Mit reaktiven Spezies Abwasser von Schad- und Spurenstoffen befreien

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

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Mit offenem Plasma Wasser reinigen

Ein weiterer neuer Ansatz ist die Anwendung eines Atmosphärendruckplasmas. Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, das neben Ionen und Elektronen auch chemische Radikale und elektronisch angeregte Teilchen sowie kurzwellige Strahlung enthält. Ein solches Plasma lässt sich durch ein elektromagnetisches Feld, beispielsweise durch Anlegen einer Hochspannung, zünden. Charakteristisch ist das Plasmaleuchten, welches in Leuchtstoffröhren zur Leuchtreklame genutzt wird. Technisch werden Plasmaverfahren seit langem zur gezielten Modifizierung und Reinigung von Oberflächen eingesetzt.

Im Plasmareaktor treten reaktiven Spezies direkt ins Abwasser über

Dieses Prinzip nutzen die Partner des von der EU geförderten Projekts Wasserplasma, bei dem ein Plasma für die oxidative Reinigung von Wasser eingesetzt wird. Ergebnis des Projekts ist ein Plasmareaktor, bei dem die im Plasma gebildeten reaktiven Spezies direkt in das mit Schadstoffen belastete Wasser übertreten können. Hierzu ist das Plasma offen: Es steht in direktem Kontakt zum Wasserfilm. Der Plasmareaktor ist so aufgebaut, dass zwischen einer geerdeten Elektrode in Form eines Edelstahlrohres im Inneren des Reaktors und einem Kupfernetz, welches die Funktion der Hochspannungselektrode übernimmt, durch Anlegen einer Hochspannung ein Plasma gezündet und aufrechterhalten wird. Das Kupfernetz ist auf einem Glaszylinder angebracht, der als dielektrische Barriere fungiert und gleichzeitig den Reaktor nach außen abschirmt. Im Innern des Edelstahlrohrs, dem Zentrum des Plasmareaktors, wird verunreinigtes Wasser nach oben gepumpt. Wenn das Wasser auf der Außenseite des Edelstahlrohrs herunterläuft, passiert es die Plasmazone zwischen Edelstahlrohr und Kupfernetz, in welcher die Schadstoffe oxidiert werden.

Methylenblau innerhalb kurzer Zeit entfärbt

In Laborversuchen konnten die Fraunhofer-Forscher zeigen, dass eine Lösung des Farbstoffs Methylenblau innerhalb nur weniger Minuten vollständig entfärbt wird. Auch Cyanid wurde innerhalb von nur 2 Minuten um 90 % effektiv abgebaut. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse wird das Verfahren momentan in einem größeren Maßstab erprobt. Bei einem Projektpartner steht ein Demonstrator, der für die Reinigung von 240 l kontaminiertem Wasser pro Stunde ausgelegt ist. Aufgrund dieser Ergebnisse sollen das Reaktordesign und die Prozessführung dann weiter optimiert werden, um das Verfahren mit weiteren Partnern aus der Industrie zur Marktreife bringen zu können. Das Potenzial ist groß, denn bei diesem offenen Plasmaverfahren gibt es keine Barriere zwischen dem Ort, wo die oxidativen Radikale entstehen (Plasma) und dem zu reinigenden Wasser.

Entfernung von Spurenstoffen mit selektiven Adsorberpartikeln

Schadstoffe können auch effektiv mit selektiven Adsorbern aus Abwasser entfernt werden. Eine solche Adsorptionsstufe eignet sich vor allem dann, wenn Schadstoffe stark verdünnt beziehungsweise nur gering konzentriert oder sehr spezifisch vorliegen. Sinnvoll ist ihr Einsatz auch, wenn ein Abwasserinhaltsstoff in biologischen Klärstufen zu toxischen Metaboliten abgebaut wird. Hier kann es sich lohnen, das Abwasser vorzubehandeln und den fraglichen Stoff vor der Einleitung in die Kläranlage selektiv zu entfernen.

Patentierter Nanocytes-Prozess

Hierzu hat das Fraunhofer IGB ein einstufiges und kosteneffizientes Verfahren für die Herstellung polymerer Adsorberpartikel entwickelt. In dem patentierten Nanocytes-Prozess werden funktionelle Monomere mit einem Vernetzer zu nanoskopisch kleinen Polymerkügelchen, sogenannten selektiven polymeren Adsorberpartikeln, umgesetzt. Die Selektivität der Adsorberpartikel kann noch erhöht werden, wenn dem Gemisch zusätzlich diejenigen Zielmoleküle zugefügt werden, die es aus dem Wasser zu entfernen gilt. Der Trick: Nach der Polymerisation der Monomere werden die Zielmoleküle wieder aus den Adsorberpartikeln entfernt. Dabei hinterlassen sie einen sogenannten Abdruck, der die entsprechenden Schadstoffe adsorbiert.

Die Fraunhofer-Forscher konnten so bereits Bisphenol A und Penicillin G selektiv aus Abwasser entfernen. Die Adsorberpartikel sind chemisch und thermisch stabil und können äußerst vielfältig eingesetzt werden, ob als Schicht in einer Kompositmembran oder als Matrix auf Füllkörpern. Eine Adsorptionskolonne steht am Fraunhofer IGB für Testzwecke zur Verfügung. Nach der Adsorption der Schadstoffe können die Adsorberpartikel regeneriert und wiederverwendet werden.

Systemlösungen für die Wasserversorgung und Wasseraufbereitung

Die neuen Wasserbehandlungsverfahren ergänzen das Portfolio des Fraunhofer IGB im Bereich der Wasserreinigung und Wasseraufbereitung. Neben weiteren Verfahren zur Wasseraufbereitung, zur Rückgewinnung von Abwasserinhaltsstoffen in Form von Energie und Düngesalzen ist auch die Optimierung von Kläranlagen sowie das System DEUS 21 zur semidezentralen Reinigung von häuslichem Abwasser zu nennen.

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