t 84

_~I. R. BLOCH: D i e E n t s a l z u n g d e s M e e r w a s s e r s

400 ~ entstanden sein. In beiden F~tllen sollte die Venus gegenfiber der Erde stark benachteiligt sein [2]. Schlieglich bietet dieses Modell ouch einige Hinweise auf ein ffir die Entwicklung des Lebens wichtiges Problem: das Verhalten des Kohlenstoffs w~hrend der Planetenbildung. Bei niedrigen Temperaturen ist CH 4 die stabilste Kohlenstoffverbindung in einem kosmischen Gas. UREY [25] wies jedoch bereits vor l~ingerer Zeit darauf hin, dab Methan, mit einer Kondensationstemperatur yon nur 48 ~ bei 10-a arm, viel zu flfichtig sei, um sich im inneren Sonnensystem zu kondensieren. Demnach sollten die inneren Planeten fiberhaupt keinen Kohlenstoff enthaltenl Zur L6sung dieses Paradoxons schlug UREY vor, dab ein Tell des Kohlenstoffs sich metastabil in hochmolekulare organische Verbindungen umgewandelt babe. Solche Verbindungen linden sich tats~ichlich in den kohligen Chondriten. STUDIERetal. [10b, 22] beobachteten dann auch die spontane Bildung derartiger Verbindungen unter Bedingungen, die den im Sonnennebel herrschenden ungef~thr entsprachen. Oberhalb 600 ~ und G t 0 -4 arm existiert Kohlenstoff gr6gtenteils als CO. Bei fallenden Temperaturen sollten sich CO und H~ in CH 4 umsetzen; diese Reaktion ist jedoch sehr tr/ige. In Anwesenheit yon Eisenmeteoriten-Staub (der katalytisch wirksame Elemente wie Fe, Co, Ni enth~lt) reagieren CO und H 2 start dessen nach einer Fischer-Tropsch-Reaktion, unter Bildung einer Vielzahl von organischen Verbindungen. Darunter fanden sich alle in Meteoriten mit Sicherheit nachgewiesenen organischen Verbindungen, z.B. Normal- und Isoparaffine, isoprenoide Kohlenwasserstoffe, aromatische und alkylaromatische Kohlenwasserstoffe. Fails Stickstoff (als NHa) zugegen war, bildeten sich auch die biologisch wichtigen Purine Adenin und Guanin (Bestandteile von DNS und RNS), nebst anderen heterocyclischen Basen wie Melamin und Ammelin. Auch diese Verbindungen sind in Meteoriten nachgewiesen worden [10 a]. Katalytische Reaktionen dieser Art k6nnen als eine Alternative oder Erg~inzung ffir die von MILLER [t4] und UREY [24] vorgeschlagenen strahlungsinduzierten Reaktionen gelten. Im Gegensatz zu diesen sind sic spontan und bedfirfen keiner /iu~3eren Energie-

Naturwissenscha[ten

quelle. Sie dfirften zumindest bei der Fixierung des Kohlenstoffs in Planeten, Asteroiden und Kometen eine wichtige Rolle gespielt haben. Darfiber hinaus k6nnen sic aber auch am Aufbau biologisch wichtiger Stoffe auf der primitiven Erde teilgenommen haben [22]. Viele Einzelheiten dieses Bildes sind noch ungekl~trt, und selbst die Hauptzfige werden vielleicht noch mancher drastischer Anderung bedfirfen. Dennoch ist es klar, dab die zuerst yon EUCKEN, UREY und SUESS angebahnte Anwendung physikalisch-chemischer Prizipien auf Probleme der Planetenbildung manche wichtige Aufschlfisse fiber die Entstehung des Sonnensystems geben kann. Die A r b e i t wurde dureh die N A S A u n t e r s t i i t z t . [1] ANDERS, E.: Space Sci. Rev. 3, 583 (1964). - - [2] ANDERS, E.: Accounts Chem. Res. 1, 289 (t968). - - [3] BLANDER, M., and J. L. KATZ: Geochim. Cosmochim. A c t a 31, 1025 (1967). - - [4] BEOWN, H.: The A t m o s p h e r e s of the E a r t h and the Planets. Ed. b y G. P. KUIPER. Univ. of Chicago Press (1949), chap. IX. - - [5] CAMERON, A. G. W. : Icarus 1, t 3 ( t 9 6 2 ) . - [6] Ca~tERON, A. G. W. : ibid. 1, 339 (1963). - - [7] CAMERON, A. G. W.: E a r t h and P l a n e t a r y Science Letters 1, 93 ( 1 9 6 6 ) . - [8] CAMERON, A. G. W.: Origin and A b u n dance of the Elements. Ed. b y L. H. AnRENS. Oxford: P e r g a m o n Press 1968. - - [9] CAMERON, A. G. W.: Meteorite Research. 2 d . b y P. M. MILLMAN. D o r d r e c h t : Reidel 1969. - - [10a] HAYATSU, R,: Science 146, t 2 9 t ( 1 9 6 4 ) . - [ t 0 b ] }{AYATSU, R.: et al.: Geochim. C o s m o c h i m A e t a 32, 175 (1968). - - [ t t ] JASTROW, R.: Science 160, 1403 (t968). - - [t2] LARIMER, J. W., and E. ANDERS: Geochim. Cosmochim. A c t a 31, 1239 (1967). - [I3] LARI~aER, J. W., and E. ANDERS: ibid. 31, 1215 (1967). - - [14] MILLER, S. L. : Science 117, 528 ( 1 9 5 3 ) . [15] NOBDACK, I., and W. NODDACK: N a t u r wissenschaften 18, 758 (I930). - - [16] RINaWOOD, A. 2 . : Rev. Geophysics 4, 1 t3 (1966). - - [ ~ 7] RINOWOOD, A. E. : Geochim. Cosmochim. A c t a 3o, 41(1966). - - [18] RUSSELL, H. N., and D. H. N[ENZEL: Proe. Nat. Acad. Sei. U. S. 19, 997 (1933). - - [19] SuEss, H . E . : J. Geology s7, 600 (t949). - - [20] SuEss, H. E., and H. C. UREY: Rev. Mod. Phys. 28, 53 (1956). - - [21] SuEss, H. E., and H. C. UREY: A n n u a l Rev. Astron. Astrophysics 3, 217 (t965). - [22] STUDIER, M. t-i., R. HAYATSU, and E. ANDERS: Geochim. Cosmoehim. A c t a 32, 151 (t 968). - - [23] UREY, H. C. : The Planets. N e w H a v e n : Yale Univ. Press 1 9 5 2 . - [24] UREY,H . C . : Proc. Nat. Acad. Sei. U. S. 38, 351 (1952). - - [25] UREY, H. C. : X I I I Int. Congr. of Pure a n d Applied Chem. L o n d o n 1953, 188. - - [26] UR~v, H. C. : A s t r o p h y s i c a l J. Suppl. 1 (6), 147 ( 1 9 5 4 ) . - [27] WHIPPLE, F. L.: Science 153, 54 (1966). - - [28] WooD, J . A . : Technical Rept. 10, S m i t h s o n i a n Inst. Astrophys. Obs. (t958). - - [29] WooD, J. A.: N a t u r e 194, 127 (1962). - - [30] WOOD, J. A.: Icarus 2, 152 ( 1 9 6 3 ) . - [31] WooD, J. A.: Geoehim. Cosmochim. A c t a 31, 2095 0967). E i n g e g a n g e n a m 2. Oktober 1968

Die Entsalzung des Meerwassers Ein Problem der Wissenschaft und der Weltwirtschaft, Bew/isserungsprobleme der Negev-Wfiste in Israel M. R. BLOCH* The Negev Institute for Arid Zone Research, Beersheba, Israel Die Kultivierung der Pflanzen, die Domestifikation der Haustiere, die Industrien und die damit verbundene Erh6hung der Bev61kerungsdichte, brachte ffir den Menschen die Notwendigkeit mit sich, ouch in den Wasserhaushalt der Natur kfinstlich einzugreifen. Bis vor kurzem begnfigte er sich mit wasserorientierten Siedlungstechniken, mit der Wasseransammlung und der gelenkten Wasserverteilung. Die technischen Mittel * Vortrag, gehalten auf der T a g u n g Deutscher N a t u r f o r s c h e r u n d ~-rzte in H e i d e l b e r g ant 7. t0. 1968

dafgr waren der Bau von Zisternen, das Graben yon Brunnen und Bew~isserungskan~tlen, der Bau von Wasserleitungen und D~immen. In Oasen, bei Quellen, Seen und Flfissen entstehen die an Sfil3wasser gebundenen Zivilisationen. Erst im t7. Jahrhundert begann man Verdampfung und Kondensation dazu zu verwenden, um natfirlichem Regenwasser ~ihnliches ,,destilliertes" W asser ktinstlich herzustellen. Die Engl/inder waren bei ihren langen Seereisen die ersten, die einen Destillationsapparat auf

56. Jg., He/t 4, 1969

M.R. BLOCH: Die Entsalzung des Meerwassers

ihre Fahrten mitnahmen. Ftir die Erfindung von R . F I T Z G E R A L D , einem Verwandten R O B E R T B O Y L E s , wurde eine Gedenkmtinze geschlagen (Fig. t). Der Apparat konnte 3501 Stigwasser im Tag aus Meerwasser destillieren und kostete 16 Pfund Sterling; far eine Leistung yon einem Xubikmeter je Tag waren also 50 s zu investieren. 1739 AD wird ein Ostindienfahrer erw~hnt, der mit einem Gewichtsteil Kohlen 3 Gewichtsteile Wasser herstellte. Die Kohle wurde vom Schiff als Ballast von New Castel mitgefiihrt. Diese Art von Maschine wurde von J. Cook auf seiner beriihmten zweitenWeltreise t 772--t 775 mit Erfolg verwendet. Sein ,,Irving"Kessel lieferte etwa 1 ~0 1 Wasser t~glich [1]. Zu Anfang des 20. Jahrhunderts waren auf vielen Schiffen Destillierapparate installiert, besonders auf englischen, die Seewasser in dampfgeheizten Kesseln kochten und in seewassergektihlten Kondensatoren zu einem brauehbaren Trink- und Kesselspeisewasser raffinierten. Die wesentlichste Schwierigkeit, dab sich ,,Kesselstein" auf die Dampfschlangen absetzte, Calcium- und Magnesiumcarbonate und -sulfate, den W~trmei~bergang auf das kochende Wasser ersehwerend, wurde durch sinnreiche, aber nicht billige Hilfsmittel auf ein Minimum reduziert. Haupts~ichlich warenes periodische Stogbehandlungen der biegsamen und besonders elastisch gemachten Dampfschlangen, mit denen man die angesetzten Krusten zerst6rte, so dab ihre Trtimmer beim Auswechseln des konzentrierenden Meerwassers ausgeschwemmt werden konnten. Solche Anlagen waren ftir Schiffe und wiehtige Pl~ttze besonderer Wassernot geeignet, konnten iedoch nicht gr6Bere Siedlungen mit Trinkwasser versorgen; der Preis des destillierten Wassers war nahe 5--10 Mark pro m a und kam fiir ]andwirtschaftliehe Irrigation nicht in Betracht. Moderne Entwicklungstendenzen der Entsalzungsver/ahren Etwa t955 schlugen gleichzeitig R. S. SILVER in England und A. FRXNKEL in USA die ,,Flash"-Destillation als besonders geeignet ftir die Entsalzung yon Meerwasser vor. Diese Methode eignet sich far den Bau

9 ,3~

II

185

grol3er An]agen und wurde seither intensiv entwickelt, insbesondere in Verbindung mit der Abw~rmeverwertung yon Kraftstationen. Eine Anlage, die seit 1965 in Elath in Israel mit dem Wasser des Roten Meeres als Rohmaterial arbeitet, zeigt schematisch Fig. 2. Nach dem heutigen Stand der Technik errechnet sich, dab bei der Kondensation des Turbinenabdampfes bei

Fig. I A u. B. M/inzen g e p r i g t zu 2;hren R. F i e z G ~ a A ~ n s E r f i n d u n g fiir die E n t s a l z u n g y o n M e e r w a s s e r A . D 1685 [I] (mit f~eundlieher E r l a u b n i s des B r i t i s h M u s e u m / L o n d o n ) . A W i l l k o m m e n klas u n v e r hoffte W a s s e r y o n d e n Wellen. B Die K u n s t a h m t d e n H i r 0 m e l h a t h , F e u e r u n d Wellen v e r e i n i g e n d

110 ~ und einer Ausntitzung der Gesamtenergie zu 30% ftir die Elektrizit~itserzeugung und zu 70% ftir die Wassererzeugung das Optimum ist. Dabel rechnet man mit einer SAurebehandlung (H2SO4) der anfallenden Laugen, um Krustenbildung zu vermeiden. Falls sich neue Ideen zur Krustenverhinderung bew~hren, wie die yon GRACE vorgeschlagene Magnesia-KalkBehandlung, dann k6nnte sich die Bilanz wesentlich zugunsten der Wassererzeugung ~ndern. In Elath

I t I

I I

i

t

RezirkuLation

r .[ztes ;set

Fig. 2. S c h e m a der E l a t h - A n l a g e z u r H e r s t e l l u n g y o n 4000 m 3 e n t s a l z t e m W a s s e r p r o T a g 13 a

Naturwissenschaften 1969

186

M . R . BLOCH: Die E n t s a l z u n g des Meerwassers

k o m m t der m 3 destilliertes Wasser auf etwa 80 Pf bei einer Tagesleistung yon 4000 m a. Mit brakigem Quellwasser gemischt, reicht das im Sommer ftir die ans~issige Bev61kerung aus, im Winter gentigen die 4000 m 3. Als Versuchsanlage ffir eine grol3e, 800 000 m 3 pro Tag erzeugende kombinierte Kraft-Wasser-Station ist Elath yon entscheidender Bedeutung, auch wenn die neuen Pl~ine auf eine Kraftstation abzielen, die nicht mehr 01 als Energietdiger, sondern Kernenergie verwendet. Die Vermehrung der Zahl der ,,Flash"K a m m e r n yon 30 auf 50 ist wahrscheinlich vorteilhaft. Der Rentabilit~itseffekt der Vergr613erung allein (ohne irgendwelche nicht mit Sicherheit vorsehbare Verbesserungen) l~iBt einen Wasserpreis yon 40 Pf/m a erreichbar erscheinen. Dabei muB man bedenken, dab die reinen Brennstoffkosten etwa 5 Pf/m 3 betragen wer-

:onz. verd.

konz.

verd.

0-

o N~

Na*

CI-

Ns

\ \

Konzentrc entsa/zt

lvetlk

w!rd.Jk

t

u t '

t'

I t'

Kath~

Fig. 3

den. Kosten ft~r Krustenverhinderung etwa 3 Pf und 7,5 Pf fiir jedes Prozent Verzinsung des investierten Kapitals [3]. Der Vorteil der Destillationsmethode ist, dab ihr Erfolg nicht yon der Salz-Konzentration des zu entsalzenden Wassers abMngt. Ihr Nachteil ist, dab sie sich nur in groBem Magstab - - t05 t / T a g und bei sehr niederen Zinss~itzen fiir das investierte Kapital yon etwa 800 Mark/m3/Tag der Wirtschaftlichkeit n~ihert. Das Meerwasser vom Salz durch eine Art Filtration zu trennen, versuchten die Alten vergeblich. Erst mit der Entdeckung der osmotischen Eigenschaften yon w~tl3rigen L6sungen und besonders mit den Arbeiten yon PFEFFER fingen die Eigenschaften yon Membranen an, nicht nur in der belebten Natur ft~r die Konzentrations~inderung yon Salzen in Wasser eine Rolle zu spielen. Als erster schlug K. H. MEYER t936 die Anwendung yon Membranen zur Entsalzung yon L6sungen bzw. zu ihrer Konzentration in einer praktischen Form vor. Seine Anordnung ist im Prinzip das, was heute praktisch als ,,Elektrodialyse" angewendet wird. In Fig. 3 sind die Wirkungsweise und das Schema eines solchen Apparates angegeben. Bei den entsprechenden Ger~tten sind, vergleichbar einer Filterpresse, semipermeable Membranen kammerbildend parallel so angeordnet, dab jede K a m m e r yon je einer Membran begrenzt wird, die speziell nur ffir Natrium-Ionen durchl~tssig ist, w~ihrend auf der ande-

N~turwissenscha/ten

ten Seite eine Membran eingebaut ist, die im wesentlichen Chlor-Ionen auger Wasser durchl~il3t. Der ganze Satz abwechselnder Membranen wird nun unter Spannung gesetzt, so dab die negativen Ionen in die eine Richtung, die positiven in die andere zu wandern streben. Die abwechselnd Anionen- und Kationendurchl~ssigen W~inde, f/ihren nun zu einer abwechselnden Konzentrierung und Verdiinnung in abwechselnden Kammern. Das K a m m e r s y s t e m wird parallel yon Flttssigkeitsstr6men durchflossen, die am Ausgang der K a m m e r n als je ein entsalzter und je ein konzentrierter Wasserstrom zusammengefal3t werden. Da bei diesem Verfahren die Salze durch die Membranen geffihrt werden, ist es prinzipiell um so billiger, je ,,besser", d.h. je salz~irmer von vornherein das Rohwasser ist [41. Das Verfahren ist an eine bestimmte Gr613e der Membranen gebunden und verbilligt sich nicht wesentlich durch eine Vergr6Berung der Anlagen. Einige solche Wasserfabriken sind in der Welt in Betrieb. Die Versuchsanlage in Zelim bei Beersheba, vom Arid Zone Research Institute in Beersheba geplant und betrieben, erzeugt t~glich 500 m a Wasser, das 250 mg Chlor/1 entMlt, ausgehend yon brakigem Grundwasser mit 1500 mg Chlor/1. Eine ~ihnliche Anlage in Mashawe Sadeh, auch im Negev, ft~r 5000 m 3 Stil3wasser/Tag ist im Bau. Der Stromverbrauch liegt bei etwa 3 kWh pro m 3 Wasser und die Produktionskosten betragen etwa 40 Pf ffir den m 3 [5]. Von allen Methoden zur Wasserentsalzung ist die jtingste die der ,,Reverse"- oder ,,umgekehrten" Osmose. Sie ist ebenfalls eine Membranmethode und gewissermagen die Umkehrung vieler lebenswichtiger osmotischer Vorg~nge in der organischen Natur. Sie bedient sich auch halbdurchl~issiger Membranen, doch solcher, die sowohl fiir Kationen als auch ffir Anionen, also ftir Salze schlechthin, undurchl~tssig sind, wohl aber ft~r Wasser. Die technische M6glichkeit unter Anwendung yon mechanischem Druek zu entsalzen, dem osmotischen Druck entgegen, der bestrebt ist, die Salze und Wasser zusammenzuhalten, w u r d e zuerst v o n B R E T O N und REID t956 an der Universit~it yon Florida erkannt ; sie zeigten, dab ein Celluloseacetat-Film ftir Wasser gent~gend selektiv durchl~issig ist. Erst LoEB (1965) und SOURII~AJAN von der Universit~t von Californien machten jedoch eine solche Membran geniigend diinn und doch mechanisch genug widerstandsf~thig, um wirtschaftliche ,,Filtrations"-geschwindigkeiten bei den notwendigen Drucken zu erlauben. LOEB baute 1965 in Coalinga/Californien eine Versuchsanlage, die noch erfolgreich in Betrieb ist; eine Versuchsanlage yon 200 m a SfiBwasser/Tag wird gerade in der Arawa, dem stidlichen Negev, in Betrieb genommen, um Brackwasser (270 m3/Tag) von 2500 rag/1 zu entsalzen auf 400 rag/1 [6]. Ffir LoEBs Anlage charakteristisch ist die r6hrenI6rmige Membrananordnung. Seine Celluloseacetatmembran bildet einen Schlauch, ~ihnlich einer kttnstlichen Wursthaut, sie wird jetzt in einer Versuchsanlage im Negevinstitut in Beersheba hergestellt. Die Acetatcellulose-Wursthaut ist in kaltem Wasser ausgef/tllt, und zwar so, dab ihre Wand auBen eine por6se Schicht (ca. 0,2mm) bildet, die innen mit einer nur einige #-dieken ,,Kruste" tiberzogen ist. Diese ,,Kruste" ist die eigentliche semipermeable Wand. Dieses aus por6ser Schicht und Kruste be-

86. Jg., He/t g, 1969

M . R . BLOCI-I : D i e E n t s a l z u n g d e s M e e r w a s s e r s

stehende Membranrohr liegt in einem Schlauch aus Nylongewebe und dieser in einem durchl6cherten Aluminiumrohr yon etwa 5 cm ~ . Die Anordnung h~ilt Drucke bis zu t00 Atmosph~iren aus, ohne ihre Porosit~it fiir Wasser zu verlieren. Das Rohwasser, brackiges Grundwasser der Wfiste, wird grob filtriert und mit einer Pumpe in die Membranrohrantage geprel3t, so dab es in ihr bis zum Endventil unter einem Druck yon 50 Atm steht. Stil3wasser sickert dutch den Membranschlauch und tropft an dem perforierten AuBenrohr ab, um zum SammelgefiiB zu laufen. Die im Rohr gebliebene konzentrierte Lauge, 70 m a]e Tag mit 8500 mg Salzen/1, gehen als Abwasser weg. Diese Anordnung braucht keine chemische Behandlung des Wassers, um sie vor Verschmutzung oder Kesselstein zu schtitzen; nach einer Anregung yon D. GRIFFITHS kann sie durch gelegenfliches Reinigen mit einem ,,Kunststoffschwamm", der mit dem Rohwasser durch das R6hrensystem gejagt wird, dauernd in Betrieb bleiben. Der Energiebedarf der ,,Reverse Osmose", wie das Verfahren genannt wird, ist unter 3 kWh ffir den m ~ entsahtes Wasser und bisherige Erfahrung mit Haltbarkeit und Arbeitsaufwand lassen auf einen ms-Preis von weniger als 40 Pf hoffen. Wie die Elektrodiaiyse, ist auch die ,,Reverse Osmose" vorl~iufig ftir Meerwasser nicht zu empfehlen. Wegen des h6heren osmotischen Drucks miiBten Entsalzungsdrucke um 80 Atm angewendet werden und darunter leidet die por6se Schicht, auf der die Membran aufliegt. Es wird deshalb vorl/iufig nur brackiges Wasser so entsaht. Weitere Methoden zur Entsalzung von Meerwasser und Grundw~issern werden entwickelt. Eine Versuchsanlage zum Aus/rieren der Sahe des Meerwassers, die nach ZARCHIN in Elath gebaut wurde, war viele Monate im GroBbetrieb. Das Filtrieren, Waschen und Schmelzen des entstehenden Eisfilterkuchens konnte roll ausgearbeitet werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dab der neu entwickelte Niederdruckkompressor, der hier beim Dampfdruck von Eiswasser arbeiten mu~3, durchaus praktisch verwendbar ist; das ffihrte zu einer Destillationsanlage fiir Ozeanwasser, bei der der Kompressor die Briiden des bei gew6hnlicher Temperatur verdampfenden Wassers in einen Kondensator pregt, wo die Kondensationsw~irme des entstehenden StiBwassers das einkommende Rohwasser erhitzt. Die Pumpenergie, die fiir die Brfidenkompression aufgewendet werden muB ist klein, aber es scheint, dab diese Methode im Grol3betrieb nur dann wirtschaftlich ist, wenn die prim~ire Energiequelle mechanischer Art ist, z. B. Wasserkraft.

Wirtscha/tlichkeit Die Aussichten zur wirtschaftlichen Herstellung von SiiBwasser h~ingen vom Energiepreis, vom Preis der nStigen Investitionen, vom Preis des Rohwassers, yon technischen Verbesserungsm6glichkeiten und ,,last but not least" vom Markt ffir das fabrizierte Wasser ab. Bei den Energiepreisen sind heute in erster N~iherung fossile und Kernbrennstoffe als gleich anzusetzen. Transportkosten und politische Gegebenheiten sind da solange ausschlaggebend, bis technologische und wissenschaftliche Durchbrache die Verh~iltnisse ~indern. Der Rohwasserpreis fiir Meerwasser, das ja von recht gleichbleibender Qualidit ist, h~ingt yon den Transt3b

Naturveissenschaften t969

t87

portkosten bis zur Stil3wasserfabrik ab. Bei Destillationsverfahren betragen die notwendigen Kt~hlwassermengen ein vielfaches der Rohwassermengen und brauchen z.B. in Elath nahezu ein Ftinftel kWh zum Pumpen ftir den m ~ fertiges StiBwasser. Das macht es fast unm6glich - - yon speziellen F~illen abgesehen - Meereswasser fern yon der Ktiste in grol3em Mal3stab zu destillieren. Die Membranverfahren, vorl~iufig nur ftir Brackwasser mit einem Salzgehalt yon einem Zehntel des Meerwassers geeignet, miissen ihren Standort dort haben, wo ihr Rohmaterial in nieht zu groBen Tiefen (einige hundert Meter) erbohrt werden kann.

Kosten der Prim~renergie[r 5 10 15 20 181 ' ' ' 'n/~ "~'c16~- heutigeVerdampferanla'ge 0

50

o

ool ~ ~mUse

~IO c:|

~'0

_ _ _ ~ ' _. . . . . . . .

J

.~

jt

I

1

I

I

I

I

2 t. 6 W~rmekosten am Verdctmpfer [r

I

8

1-420

Fig. 4. Preisverhfiltnisse (c = Cents; 8 = Dollar; B t u = British T h e r m a l U n i t ( = 0,252 kcal), gallon (brit.) = 4,54 1)

KLihlwasser [~lDesti[l~

t

SalzSotar pond" I tI a s n1~, !' F . wasser~ max 96~ T-~i " t a s j~ampfer n-ver- .J Temp ..... ~.......... Konzentr~- RLickf[UF) ...I Temp~'70~ ~Konzentrot Fig. 5. A r b e i t s s c h e m a des Solar pond-Verfahrens

Die notwendigen Investitionen je ma/Tag produzierten Wassers werden heute ftir die Membranverfahren, wie fiir die Flash-Destillation bei geeigneten Prodnktionsbedingungen auf etwa 700 DM gesch~itzt. Bei Flash-Destillationsanlagen, die mit Kraftstationen gekuppelt sind, ist der Preis des erzeugten Wassers yon der Gr6Be abh~ingig. Fig. 4 zeigt, welchen Fortschritt man hier erwartet. Bei Membranverfahren ist von Vergr6Berungsfaktoren kein solcher Vorteil zu erwarten. Der technische Fortschritt liegt insbesonderr in der

Erforschung und Verbesserung der Rohw~iSser und ihrer Aufbereitung, der Verkrustungsbek~impfung und in den W~irmeiibergangselementen. Beim Destillierverfahren und dem Membranverfahren sowie I bei der Elektrodialyse und der ,,Reverse Osmose" dfirfte sich eine Verbindung der irdischen Energiequellen IInit der Sonnenenergie gtinstig bemerkbar machen. I)er ,,Solar pond" ist ein kfinstlicher ,,stagnierender" Salzwasserteich, wie er z.B. in Siebenbiirgen bei Szova~a in der Natur vorkommt. Nahe dem Boden ist die Salzkonzen-

188

M . R . BLOCtt: Die Entsalzung des Meerwassers

tration h6her als an der Oberfl~iche und somit auch das spezifische Gewicht der L6sung. Die sichtbare Sonnenenergie durchdringt die L6sung und wird yon der dunklen Erde am Grund des Teiches absorbiert. Die tiefste L6sungsschicht, die dabei mit erw~trmt wird, kann wegen ihres hohen spezifischen Gewiehts nicht aufsteigen, wie das in einem gewShnlichen Wasserreservoire geschehen warde [7]. Sie kann ihre W~rme nur durch Diffusion, die an sich sehr ldein ist, abgeben, nicht aber durch Konvektion. So erreichte ein am Toten Meer gebauter ,,Sonnenteich" Temperaturen fiber 90 ~ und an seinem Boden betrug die Temperatur fiber Monate durchschnittlich 70 ~ Es scheint m6glich diese Art Teiche zur Vorw~irmung des im Flash-Verdampfer rezirkulierten Meereswassers zu verwenden [8]. Ferner haben wir vorgeschlagen, den ,, Sonnenteich" mit den Membranverfahren zu kuppeln. Pf./m 3 100 50-

101965

1970

1975

1980

1985

1990

Fig. 6. Entwicklungder Entsalzungskostenin Abhfingigkeitvonder Jahresproduktion Beide Membranverfahren sind ihrer Natur nach diffusionsbedingt und somit um so wirtschaftlicher, bei je h6herer Temperatur sie betrieben werden. Die Membranhaltbarkeit ist bis 70 ~ durchaus gegeben. Wir denken deshalb daran, das Rohwasser ffir Elektrodialyse und ,,Reverse Osmose" mit Sonnenenergie vorzuheizen und den Energiebedarf oder Membranfl~ichenbedarf ffir die gleiche Leistung um etwa 30 % herunterzusetzen, indem Rohwasser von etwa 60 ~ verwendet wird. Im Zusammenhang damit wird, so hoffen wir, auch ein Problem der Entsalzung von meerfernen brackigen Untergrundw~ssern der LSsung n/iher gebracht: Die Frage, was rut man mit den konzentrierten Abfallw~tssern, kann n~imlich im Landesinnern yon grol3er Bedeutung sein. Tats~tchlich mag es m6glich werden, durch eine Vorheizung des Rohwassers [91 die weitere Konzentration der Restlaugen so gfinstig zu Ienken, dab sogar mit der Herstellung yon Salz, das z.B. zur Enth~irtung yon Rohwasser in Ionenaustauschern brauchbar ist, begonnen werden kann.

Zukun]tsaussichten In diesem Jahrhundert sind die Investitionskosten ft~r die Tagestonne ,,kfinstlichen" Wassers von t000 DM auf 700 DM gefallen. Der Preis einer Tonne ,,ktinstliches" Wasser sank yon fiber 10 DM auf unter t DM. Wir k6nnen erwarten, dab far die Entsalzung yon Brackwasser in kleinem Mal3stab und far die Entsalzung yon Meerwasser im grol3en Mal3stab ein Preis yon t 5 Pf/m 3 in absehbarer Zukunft erreichbar ist. - Aber gibt es fiir das Produkt, fiir kt~nstliches Wasser, einen Markt ?

Naturwissenschaiten

Schiffe und isolierte Orte auf kleinen Meeresinseln oder in sonstigen unzug~inglichen Gebieten sind die traditionellen Kunden yon Destillationsanlagen und ffir sie ist der sich dauernd verbessernde Stand der Technik seit fast 300 Jahren 6konomisch. St~dte und Siedlungen, deren Bev61kerung sich durch Industrie und Handel ern~ihrt, die Trink- und Haushaltswasser brauchen, k6nnen seit etwa 20 Jahren mit genfigend billigem Wasser sowohl durch Destillationsanlagen, als auch durch Membrananlagen wirtschaftlich versorgt werden, falls sie an der Meereskfiste liegen oder falls sie im Untergrund bis einige hundert Meter fief brackiges Wasser in ausreiehender Menge finden. ,,Kfinstliches" Wasser kann dann mit ,,natfirlichem" Wasser konkurrieren, wenn dieses nicht n/iher als in etwa t 50 km Entfernung zur Verffigung steht. W/ihrend es ffir industrielle Zwecke meistens m6glich ist abzusch~tzen, wieviel ffir Wasser gezahlt werden kann, ist das ftir die Landwirtschaft schwieriger [t0]. Die Industrie sucht seit langem ihre Standorte nach Gesichtspunkten wie Absatzmarkt, Rohmaterialvorkommen und Transportm6glichkeiten aus. Wasser ist dabei nur ein Rohmaterial und kann, wenn die anderen Bedingungen gut sind, 6fter hohe Preise erzielen, beispielsweise bei der 01industrie in Wtistengegenden. In der Landwirtschaft bleibt das Wasser framer eine mengen- und qualit/itsm~13ig ausschlaggebende Komponente. Aride Gebiete sind infolgedessen zun~ichst ffir landwirtschaftliche Entwicklung recht ungeeignet. Die aride Wfiste ist nur fruchtbar, ist Oase, wo es ein yon regenreicheren Gegenden herstr6mendes Grund- oder Oberfl~iehenwasser erlaubt, die ftir die Wfiste charakteristischen, langen Sonnenscheinperioden auszunutzen; dann allerdings waren seit jeher paradiesische Gartenkulturen m6glich. Kfinstlich wurde in der Wfiste immer dann auf ,,teurein" Weg Wasser zur Bew~sserung herangebracht, wenn die Wfistenwege dem Transport zeitweise teurer Waren, wie Salz und Metallen dienen mul3ten. Dann sehen wir die Versorgung dieser Karawanen mit Frfichten, die unter Aufwand yon sorgf~iltiger Wassertechnik wirtschaftlich erzeugt, verbraucht und sogar exportiert werden konnten. Wenn eine Wtiste yon politischen Emigranten aufgesncht wird, weil sie scheinbar unfruchtbar ist und somit keinen effektiven Besitzer hat, dann ruht die Hoffnung fiir eine erfolgreiche Besiedlung in der Ausnutzung der sebeinbar minderwertigen Minerale, in der Konstanz des Klimas mit seinem scheinbaren ~lberflul3 an Sonneneinstrahlung, und dem Versuch der Herstellung besonders hochwertiger Produkte zur gfinstigsten Vermarktungszeit. Die Planbarkeit der Landwirtschaftsproduktion z.B. wird in den gem~il3igten Zonen durch die Ver~nderlichkeit des Wetters erheblich gest6rt; in der Wfiste ist das Wetter w~hrend eines grogen Teils des Jahres sehr konstant und kein natfirlicher Regen greift in den Ablauf der geplanten, bew~isserten Gartenproduktion ein; das, hoffe ich, wird es z.B. Konservenfabriken erm6glichen, besonders ffir Frostkonserven mit gr6Bter Ausnfitzung ihrer sehr teuren Anlagen ffir verschiedene Fruchtfolgen zu arbeiten. Die Verbindung yon Industrie und intensivster Landwirtschaft unter Verwendung von ,,kfinstlichem" Wasser stellt der Forschung wie auch der Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse auf die Praxis groge Aufgaben. Die L6sung dieser Aufgaben hat nur einen Sinn,

56..[g., He[t 4, 1969

F. HAUROWITZ: S t r u k t u r u n d W i r k u n g s w e i s e der A n t i k 6 r p e r

wenn die Produkte, die der Natur der Wiistenwirtschaft nach nur in sehr hoher Qualit~tt rationell erzeugt werden dtirfen, einen Markt haben. Solch ein Markt ftir Qualit~tsware existiert nur im hochzivilisierten Tell der Welt. Die Entwicklung der Wtistenzivilisation im atlgemeinen ist daher gebunden an die Existenz und die Erhaltung einer auf hohem intellektuellem, moralischen und materiellen Niveau konsumierenden und produzierenden Mensehheit. [1] NEBBIA, G., u. G. NEBBIA MENOZZI: A Short History of Water Desalination, in: Aequa dolce dal mare: I I inehiesta internazionale. F. A. S.T., Milano, t 966, p. 129--172; - - U n a polemica brevettistiea in Inghilterra alia fine del XVII secolo. Quaderni di Merceologia (Bologna) 6, (1), 23 ( 1967). - - [2] ZUCXERMANN, N. : Second European

189

Symposion on Freshwater from the Sea, Athens 1967. - - The Elath t.000.000 C.P.D. Destillation Plant Operating Experience. - [31 STREIFLER-SHAVlT, Y . E . : Desalination. "Teehnion" (Haifa) 1968 J a n u a r y . - [4] MATZ, R.: Fresh Water from the Sea. Proc. Int. Symp. Milano 1964. Desalination of Sea and Brakish water. 1965. - - [5] ZELINGHEa, N.: Electrodialysis Desalination Plants, Present Position; Report 58, Negev Institute for Arid Zone ReseareJa t967. - - E6] LOEB, S., and E. SELOVER: Sixteen Month of Field Experience on the Coalinga Pilot Plant. Desalination 2, 63 (t 967). - [7] WEINBERGER, H.: The Physics of the Solar Pond Solar Energy s, 45 (1964). - - [8] BLOCH, M. R., u. H. TABOR: Franz. Patent Nr. 1258509 (1959).~ [9] FO~GASS,Cm, u. R. MATZ: Theoretical and Practical Aspects of Scale Control in Electrodialysis Desalination Apparatus. Dechema Monograph 47 (1962). - - It 0! WIENER, A. : International Conference on Water for Peace. Comprehensive Sectoral Planning of Irrigated Agriculture in Developing Countries. 1967. Eingegangen am 21. November 1968

Struktur und Wirkungsweise der Antik~Jrper F E L I X HAUROWITZ ~r

Department of Chemistry, Indiana University, Bloomington, Indiana 47401, U. S. A.

Das Problem der Antik6rperstruktur, ihrer Bildung und ihrer Wirkung steht derzeit im Zentrum des Interesses der Biologen, Biochemiker, Geiletiker und Pathologen. Alltik6rper sind Proteine, die im Organismus yon Wirbeltieren nach der parenteralen Zufuhr yon Antigenen gebildet werden. Sie verhalten sich chemisch wie die Globuline des normalen Blutserums und werden daher Ms Immunglobuline bezeichnet. Wie alle Globuline werden die Immunglobuline durch Halbs~tttigung mit Ammoniumsulfat oder durch 18 % Natriumsulfat aus dem Serum ausgeschieden und k6nnen daher yon den leichter 16slichen Albuminen abgetrennt werden. Weitere Reinigung der Immunglobuline uild ihre Abtrennung yon anderen Globulinen erfolgt durch 1/8-S~ittigung mit Ammoniumsulfate, durch Zusatz yon t2% Natriumsulfat oder durch Chromatographic an DEAE-Zellulose. Elektrophoretisch verhalten sich die Immunglobuline wie die y-Globuline, d.h. Globuline deren anodische Wanderungsgeschwindigkeit sehr gering ist. Sie k6nnen daher durch Elektrophorese yon den c~- und fl-Globulinen abgetrennt werden.

Klassen und Allotypen der Immunglobuline Die Immunglobuline des normalen Blutserums sind ein Gemisch yon Immunglobulinen, die versehiedenen Klassen angeh6ren. Die Hauptmenge der Immunglobuline geh6rt zu der Ktasse, die als IgG oder yG bezeichnet wird. Das IgG-IVIolekt~I hat ein Molekulargewicht yon t 50000--160000; es besteht aus 4 Peptidketten, die durch Disulfidbrt~cken (-S-S-) aneinander gebunden sind, und kann durch die Formel der Fig. t dargestellt werden El, 2I. Das Molekulargewicht der H - K e t t e n ist ungef~ihr 54000, jenes der L-Ketten ungef~ihr 26000, entsprechend ungef~ihr 430 bzw. 2t5 * Vortrag, gehalten auf der Tagung Deutseher Naturforscher und ~rzte in Heidelberg am 9. 10. 1968.

Aminos~iure-Resten. Die H- und L-Ketten k6nnen voneinander nach Reduktion der Disulfidbrticken zu Sulfhydrylgruppen -SH und Alkylierung der SHGruppen getrennt werden. H

H s SS t #

._S%~ Fd

Fd /

S~ $ 2 ~ 2

9 9

~'$2

j

,~t

C 9 C 9 Fc

Fc

Fig. 1. Diagramm eines IgG-Antik6rpermolekiils. Das Molektil aus zwei schweren Peptidketten (H = heavy chains) und zwei leichten (L) Ketten. Sic sind durch Disulfid-Bindungen ($2) anei~ander gebunden. Die variablen Teile der Ketten sind dutch unterbrochene Linien dargestellt, die konstanten Teile dureh ausgezogene Linien. Die Fd und Fc-Teile der H-Ketten werden durch Einwirkung des Enzyms Papain voneinander getrelmt. Dabei bleiben die L-Ketten an die Fd-Ketten gebunden. Das Bruchstttck Fd + L wird Fab genannt. Die L-Ketten und die Fc-Ketten enthalten je zwei Schleifen ihrer Peptid-Ketten, die dttrch Disulfid-Bindungen zwisehen je zwei halben Cystin-Resten geschlossen werden. Wahrscheinli~ch enth~ilt auch die Fd-Kette je zwei derartige Schleifen

Neben den IgG-Immunglobulinen Iindet man irn normalen Blutserum kleinere Mengen yon anderen Klassen tier Immunglobuline, vor allem die Klassen !gM und IgA. Die ersteren sind Makroglobuline, deren Molekulargewicht etwa 800000 ist; sie sind wahrscheinlich Pentamere, die aus fiinf Untereinheiten vom Mglekulargewicht 160000 bestehen. Die IgA-Immunglobuline enthalten vermutlich zwei derartige Untereinheiten und haben ein Molekulargewicht von etwa 320000. Im