinigtem Wasser aus bestimmten chemischen oder industriellen Prozessen eingesetzt werden.

Das neue System ist das jüngste in einer Reihe von Anwendungen, die auf ersten Erkenntnissen beruhen, die vor sechs Jahren von Mitgliedern desselben Forschungsteams entwickelt wurden, zunächst für die Entsalzung von Meer- oder Brackwasser und später für die Entfernung radioaktiver Verbindungen aus dem Kühlwasser von Kernkraftwerken. Bei der neuen Version handelt es sich um die erste derartige Methode, die auch für die Aufbereitung von Haushaltswasser und für industrielle Zwecke geeignet sein könnte.

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Environmental Science and Technology - Water in einer Arbeit der MIT-Absolventen Huanhuan Tian, Mohammad Alkhadra und Kameron Conforti sowie des Professors für Chemieingenieurwesen Martin Bazant veröffentlicht.

"Es ist bekanntermaßen schwierig, toxische Schwermetalle zu entfernen, die sich hartnäckig halten und in vielen verschiedenen Wasserquellen vorhanden sind", sagt Alkhadra. "Offensichtlich gibt es heute konkurrierende Methoden, die diese Aufgabe erfüllen, so dass es darauf ankommt, welche Methode dies kostengünstiger und zuverlässiger leisten kann.

Die größte Herausforderung bei dem Versuch, Blei zu entfernen, besteht darin, dass es in der Regel in so geringen Konzentrationen vorkommt, dass sie von anderen Elementen oder Verbindungen weit übertroffen werden. Natrium beispielsweise ist im Trinkwasser in der Regel in einer Konzentration von einigen zehn Teilen pro Million vorhanden, während Blei schon bei wenigen Teilen pro Milliarde hochgiftig sein kann. Bei den meisten bestehenden Verfahren, wie Umkehrosmose oder Destillation, wird alles auf einmal entfernt, erklärt Alkhadra. Dies erfordert nicht nur viel mehr Energie, als für eine selektive Entfernung erforderlich wäre, sondern ist auch kontraproduktiv, da kleine Mengen von Elementen wie Natrium und Magnesium für gesundes Trinkwasser eigentlich unerlässlich sind.

Der neue Ansatz nutzt ein Verfahren namens Schock-Elektrodialyse, bei dem ein elektrisches Feld verwendet wird, um eine Schockwelle in einem elektrisch geladenen porösen Material zu erzeugen, das das kontaminierte Wasser enthält. Die Schockwelle breitet sich mit zunehmender Spannung von einer Seite zur anderen aus, hinterlässt eine Zone, in der die Metallionen abgereichert werden, und trennt den Zufuhrstrom in eine Salzlösung und einen Frischwasserstrom. Das Verfahren führt zu einer 95-prozentigen Reduktion des Bleis aus dem abgehenden Frischstrom.

Im Prinzip wird der Prozess dadurch viel billiger", sagt Bazant, "denn die elektrische Energie, die man für die Abtrennung aufwendet, wird wirklich für das hochwertige Ziel verwendet, nämlich das Blei. Man verschwendet nicht viel Energie, um das Natrium zu entfernen. Da das Blei in einer so geringen Konzentration vorliegt, "ist nicht viel Strom erforderlich, um diese Ionen zu entfernen, so dass dies eine sehr kosteneffektive Methode sein kann".

Das Verfahren hat noch seine Grenzen, da es bisher nur im kleinen Labormaßstab und bei recht langsamen Durchflussraten demonstriert wurde. Die Vergrößerung des Prozesses, um ihn für den Hausgebrauch praktikabel zu machen, erfordert weitere Forschung, und die industrielle Nutzung in größerem Maßstab wird noch länger dauern. Laut Bazant könnte das Verfahren jedoch schon in wenigen Jahren für einige Systeme in Privathaushalten eingesetzt werden.

Ein Haus, dessen Wasserversorgung stark mit Blei verunreinigt ist, könnte beispielsweise ein System im Keller haben, das einen Wasserstrom langsam aufbereitet und einen Tank mit bleifreiem Wasser füllt, das zum Trinken und Kochen verwendet werden kann, während der größte Teil des Wassers unbehandelt für Zwecke wie die Toilettenspülung oder die Bewässerung des Rasens übrig bleibt. Eine solche Verwendung könnte als Übergangsmaßnahme für Orte wie Flint, Michigan, geeignet sein, wo es viele Jahre dauern wird, das größtenteils durch die Verteilungsrohre verunreinigte Wasser durch den Austausch von Rohren zu sanieren.

Das Verfahren könnte auch für einige industrielle Anwendungen angepasst werden, z. B. für die Reinigung von Wasser, das bei Bergbau- oder Bohrarbeiten anfällt, so dass das behandelte Wasser sicher entsorgt oder wiederverwendet werden kann. Und in einigen Fällen könnte dies auch eine Möglichkeit zur Rückgewinnung von Metallen bieten, die das Wasser verunreinigen, aber eigentlich ein wertvolles Produkt sein könnten, wenn sie abgetrennt würden; einige dieser Mineralien könnten beispielsweise für die Verarbeitung von Halbleitern, Arzneimitteln oder anderen High-Tech-Produkten verwendet werden, so die Forscher.

Ein direkter Vergleich der Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems mit bestehenden Methoden sei schwierig, sagt Bazant, da bei Filtersystemen die Kosten beispielsweise hauptsächlich für den Austausch der Filtermaterialien anfallen, die sich schnell zusetzen und unbrauchbar werden, während bei diesem System die Kosten hauptsächlich für den laufenden Energieaufwand anfallen, der sehr gering ist. Zum jetzigen Zeitpunkt ist das Schock-Elektrodialyse-System bereits einige Wochen in Betrieb, aber es ist noch zu früh, um die tatsächliche Lebensdauer eines solchen Systems abzuschätzen, sagt er.

Die Entwicklung des Prozesses zu einem skalierbaren kommerziellen Produkt wird einige Zeit in Anspruch nehmen, aber "wir haben gezeigt, wie dies vom technischen Standpunkt aus möglich ist", sagt Bazant. "Das Hauptproblem liegt auf der wirtschaftlichen Seite", fügt er hinzu. Dazu gehört es, die am besten geeigneten Anwendungen herauszufinden und spezifische Konfigurationen zu entwickeln, die diesen Anforderungen entsprechen. "Wir haben eine vernünftige Vorstellung davon, wie man das Ganze vergrößern kann. Es ist also eine Frage der Ressourcen", was eher eine Aufgabe für ein Start-up-Unternehmen als für ein akademisches Forschungslabor sein könnte, fügt er hinzu.

"Ich denke, das ist ein aufregendes Ergebnis", sagt er, "denn es zeigt, dass wir diese wichtige Anwendung" der Reinigung von Blei aus Trinkwasser wirklich angehen können. So gebe es beispielsweise bereits Einrichtungen, die Meerwasser mit Hilfe der Umkehrosmose entsalzen, doch müssten sie diesen teuren Prozess zweimal hintereinander durchführen, zunächst um das Salz zu entfernen und dann noch einmal, um die schwachen, aber hochgiftigen Verunreinigungen wie Blei zu entfernen. Dieses neue Verfahren könnte die zweite Runde der Umkehrosmose ersetzen, und zwar mit einem wesentlich geringeren Energieaufwand.

Die Forschung wurde von einem MathWorks Engineering Fellowship und einem Stipendium des Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab des MIT unterstützt, das von Xylem, Inc. finanziert wird.

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