Foto vonIvan BanduraAnUnsplash
Ein chinesisches Forscherteam hat mit der erfolgreichen Anwendung der UV/E-Cl-Technologie zur Reduzierung von Membran-Gelfouling einen bahnbrechenden Fortschritt in der Abwasserbehandlung erzielt. Die Studie, die kürzlich inNaturkommunikation, hebt einen neuartigen Ansatz zur Verbesserung der Entwässerungseffizienz und der Membranfiltrationsleistung in Abwasseraufbereitungsprozessen hervor.
Verbesserte Entwässerungseffizienz
Die Studie zeigte, dass die Anwendung von UV/E-Cl den Wasserdurchfluss in Entwässerungsexperimenten deutlich verbesserte und Durchflüsse von bis zu 138 % des E-Cl-Systems, 239 % des UV-Systems und 198 % der Kontrollgruppe erreichte. Dies deutet darauf hin, dass UV/E-Cl Membranfoulingstrukturen effektiv zerstört und so die Entwässerungsleistung verbessert. Mithilfe eines SA-BSA-Modellsystems konnten die Forscher das Verhalten komplexer extrazellulärer Polymersubstanzen (EPS) simulieren und die Relevanz von Proteinen und Polysacchariden bei der Entwässerung von Klärschlamm (WAS) bestätigen.
Molekulare Einblicke in Fouling-Mechanismen
Die Studie untersuchte die intermolekularen Wechselwirkungen von Proteinen und Polysacchariden und zeigte, dass elektrostatische Brücken zwischen Amino- und Carboxylgruppen eine entscheidende Rolle bei der Membranverschmutzung spielen. Mittels FTIR-Spektralanalyse und Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (DFT) identifizierten die Forscher drei molekulare Bindungsmodi, die auf eine starke Präferenz für lineare Konformationen hindeuten, die die Polymervernetzung fördern. Diese Erkenntnisse liefern ein molekulares Verständnis dafür, wie UV/E-Cl diese Wechselwirkungen stört und so zu reduzierter Viskosität, größeren Flocken und einer verbesserten Wasserabgabe führt.
Synergistische Rolle von Cl-Radikalen bei der Fouling-Minderung
Weitere Analysen zeigten, dass Chlorradikale (Cl•) eine dominierende Rolle beim Abbau von BSA und SA spielen und zu über 90 % zu deren Abbau beitragen. Die Studie berichtete von außergewöhnlich hohen Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten für die Wechselwirkung von Cl• mit diesen Makromolekülen, was die Wirksamkeit von UV/E-Cl beim Abbau von Membranfoulants untermauert. Dieser Prozess fragmentierte nicht nur die SA-BSA-Strukturen in kleinere Partikel, sondern reduzierte auch deren Viskosität und Hydratationskapazität deutlich, wodurch die gelartige Foulingschicht geschwächt wurde.
Thermodynamische Erkenntnisse: Wasservorkommen als Schlüsselfaktor
Die Forschung untersuchte die Thermodynamik des Membranfoulings weiter und bestätigte, dass Wasservorkommenszustände – und nicht herkömmliche Porositäts- oder Permeabilitätsfaktoren – das Gelfoulingverhalten dominieren. Die thermogravimetrische Analyse ergab, dass der gebundene Wassergehalt in den Kontrollfoulantschichten fast 80 % betrug, während die UV/E-Cl-Behandlung ihn auf unter 10 % reduzierte. Diese Veränderung ermöglichte eine leichtere Wasserabgabe, was letztlich den Filtrationswiderstand senkte und die Filtrationseffizienz verbesserte.
Auf dem Weg zur praktischen Anwendung
Aufgrund dieser überzeugenden Ergebnisse schlagen die Forscher vor, Reaktorparameter wie Elektrodenmaterial, UV-Intensität und Behandlungsdauer zu optimieren, um die Skalierbarkeit des Prozesses zu verbessern. Die Studie schlägt außerdem die Kombination von UV/E-Cl mit anderen Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid vor, um die Radikalbildung weiter zu steigern und die Behandlungseffizienz zu verbessern. Darüber hinaus betonen die Forscher das Potenzial der Verwendung von NaCl-Lösungen mit niedrigerer Konzentration – beispielsweise Meerwasser – für eine nachhaltige und kostengünstige Abwasserbehandlung.
Ein universeller Durchbruch in der Membrantechnologie
Obwohl diese Studie mit WAS durchgeführt wurde, haben ihre Ergebnisse weitreichende Auswirkungen über die Abwasserbehandlung hinaus. Die Erkenntnis, dass Wasservorkommenszustände der entscheidende Faktor bei der Reduzierung von Membranfouling sind, ist für verschiedene Membranprozesse und Reaktorgrößen von universeller Bedeutung. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für effizientere und nachhaltigere Filtrationstechnologien in der Wasseraufbereitungsindustrie weltweit.
Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach effizientem Abwassermanagement bietet die UV/E-Cl-Technologie eine vielversprechende Lösung zur Verbesserung der Membranlebensdauer, zur Senkung der Betriebskosten und zur Steigerung der Gesamtbehandlungsleistung. Da Forscher diesen innovativen Ansatz kontinuierlich verfeinern und ausweiten, sieht die Zukunft der Abwasserbehandlung immer effizienter und nachhaltiger aus.
Weitere Einzelheiten finden Sie in der vollständigen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde: [https://www.nature.com/articles/s41467-025-57878-4]
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Beitragszeit: 03.04.2025