Foto vonIvan BanduraAnUnsplash
Einem Team chinesischer Forscher ist ein bahnbrechender Fortschritt in der Abwasserbehandlung gelungen: Durch die erfolgreiche Anwendung der UV/E-Cl-Technologie zur Reduzierung von Membrangelverschmutzungen konnte die Studie kürzlich veröffentlicht werden.Nature Communicationshebt einen neuartigen Ansatz zur Verbesserung der Entwässerungseffizienz und der Membranfiltrationsleistung in Abwasserbehandlungsverfahren hervor.
Verbesserte Entwässerungseffizienz
Die Studie zeigte, dass die Anwendung von UV/E-Cl den Wasserdurchfluss in Entwässerungsexperimenten signifikant verbesserte und Werte 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 Membranfouling-Strukturen effektiv auflöst und somit die Entwässerungsleistung steigert. Mithilfe eines SA-BSA-Modellsystems konnten die Forscher das Verhalten komplexer extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS) simulieren und die Bedeutung von Proteinen und Polysacchariden für die Klärschlammentwässerung 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. Mithilfe von FTIR-Spektralanalyse und Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (DFT) identifizierten die Forscher drei molekulare Bindungsmodi, die eine starke Präferenz für lineare Konformationen nahelegen, welche die Polymervernetzung fördern. Diese Erkenntnisse liefern ein molekulares Verständnis dafür, wie UV/E-Cl diese Wechselwirkungen stört, was zu einer reduzierten Viskosität, größeren Flocken und einer erhöhten Wasserabgabe führt.
Synergistische Rolle von Chlorradikalen bei der Ablagerungsminderung
Weiterführende Analysen zeigten, dass Chlorradikale (Cl•) eine dominierende Rolle beim Abbau von BSA und SA spielen und zu über 90 % zu deren Zersetzung beitragen. Die Studie berichtete über außergewöhnlich hohe Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten für die Wechselwirkungen von Cl• mit diesen Makromolekülen und belegte damit die Wirksamkeit von UV/E-Cl bei der Zersetzung von Membranablagerungen. Dieser Prozess fragmentierte die SA-BSA-Strukturen nicht nur in kleinere Partikel, sondern reduzierte auch deren Viskosität und Hydratationskapazität signifikant, wodurch die gelartige Ablagerungsschicht geschwächt wurde.
Thermodynamische Erkenntnisse: Der Aggregatzustand des Wassers als Schlüsselfaktor
Die Forschung untersuchte weiterhin die Thermodynamik der Membranverschmutzung und bestätigte, dass der Wassergehalt – und nicht die herkömmlichen Porositäts- oder Permeabilitätsfaktoren – das Verschmutzungsverhalten von Gelen dominiert. Thermogravimetrische Analysen ergaben, dass der Gehalt an gebundenem Wasser in den Kontrollschichten nahezu 80 % betrug, während die UV/E-Cl-Behandlung ihn auf unter 10 % reduzierte. Diese Veränderung ermöglichte eine leichtere Wasserabgabe, wodurch letztendlich der Filtrationswiderstand gesenkt und die Filtrationseffizienz verbessert wurde.
Hin zu praktischen Anwendungen
Auf Grundlage dieser überzeugenden Ergebnisse schlagen die Forscher vor, die Reaktorparameter, darunter Elektrodenmaterial, UV-Intensität und Behandlungsdauer, zu optimieren, um die Skalierbarkeit des Prozesses zu verbessern. Die Studie empfiehlt zudem die Kombination von UV/E-Cl mit anderen Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid, um die Radikalbildung weiter zu steigern und die Behandlungseffizienz zu erhöhen. Darüber hinaus betonen die Forscher das Potenzial, NaCl-Lösungen mit niedrigerer Konzentration – wie beispielsweise Meerwasser – für eine nachhaltige und kostengünstige Abwasserbehandlung einzusetzen.
Ein universeller Durchbruch in der Membrantechnologie
Obwohl diese Studie mit WAS durchgeführt wurde, haben ihre Ergebnisse weitreichende Implikationen, die über die Abwasserbehandlung hinausgehen. Die Erkenntnis, dass der Zustand des Wassers der dominierende Faktor bei der Verringerung der Membranverschmutzung ist, ist von universeller Bedeutung für verschiedene Membranverfahren und Reaktorgrößen. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für effizientere und nachhaltigere Filtrationstechnologien in der Wasseraufbereitungsindustrie weltweit.
Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach effizienter Abwasserbehandlung stellt die UV/E-Cl-Technologie eine vielversprechende Lösung dar, um die Lebensdauer von Membranen zu verlängern, die Betriebskosten zu senken und die Gesamtreinigungsleistung zu verbessern. Da Forscher diesen innovativen Ansatz kontinuierlich weiterentwickeln und skalieren, sieht die Zukunft der Abwasserbehandlung zunehmend 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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Veröffentlichungsdatum: 03.04.2025