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- 07.01.2019

Die Natur zum Vorbild: Innovative Techniken und Methoden der Wasserfiltration

 © Elia Levy / visualhunt.com
© Elia Levy / visualhunt.com

Viele moderne Filterverfahren haben ihren Ursprung in der Natur. „Durch ständige Evolution reagiert die Umwelt auf sich verändernde Umstände“, weiß die Wasser-Expertin Dr. Monique Bissen. „Dieser Prozess hat bei Lebewesen und Pflanzen beeindruckende Fähigkeiten hervorgebracht, die Bioniker heute nutzen, um daraus Wasser-Filtrationstechniken zu entwickeln.“ Einer der großen Vorteile dieser so inspirierten Verfahren ist, dass sie meist ohne großen zusätzlichen Energieaufwand funktionieren.

 

Osmose: Der Gleichgewichtssinn der Natur

Einem der effektivsten Wasserfilterungsverfahren liegt die sogenannte Osmose zugrunde. Ein Prozess, bei dem Flüssigkeit durch Zellwände, sogenannte Membrane, gefiltert wird, die als selektive Trennwände fungieren und nur bestimmte Substanzen passieren lassen, andere dagegen an einer Durchquerung hindern. Dr. Bissen: „Der natürliche Motor einer Osmose ist der, dass Flüssigkeiten immer nach einem Konzentrationsausgleich streben.“

In der Natur lässt sich dieser Vorgang gut am Beispiel von Kirschen beobachten. Die Haut der Frucht ist eine Membran, die zwar Wassermoleküle von außen nach innen diffundieren lässt, die größeren Zuckermoleküle im Inneren der Kirsche jedoch nicht nach außen. Bei Regen perlen Wassertropfen auf der Außenhaut der Kirsche, und im natürlichen Streben nach Konzentrationsausgleich strömt Wasser in die Frucht hinein, ohne dass Druck ausgeübt wird. Der Mensch bemerkt diesen Vorgang erst, wenn die Frucht schließlich platzt.

Dieses natürliche Phänomen dient den Spezialisten bei ICon zum Vorbild für die sogenannte Umkehrosmose, nach deren Prinzip sie Leitungswasser filtern. Der Prozess der Osmose wird hierbei reversiert: Möglicherweise verunreinigtes Wasser wird unter Druck durch eine künstliche Membran geschleust, die nur Wassermoleküle passieren dürfen. Unerwünschte Schadstoffe werden so zuverlässig aus dem Wasser entfernt.

 

Trennung von Festkörpern und Flüssigkeiten durch Riesenmantas

Doch nicht nur Steinfrüchte können modernen Filterverfahren als Vorbild dienen, vor allem die Tierwelt steckt voller effektiver Techniken. Bei der Untersuchung von Riesenmantas beispielsweise entdeckten Forscher der California und der Oregon State University eine weitere Methode, mit deren Hilfe auch Kleinstpartikel aus Wasser gefiltert werden können.

„Man muss sich vorstellen, dass diese großen Rochen für die Nahrungsaufnahme mit geöffnetem Maul durch die Meere gleiten und das Wasser in ihrer Umgebung mit ihren Kiemen filtern“, erläutert Dr. Monique Bissen. „Dabei nehmen sie allerlei Tiere auf wie Krebse und Plankton, aber eben auch kleinere Tierchen.“ Diese Kleinstlebewesen, die sehr viel kleiner als die Poren der Kiemen sind, müssten eigentlich ohne Probleme entkommen können. Doch das tun sie nicht. „Mit der Zeit hat der Riesenmanta ein hochspezialisiertes Filtersystem entwickelt, mit dem zwar das Wasser wieder aus seinem Maul herausströmen kann, Festkörper jedoch hängen bleiben.“

Grund dafür sind unter anderem die speziellen Filterkanten des Mauls und die hohe Durchflussgeschwindigkeit des Meerwassers, die die Tierchen daran hindern, aus dem Maul des Riesenmantas zu entkommen. Dieser besondere Fest-Flüssig-Trennungsmechanismus wurde künstlich nachgebaut und ermöglicht – ersten Simulationen eines Teams der California State University zufolge – eine Trennung von fester Nahrung und Wasser bei Durchflussraten größer 30 Zentimetern pro Sekunde. Die Poren verstopfen bei diesem Verfahren nicht. Eigenschaften, die vor allem in der Industrie auf großes Interesse stoßen könnten.

 

Mit Bakterien gegen Wasserverschmutzung

Auch deutlich kleinere Wesen können mit ihren speziellen Fähigkeiten zum Vorbild werden. Bakterien der Gattung Oceanospirilla sind beispielsweise in der Lage, Kohlenwasserstoffe zu zersetzen.  Auch diese Beobachtungen sind für Dr. Monique Bissen wertvolle „Ratgeber“: „Ausgehend davon könnten in Zukunft Systeme entwickelt werden, die im Falle von Ölkatastrophen schneller greifen und Schäden für die Umwelt verringern.“

Als alleinige Lösung können die Bakterien jedoch nicht dienen, denn die Zersetzung von Kohlenwasserstoff ist ein Prozess, der viel Sauerstoff verbraucht. Sollten diese Organismen also im großen Stil eingesetzt werden, bestünde die Gefahr, dass sauerstofffreie, sogenannte „tote“ Zonen im Meer entstehen.

Quellen:
https://www.daserste.de/information/wissen-kultur/w-wie-wissen/sendung/2010/auswirkungen-auf-das-oekosystem-meer-100.html
https://www.zeit.de/wissen/umwelt/2010-08/bakterien-oelpest
https://www.tagesspiegel.de/wissen/bakterien-appetit-auf-oel/1911194.html
https://www.welt.de/wissenschaft/article181684188/Was-sich-der-Mensch-vom-Rochen-abgucken-kann.html
https://www.br.de/nachrichten/wissen/bionik-das-meer-filtern-wie-ein-teufelsrochen,R4qy9Fj
http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat9533
http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/riesenmantas-hightech-filter-fuer-die-industrie-a-1230231.html
https://www.youtube.com/watch?v=UIpCoi0AhUE
- 07.01.2019

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