CatMemReac – CO₂-Reduktion in der Oxidation von Mikroverunreinigungen – energieintensive Prozesse ersetzt durch neue Sonnenlicht-basierte Prozesse

Herausforderung: Energieintensive Entfernung von Mikroschadstoffen

Vorsorglich und aufgrund neuer Grenzwerte für Mikroschadstoffe [1, 2] werden derzeit zahlreiche Kläranlagen um eine sogenannte vierte Reinigungsstufe erweitert. Dabei werden nach der mechanischen, biologischen und chemischen Behandlung die verbleibenden Reste von Medikamenten, Pestiziden oder Industriechemikalien entfernt. Die aktuell überwiegend eingesetzten Verfahren Ozonierung und Aktivkohleadsorption sind jedoch energieintensiv.

Lösung: Energieeffiziente Technologie für Spurenstoffabbau

Eine potenziell energieeffizientere Methode mit reduziertem CO₂-Fußabdruck stellt die Sonnenlicht-getriebene photokatalytische Schadstoffoxidation dar. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts CatMemReac wird daher in einer Zusammenarbeit der Fraunhofer-Institute IGB und ISI mit der Tel Aviv University, Israel, eine Wassertechnologie zur Entfernung von organischen Spurenstoffen oder Mikroverunreinigungen (OMPs) aus Wasser (Abwasser/Grundwasser) durch einen solar-photokatalytischen Membranreaktor (CatMemReac) weiterentwickelt und demonstriert.

Hybridsystem kombiniert Photokatalyse mit Membranfiltration

Bei CatMemReac handelt es sich um ein Hybridsystem, das die Photokatalyse mit einer vorgeschalteten Niederdruck-Membranfiltration in einem kompakten Design kombiniert. Der auf Photokatalyse basierende, erweiterte Oxidationsprozess (engl. Advanced Oxidation Process, AOP) wird durch Solar- und solarbetriebene Leuchtdioden (LEDs) katalysiert. So können schädliche Spurenstoffe wie das Arzneimittel Carbamazepin rückstandsfrei eliminiert werden.

Für den photokatalytischen Abbau werden neuartige Materialien, etwa heterogene Nanokatalysatoren und Metallschäume mit niedrigen Lebenszykluskosten, in ökoeffizienten Prozessen mit geringem Energiebedarf eingesetzt, um den CO₂-Fußabdruck herkömmlicher Wasseraufbereitungsprozesse zu verringern.

Untersuchung des photokatalytischen Abbaus

Derzeit werden am Fraunhofer IGB Reaktoren mit Hochleistungs-LED-Arrays und Titandioxid-beschichteten Nickelschäumen zum photokatalytischen Abbau von Schadstoffen getestet. Am IGB wurden bereits neue, maßgeschneiderte Photoreaktoren designt und reaktionstechnisch charakterisiert, um Zugang zu dimensionslosen Prozesskennzahlen zu erhalten. Auf dieser Basis lässt sich die Leistungsfähigkeit verschiedener Systeme bereits im Labormaßstab objektiv vergleichen, sodass ein optimiertes Konzept für das Scale-up identifiziert werden kann.

Messung der Reinigungsleistung mittels Aktinometrie und Bestimmung des Oxidationspotenzials

Notwendige Werkzeuge zum Verständnis und zur systematischen Optimierung von photokatalytischen Prozessen sind die Aktinometrie und die Bestimmung des Oxidationspotenzials durch freie Radikale. Die experimentelle Konzeption und Durchführung dieser Messungen werden am IGB vorgenommen. Mit den Kenngrößen externe photonische Effizienz und Quantenausbeute lässt sich die maximal mögliche Reinigungsleistung modellieren.

Die Aktinometrie ist ein chemisches Messverfahren, um den im Reaktionsvolumen zur Verfügung stehenden Photonenstrom wellenlängenaufgelöst zu bestimmen. [3] Damit lassen sich Kinetiken aufstellen, Katalysatoren mit höherer Effizienz auswählen und Prozesssimulationen zur Optimierung durchführen. [4, 5]

Die Bestimmung des Oxidationspotenzials durch freie Radikale quantifiziert den nächsten Schritt im Reinigungsprozess, indem die Konzentration an Radikalen gemessen wird, die die Molekülstruktur der Spurenstoffe angreifen und zerstören können. Gemeinsam mit der Aktinometrie können so Effizienzsenken gefunden und beseitigt werden.

Demonstration und Bewertung auf einer Kläranlage in Israel

Im Projekt CatMemReac wurde die photochemische Reaktorcharakterisierung im Labormaßstab erfolgreich abgeschlossen. Als nächster Schritt erfolgt Anfang 2023 der Bau einer Demonstratoranlage im Pilotmaßstab für den Einsatz in einer Kläranlage vor Ort in Israel.

Mit den erhobenen Experimentaldaten aus dieser Realanwendung wird eine Lebenszyklusanalyse mit Fokus auf die CO₂-Bilanz durchgeführt. Aus dieser lässt sich unmittelbar ableiten, in welchem Umfang bei einer Implementierung der photokatalytischen Abwasserreinigung als vierte Reinigungsstufe Treibhausgasemissionen gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden können.

Parallel zum Bau des Demonstrators werden weitere Einflussparameter für die Behandlungseffizienz untersucht. Dazu gehören der Einfluss der Porengröße des Nickelschaums, die Bestrahlungszeit und -intensität im Reaktionsraum und die Abbaueffizienz in Abhängigkeit von der Wasser- und Spurenstoffmatrix.

Unser Ansatz – Alleinstellungsmerkmal

Zu den innovativen und einzigartigen Aspekten dieses neuen Ansatzes gehören:

• Abbau von OMPs durch den Einsatz von solar-katalytischen Membranen, die den Energiebedarf minimieren und einer ökoeffizienten Prozessführung für die Membranreinigung und die Wiederverwendung des Abwassers folgen
• Entwicklung und Anwendung eines neuen Instruments zur Bewertung des Kohlenstoff-Fußabdrucks über den Lebenszyklus neuer Wasseraufbereitungstechnologien in frühen Stadien der technologischen Entwicklung

Testbehandlung von Kundenabwässern

Die Energieeffizienz bei der Reinigung von Abwasser ist nicht nur für kommunale Kläranlagen von elementarer Bedeutung bezüglich der Wirtschaftlichkeit, sondern für alle Unternehmen, in denen schadstoffbelastete Wässer anfallen.

Bei der Entscheidung für die richtige Technologie, die zu den individuellen Kundenbedürfnissen passt, kann das IGB technologie- und firmenunabhängige Beratung anbieten. Energiebedarf, Behandlungszeit und Methodeneffizienz können in Laborversuchen mit Kundenabwässern bewertet werden, um eine Empfehlung zum geeigneten Behandlungsverfahren abzuleiten. Weiterhin bietet das IGB die Bestimmung des Oxidationspotenzials und des verfügbaren Photonenstroms in einer Anlage als Servicemessungen an.