Neue Methode verwandelt Meerwasser ohne Abfall in Trinkwasser

 (rochester.edu)
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  • Das solarthermische Entsalzungssystem zieht mit schwarzen Metallpaneelen eine dünne Wasserschicht nach oben, absorbiert Sonnenstrahlung, destilliert das Wasser und erzeugt Süßwasser ohne chemische Zusätze und ohne salzhaltige Nebenprodukte
  • Herkömmliche Umkehrosmose und thermische Destillation sind energieintensiv und erfordern Vor- und Nachbehandlung; die ins Meer zurückgeleitete Sole erhöht den Salzgehalt und senkt den Sauerstoffgehalt, was Meereslebewesen schädigt
  • Forschende der University of Rochester entwickelten eine Struktur mit femtosekundenlaser-gravierten superabsorbierenden (superwicking) schwarzen Metalloberflächen, bei der der aktive Bereich die Entsalzung fortsetzt und unbehandelte Seitenbereiche restliche Salze und Mineralien aufnehmen
  • In Tests mit Wasserproben aus dem Pazifik, Atlantik und Indischen Ozean wurden durch den Coffee-Ring-Effekt Salze und Mineralien in passive Bereiche geleitet, wodurch sich die Oberfläche selbst reinigt und sich die Stoffe ohne Effizienzverlust des Paneels sammeln lassen
  • Dasselbe Paneel extrahierte Salz nahezu zu 100 % in fester Form und gewann aus Wasserproben des Great Salt Lake nach der Entsalzung etwa 50 % des Lithiums aus dem verbleibenden Salz

Energieeffizientes Entsalzungssystem erzeugt Süßwasser ohne chemische Zusätze und wandelt verbleibendes Salz in nützliche Stoffe um

  • Laut Schätzungen der UN haben 2,2 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sicher bewirtschaftetem Trinkwasser, und Gemeinschaften von Kalifornien bis in den Nahen Osten sind auf Entsalzungsanlagen angewiesen, um Meerwasser in Süßwasser umzuwandeln
  • Gängige Entsalzungstechnologien wie Umkehrosmose und thermische Destillation sind energieintensiv, erfordern Vor- und Nachbehandlung des Wassers und hinterlassen konzentrierte salzhaltige Nebenprodukte, also Sole (brine)
    • Wenn diese Sole wieder ins Meer eingeleitet wird, erhöht sie den Salzgehalt des Wassers und senkt den Sauerstoffgehalt, was Meeresorganismen schädigt
  • Forschende am Institute of Optics der University of Rochester haben ein neues solarthermisches Entsalzungsverfahren entwickelt, das keine Sole hinterlässt und auch keine chemischen Zusätze für die Vorbehandlung benötigt
  • Kern der Technik ist ein schwarzes Metallpaneel, das mit einem Femtosekundenlaser geätzt wurde; seine Oberfläche absorbiert Licht sehr effizient und besitzt superabsorbierende Eigenschaften, die Wasser stark anziehen
    • Der laserbehandelte aktive Bereich zieht eine dünne Wasserschicht über die Oberfläche, absorbiert fast die gesamte Sonnenstrahlung und destilliert das Wasser
    • Verbleibende Salze und Mineralien wandern zu den unbehandelten Seiten des Paneels, also in den passiven Bereich, und blockieren den aktiven Bereich nicht
    • Diese Struktur wurde entwickelt, um das Problem zu vermeiden, dass Salz den aktiven Bereich verstopft und eine kontinuierliche Entsalzung behindert
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Nutzung des „Coffee-Ring“-Effekts und Umwandlung von Abfall in Ressourcen

  • Nutzung des „Coffee-Ring“-Effekts

    • Frühere Forschung zur solarthermischen Entsalzung zeigte gute Ergebnisse unter Laborbedingungen mit simuliertem Meerwasser, das nur aus Wasser und Natriumchlorid bestand
    • Beim Verdunsten des Wassers kristallisiert Natriumchlorid in partikulärer, poröser Form, sodass Wasser hindurchtreten und das Salz wieder lösen kann; auch das Solarpaneel lässt sich leicht reinigen
    • Echtes Meerwasser ist in seiner Zusammensetzung deutlich komplexer, weshalb bei Praxistests Probleme auftreten
    • Bestandteile des Meerwassers wie magnesium- und calciumhaltige Stoffe kristallisieren auf der Oberfläche von Solarpaneelen zu harten, nicht porösen Krusten und verstopfen sie
    • Das ähnelt dem Effekt, wenn mit der Zeit ein Duschkopf verstopft oder sich Kalk in einem Wasserkocher ablagert, nur dass Meerwasser hunderte Male mehr Salz enthält als Leitungswasser
    • Das Forschungsteam ätzte die Rillen im schwarzen Metall gezielt so, dass verschiedene Salze und Mineralien aus dem Meerwasser von der Oberfläche weggedrängt werden
    • Der Coffee-Ring-Effekt beschreibt das Phänomen, dass nach dem Trocknen eines Kaffeetropfens auf einer Oberfläche ein Ring konzentrierter Kaffeepartikel am Rand zurückbleibt
    • Nach demselben Prinzip werden die Salze in den passiven Bereich transportiert
    • Tests mit Wasserproben aus dem Pazifik, Atlantik und Indischen Ozean bestätigten, dass sich die Oberfläche selbst reinigt
    • Während Süßwasser gewonnen wird, werden die verbleibenden Salze in den passiven Bereich geleitet und können später eingesammelt werden
    • Dabei sinkt die Effizienz des Paneels nicht

  • Abfall in Ressourcen umwandeln

    • Ein klarer Vorteil des neuen Entsalzungsverfahrens ist, dass es Salz nahezu zu 100 % in fester Form extrahiert, statt Sole zu hinterlassen, die behandelt oder entsorgt werden müsste
    • Das könnte eine reichhaltige Quelle für Speisesalz sein und sich auch zur Gewinnung wertvollerer Mineralien wie Lithium eignen, das in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und Elektronik verwendet wird
    • Ein zugehöriges Paper im Journal of Materials Chemistry A zeigt, wie sich mit demselben superabsorbierenden Solarpaneel während der Entsalzung Lithium von anderen Salzen trennen lässt
    • Dazu werden Wasserstofftitanat-Nanopartikel in die feinen Rillen der schwarzen Metalloberfläche eingebracht, um Lithium von anderen Salzen und Mineralien zu trennen
    • Guo zufolge ist der Abbau von Lithium an Land sowohl energetisch als auch ökologisch sehr belastend, weshalb die direkte Gewinnung aus Salzwasser ein wichtiger Weg für die Zukunft sein könnte
    • In Experimenten mit Wasserproben aus dem Great Salt Lake wurden nach der Entsalzung etwa 50 % des Lithiums aus dem verbleibenden Salz extrahiert
    • Die superabsorbierende Entsalzungstechnologie wurde im Proof of Concept für kleine Geräte nachgewiesen; Guo hält sie für skalierbar und geeignet, den weltweiten Zugang zu Trinkwasser sowie die Nachhaltigkeit von Lieferketten für wertvolle Mineralien zu verbessern

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1 Kommentare

 
GN⁺ 4 시간 전
Hacker-News-Kommentare

  • Für die Entsalzung ist eine fundamentale Mindestenergie erforderlich
    Das heißt, mit weniger Energie als der, die man zurückgewinnen könnte, wenn das entsalzte Wasser durch osmotischen Druck die Kolbenseite mit der verbleibenden Sole zurückdrückt, ist es nicht möglich, und dieser Wert ist hoch
    Diese Arbeit basiert auf Wärme, es gibt also keinen elektrischen Input, aber wenn man Effizienz behaupten will, muss man damit vergleichen, was passiert, wenn man dieselbe Fläche für Solarmodule nutzt und damit bestehende Anlagen betreibt
    Soweit ich es begrenzt verstehe, liegt bestehende Umkehrosmose aus Energiesicht bereits ziemlich nahe am theoretischen Optimum, und die Hauptschwierigkeit ist ein Betriebsproblem: die Verstopfung der Membran zu beheben. Natürlich ist auch Umkehrosmose teurer als Regen
    Allerdings ist es interessant, dass direkt kristallines Salz erzeugt wird; es hat ein kleineres Volumen als Sole, ist leichter zu handhaben und eventuell sogar wertvoll

    • Auch thermische Verfahren brauchen Energie, und dieses Substrat scheint eher dabei zu helfen, die solare Absorptionseigenschaft besser zu erhalten als Materialien, die Salz anziehen
      Gemeint ist: „Beim Test der solaren Entsalzung mit Wasserproben aus Pazifik, Atlantik und Indischem Ozean konnte das Team von Guo die Oberfläche selbstreinigend machen. Das heißt, es konnte Süßwasser extrahieren und das verbleibende Salz in einen passiven Bereich leiten, wo es später eingesammelt werden kann, ohne die Effizienz des Panels zu verringern“
      Das ist weniger eine „große“ Verbesserung als eher eine mittelgroße, die Änderung der Albedo ist vermutlich ebenfalls begrenzt, und der solare Energieeintrag pro Fläche bleibt gleich
      Je nach Kosten dieses Verfahrens dürfte der Kapitalwert am Ende ziemlich ähnlich ausfallen
    • Wenn sich das auf Bergbau-Abwasser anwenden ließe, wäre es nicht nur „eventuell wertvoll“, sondern fast sicher wertvoll
      Denn saure Abwasserseen lösen alle möglichen Edelmetalle aus dem Untergrund
    • Wer nur auf die reine Energieeffizienz schaut, kann die wirtschaftliche Effizienz übersehen
      Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen brauchen Strom für die Pumpen, und dieser Strom kann von Panels mit 15–20 % Wirkungsgrad erzeugt werden
      Wenn man billige thermische Entsalzungspanels herstellen kann, könnten sie selbst bei 6-fach geringerer Energieeffizienz im Vorteil sein, während man teure und fragile Entsalzungsanlagen vermeidet und Konfigurationen mit geringer Qualifikation und dezentralem Aufbau ermöglicht
    • Sole kann einfach dorthin zurückgepumpt werden, wo sie ursprünglich war, daher ist ihre Entsorgung sehr einfach
      Feste kristalline Salze sind im Gegenteil der umständlichere Teil
    • Umkehrosmose liegt je nachdem, wie viel Abwasser man akzeptiert, bei etwa dem 2- bis 4-Fachen des theoretischen Minimums

  • Hier ist die Arbeit: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02315-4
    Bisher ist es noch Labormaßstab in einem Glasgefäß, und man ist noch nicht an dem Punkt, selbst nur ein kleines tatsächlich nutzbares System gebaut zu haben
    Die große Behauptung ist, dass es nicht verstopft: Kapillarwirkung transportiert das Salz aus dem aktiven Bereich in einen anderen Bereich, und irgendein noch nicht entwickelter Mechanismus entfernt es dort. Dieser Teil muss belegt werden
    Wenn man etwas bauen kann, das über Jahre ohne Verstopfung und ohne Austausch des aktiven Materials läuft, wäre das ein echter Fortschritt
    Laser-Oberflächenbehandlung ist bereits eine bekannte Technik: https://www.youtube.com/watch?v=BKYOglHYo_Y
    Sie ist nützlich, wenn man beim Vorbereiten einer Lackierung eine glatte Oberfläche auf sehr strukturierte Weise aufraut, damit die fertige Lackoberfläche glatt wird
    Wenn man mit Sandstrahlen aufraut, wird die erste Lackschicht etwas unregelmäßig, sodass man erneut schleifen und lackieren muss
    Das laserbasierte Aufrauen für Autolackierungen wurde ausprobiert, ist aber nicht zum Mainstream geworden, und die gute Frage hier ist, ob kommerzielle Laser-Oberflächenbehandlungsanlagen die Materialien für dieses neue Verfahren herstellen können

    • Das erinnert an den Bau des Panamakanals
      Der erste groß angelegte Versuch scheiterte und wurde aufgegeben, und was man beim zweiten Versuch lernte, war, dass das Graben nicht das schwierigste Problem war, sondern das Bewegen der Erde. Es waren wirklich ungeheure Erdmassen
      Dazu ist Path Between the Seas ein wirklich großartiges Buch, das man kaum aus der Hand legen kann
    • Interessante Technik, aber auch viel Skepsis
      Auf den Fotos sieht es so aus, als sei die Oberfläche leicht mit Salz bedeckt, und selbst dieses bisschen wirkt für diese Art System schon zu viel
      Trotzdem hoffe ich, dass es gut funktioniert und skalierbar ist

  • Scheint derselbe University-of-Rochester-Artikel zu sein, zu dem es vor 4 Tagen 20 Kommentare gab
    https://news.ycombinator.com/item?id=48349507

  • Die effizienteste Methode, „Meerwasser in Trinkwasser zu verwandeln“, ist meiner Meinung nach Regen
    Man muss im Grunde nur den Output der weltweit größten solarbetriebenen Entsalzungsanlage besser sammeln und transportieren

    • Je nach Region mag das variieren, aber Wasser langsam fließen zu lassen ist eine der besten Methoden, Süßwasser zu sichern
      Wenn man die Geschwindigkeit verlangsamt, mit der es an Hängen abläuft, nimmt die Vegetation zu, diese Vegetation hält wiederum Wasser fest, und das Wasser hat mehr Zeit, in den Boden einzusickern, was auch lokalen Brunnen hilft
      Selbst Wüstenregionen kann man vollständig „terraformen“: https://youtube.com/shorts/cfhbtgon4Nk?is=oAExB5UeMAsShBux
    • Trotzdem gibt es Zeiten ohne Regen, und besonders in Küstenregionen kann Entsalzungskapazität sehr wichtig werden

  • Es ist schön, Forschung aus Rochester zu sehen. Ob RIT, UofR oder nahegelegene Hochschulen: Als Wissenschaftsstandort ist die Region wirklich unterschätzt

    • Ich habe Physik an der UofR studiert und auch beim LLE gearbeitet, und ich stimme zu, dass die Hochschulen in Rochester unterschätzt sind. Natürlich bin ich vielleicht etwas voreingenommen
      Zumindest in den Naturwissenschaften hatte ich Zugang zu vielen Chancen, die an berühmteren Hochschulen schwerer zu bekommen gewesen wären
      Es hat mir auf eine Weise die Grundlage fürs Leben gegeben, die anderswo schwierig gewesen wäre
    • Das ist dieselbe Universität, die uns auch den Raumtemperatur-Supraleiter gebracht hat
    • Als RIT-Absolvent stimme ich im Großen und Ganzen zu
    • Auch an das Laboratory for Laser Energetics ein Lob
    • Ich würde sagen, RIT ist als gute Hochschule ziemlich bekannt

  • Das ist vielleicht eine seltsame Frage, aber wäre es möglich, überall außerhalb der Wüste in großem Maßstab nicht trinkbares Wasser für die landwirtschaftliche Bewässerung zu erzeugen, indem man an einen Luftentfeuchter Solarpanels anschließt? Falls nicht, woran liegt es?

    • Für eine Skalierung verbraucht es viel zu viel Energie und produziert Wasser viel zu langsam
      Regionen, in denen normalerweise genug Feuchtigkeit in der Luft vorhanden ist, um so einen Ansatz überhaupt zu erwägen, haben meist ohnehin leichteren Zugang zu Regen und Grundwasser
    • Kurz gesagt: Diese Probleme sind im Grunde schon alle gelöst
      Israel gewinnt 75–85 % seines Trinkwassers durch Entsalzung, und das Problem ist politisches und wirtschaftliches Versagen
      Kalifornien hätte zum Beispiel schon mit Technologie aus den 1970ern und Kernenergie breit angelegte Entsalzung betreiben und auch Reservoirs sowie Aquädukte stark ausbauen können, tut es aber nicht
      Das ist sehr ähnlich zum Rom des 5. Jahrhunderts, das noch Aquädukte aus früheren Zivilisationen nutzte, aber die Fähigkeit verloren hatte, neue zu bauen
    • Wenn mit „funktioniert“ gemeint ist, dass es prinzipiell läuft: 99 % der kommerziellen Water-from-Air-Betrügereien funktionieren genau so
      Warum es in der Praxis nicht taugt, liegt daran, dass es extrem ineffizient ist. Um Wasser zu kondensieren, muss eine enorme Wärmemenge irgendwohin abgeführt werden, und das ist eine grundlegende physikalische Beschränkung
      Außerdem sind Orte, an denen Luftentfeuchter recht gut funktionieren, feucht und leiden gewöhnlich nicht unter besonders starkem Wassermangel. In Wüsten ist die Luftfeuchtigkeit sehr niedrig, daher erzeugen Luftentfeuchter kaum Wasser
      Selbst ein guter Luftentfeuchter in feuchter Umgebung verbraucht Leistungen im kW-Bereich, um gerade einmal etwa 10 Liter Wasser pro Tag zu erzeugen
      Es gibt auf der Erde Regionen, die praktisch Wüste sind, in die aber regelmäßig am frühen Morgen feuchter Nebel einzieht, und dort wusste man schon lange vor der Erfindung des Kältekreislaufs, wie man Wasser aus der Luft sammelt
      Entsalzung ist schlicht billiger
      Man könnte auch riesige Gewächshäuser bauen, sie mit Meerwasser füllen, dieses mit der Sonne verdunsten lassen und das Wasser dann mit Luftentfeuchtern sammeln, aber auch das wäre immer noch absurd ineffizient. Wasser hat eine enorme spezifische Wärmekapazität, daher verbraucht jeder Trennweg über Wärme riesige Energiemengen
    • In feuchten Regionen, in denen es funktionieren könnte, gibt es wahrscheinlich ohnehin schon viel Wasser
    • Es kommt darauf an, was genau mit „funktioniert“ gemeint ist
      Kein handelsüblicher Luftentfeuchter kann genug Wasser erzeugen, also gibt man am Ende 80.000 Dollar aus und wäre mit einer Wasserlieferung besser gefahren

  • Ich frage mich, ob sich die Energieeffizienz durch die Kombination mit dem Photomolecular-Effekt weiter steigern ließe
    https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-witho...

  • Ich habe mich schon früher gefragt, warum es nicht überall am Red-Sea-Ufer Kanäle gibt, die mit Meerwasser gefüllt sind, das unter einem Glasdach verdunstet, um Süßwasser zu erzeugen, während das verbleibende Salz abgebaut wird
    Sand → Glas → erhitztes Meerwasser → Süßwasser + Mineralien → ??? → klingt, als könnte daraus ein Geschäftsmodell werden
    Wenn man dazu noch Mangrovenplantagen kombiniert, könnte eine Wüstenküste dann nicht mehr Leben tragen?
    Ich frage mich auch, ob sich diese Technologie skalieren ließe und wie schnell sie Wasser verarbeiten könnte. In Kombination mit transparenten Solarpanels könnte das ziemlich beeindruckend sein

    • Eine etwas andere Idee war, Wasser aus dem Red Sea zu entnehmen, zu konzentrieren und dann in das Dead Sea zu leiten, um dessen Pegel zu stabilisieren. Der Wasserstand des Dead Sea ist ein großes Problem
      Rund 1 Milliarde Dollar wurden ausgegeben, aber wegen einer Kombination aus finanziellen, politischen und Umweltproblemen liegt das Projekt auf Eis
      https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Sea%E2%80%93Dead_Sea_Water...
    • Wer schon einmal am Strand war, kennt die salzige Luft, den Geruch verrottender Algen und die Vogelgeräusche
      All das würde sich ober- und unterhalb des Glases ablagern, und am Ende würde sich auch das restliche Salz ansammeln
      Das verbleibende Salz setzt allen Konstruktionen und Maschinen, die es bewegen müssen, stark zu, und die Reparatur großer Glaskonstruktionen wäre ebenfalls lästig
      Wenn man all das auf sich nimmt und am Ende nur einen langsamen Wasserfaden erhält, lohnt es sich meist nicht