Entwicklung robuster, doppelfunktionsfähiger PPy-basierter photothermischer Membranen zur gleichzeitigen Gewinnung von Süßwasser und Salz

Sonnenlicht in Trinkwasser und nützliches Salz verwandeln

Milliarden Menschen leben in Regionen mit knappem Zugang zu sauberem Wasser, obwohl Ozeane und salzhaltige Abwässer in der Nähe sind. Diese Studie untersucht eine neue Art textilbasierter Membran, die nur Sonnenlicht nutzt, um aus salzigen oder verschmutzten Quellen Süßwasser zu gewinnen und gleichzeitig wertvolle Salze zurückzugewinnen, anstatt sie zu entsorgen. Der Ansatz zielt darauf ab, den Energieverbrauch zu senken, die Kosten zu reduzieren und Flüssigabfälle zu minimieren und bietet einen praktischen Weg zu saubererem Wasser und effizienterer Ressourcennutzung.

Ein einfaches Gewebe, das Sonnenlicht aufsaugt

Im Zentrum der Arbeit steht eine dünne, dunkle Beschichtung aus dem leitfähigen Kunststoff Polypyrrol (PPy), aufgebracht auf gebräuchlichen Polyesterstoffen. Wenn Sonnenlicht auf PPy trifft, wird es über ein breites Farbspektrum stark absorbiert und sehr effizient in Wärme umgewandelt. Die Forschenden nutzten ein lösungsmittelfreies Verfahren, die chemische Gasphasenpolymerisation, um eine gleichmäßige PPy-Schicht auf gewebten oder ungewebten Stoffen zu erzeugen. Clevererweise ist nur die Oberseite des Gewebes beschichtet, während die Unterseite hydrophil bleibt, sodass sie Wasser von unten nach oben ziehen kann, während die dunkle Oberseite der Sonne zugewandt ist und sich erwärmt. Dieses Design hält den Wasserfluss zur heißen Oberfläche aufrecht und minimiert gleichzeitig Material- und Chemikalieneinsatz.

Die Rezeptur für maximale Erwärmung abstimmen

Zum Aufbau der PPy-Schicht prüfte das Team mehrere Oxidationsmittel — Chemikalien, die die Polymerbildung auslösen — darunter Eisen(III)-chlorid, Kupferchlorid, Ammoniumpersulfat, Kaliumpermanganat und Natriumdichromat. Durch Variation ihrer Konzentration und der sehr geringen Menge an Pyrrol-Monomer fanden sie Bedingungen, die eine durchgehende, tiefschwarze PPy-Haut auf den Fasern erzeugten. Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die beschichteten Fasern eine rauhe, fein strukturierte Oberfläche entwickelten, die Lichtreflexion reduziert und mehr Sonnenenergie einfängt. Lichtmessungen bestätigten, dass die besten Membranen mehr als 94 % des einfallenden Lichts von Ultraviolett bis Infrarot absorbierten, deutlich mehr als die unbehandelten Stoffe. Unter Einstrahlung von einer Sonne (der Intensität normalen Mittagslichts) erwärmten sich diese optimierten Membranen schnell auf etwa 60–65 °C, deutlich heißer als das unbeschichtete Gewebe.

Verdampfung durch eine dünne heiße Schicht steigern

Wurden diese PPy-beschichteten Stoffe auf Wasser schwimmend unter simuliertes Sonnenlicht gelegt, erhöhten sie die Verdampfungsrate erheblich. Reines Wasser ohne Membran verdampfte langsam, etwa 0,22 Kilogramm pro Quadratmeter und Stunde. Ein unbeschichteter Stoff erhöhte diese Rate bereits um das Dreifache, doch die PPy-Beschichtung steigerte sie weiter: bis zu 0,95 kg m−2 h−1 für ungewebte Stoffe behandelt mit Kupferchlorid und 0,93 kg m−2 h−1 für gewebte Stoffe behandelt mit Ammoniumpersulfat. Obwohl nur sehr geringe Mengen Pyrrol verwendet wurden, erreichten die Membranen eine Solar-zu-Wärme-Umwandlungseffizienz von etwa 57 %. Bei stärkerer, dreifacher Sonneneinstrahlung — vergleichbar mit konzentriertem Sonnenlicht — trieb die beste Membran die Verdampfung auf bis zu 2,91 kg m−2 h−1 und blieb über wiederholte Erwärmungszyklen stabil.

Süßwasser oben, Kristalle am Rand

Über die Gewinnung von sauberem Wasser hinaus sind diese Membranen so konzipiert, dass sie die sonst entsorgten Salze rückgewinnen. Während die Oberfläche erhitzt wird und Wasser zu Dampf wird, wird der aufsteigende Dampf gesammelt und als nahezu reines Wasser kondensiert, während die verbleibende Lösung konzentrierter wird. Weil die PPy-Oberfläche hydrophob und rau ist, bilden sich Salzkrusten bevorzugt an den Rändern der Verdampfungszone statt die zentrale heiße Fläche zu verstopfen. Bei Tests mit Natriumchlorid, Kupfersulfat und Eisenchlorid in realistischen Meerwasser- und Salzlaugenkonzentrationen hielt das System hohe Verdampfungsraten aufrecht und erzeugte sichtbare Salzringe, die sich leicht ernten ließen. In einer Demonstration gewann eine Membran, die an einer 7-%-Salzlösung arbeitete, 100 % des gelösten Salzes zurück, mit einer Salzgewinnungsrate von etwa 58,6 Gramm pro Quadratmeter und Stunde, während weiterhin Süßwasser erzeugt wurde.

Auf dem Weg zu saubererem Wasser ohne verbleibende Flüssigkeit

Alltagsgerecht zeigt diese Forschung, dass ein kostengünstiges, gewebtes Material Sonnenlicht in sowohl trinkbares Wasser als auch wiederverwendbares Salz verwandeln kann, ohne Hochdruckpumpen, komplexe Elektronik oder große Mengen Chemikalien zu benötigen. Die PPy-beschichteten Membranen sind robust, waschbar und kompatibel mit realen Salzlauge- und Abwasserströmen, einschließlich saurer oder alkalischer Medien. Da sie salzhaltige Abwässer so weit konzentrieren können, dass praktisch keine Flüssigkeit mehr übrig bleibt, unterstützen sie das ambitionierte Ziel des „Zero Liquid Discharge“, bei dem Wasser recycelt und Feststoffe zurückgewonnen statt entsorgt werden. Mit weiterer Technikentwicklung und Skalierung könnten solche sonnengetriebenen Membranen in kleinen, dezentralen Systemen eine Schlüsselrolle für Küstengemeinden, landwirtschaftliche Betriebe und Industrien spielen, um Süßwasser zu sichern und gleichzeitig Verschmutzung und Abfall zu reduzieren.

Zitation: Mahmoud, M.T., Abdel-Ghafar, H.M., El-Sherif, A.A. et al. Development of robust dual functioning PPy-based photothermal membranes for simultaneous freshwater and salt harvesting. Sci Rep 16, 5945 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35812-y

Schlüsselwörter: Solarentsalzung, photothermische Membran, Gewinnung von Süßwasser, Salzrückgewinnung, Zero Liquid Discharge