Sauberes (Trink)-Wasser ist eine unabdingbare Lebensnotwendigkeit für eine nachhaltige Entwicklung unserer Industriegesellschaft. Der weltweite Bedarf an sauberem Wasser wird durch Bevölkerungs- und industrielles Wachstum steigen, während die Wasserverfügbarkeit durch Klimawandel, übermäßige Nutzung von Grundwasserreserven und Ausbreitung von ariden und semi-ariden Regionen sinkt. Die Bereitstellung von sauberem Wasser wurde deshalb als ein dringendes Handlungsfeld für die nächsten Jahrzehnte identifiziert. Im Rahmen des Projektes soll die Entfernbarkeit von Wirkstoffen, welche immer häufiger in Abwässern, insbesondere in dem von Krankenhäusern oder Altenheimen auftreten, untersucht werden. Weiterhin soll die in industriellen Abwässern häufig auftretende, schwer entfernbare Substanzklasse der aliphatischen Verbindungen beispielhaft untersucht werden. Dazu soll parallel in einer Elektrolysezelle Ozon und Wasserstoffperoxid oder alternativ Wasserstoffperoxid und OH-Radikale hergestellt werden. Dabei wird Wasserstoffperoxid elektrochemisch mit einer Gasdiffusionselektrode (GDE) aus Sauerstoff hergestellt und OH-Radikale bzw. Ozon mittels einer Bor-dotierten Diamantelektrode (BDD) durch Elektrolyse des Wassers. Die Kombination aus Wasserstoffperoxid und OH-Radikalen stellt eine neue und besonders effektive Kombination zur Behandlung von Abwasser dar, weil dabei sowohl an der Anode (*OH-Radikale) wie auch an der Kathode (H2O2) starke Oxidationsmittel entstehen.
Die Reinhaltung sowie ein ressourcenschonender Umgang mit natürlichen Gewässer sind die Grundpfeiler einer nachhaltigen Wasserwirtschaft. Schwer abbaubare Organik in aufbereitetem Abwasser stellt eine große Herausforderung für ein umweltfreundliches Wassermanagement dar. Die Wiederverwendung von Prozesswasser in industriellen Wasserkreisläufen erfordert eine Entfernung störender Rückstände. In kommunalen Kläranlagen werden schwerabbaubare organische Rückstände, z.B. Pharmaka, nur unzureichend eliminiert und in die aquatische Umwelt eingeleitet. In dem BMBF geförderten Verbundprojekt RADAR wird die persistente Organik mittels OH-Radikalen weitgehend mineralisiert. Das elektrochemische Modul zur Erzeugung der OH-Radikale besteht aus einer neuartigen Elektrodenkombination von bordotierter Diamantelektrode und Gasdiffusionselektrode. An beiden Elektroden werden sehr reaktive Spezies erzeugt und können so dem Abwasser zur Oxidation hinzugegeben werden. Auf diese Weise werden die elektrochemische Ausbeute und die Effizienz der Abwasserbehandlung erhöht. Gegenstand der Untersuchung ist es ein skalierbares Design für das elektrochemische Modul zu entwerfen. Vorab werden im Labormaßstab die Eigenschaften der einzelnen Elektroden untersucht, um den gemeinsamen Betrieb eng aufeinander abzustimmen. Zudem wird der Abbau von persistenten Modellmolekülen im Hinblick auf hohe Abbauraten und Stromausbeuten sowie Oxidationsnebenprodukten untersucht.
In den biologischen Reinigungsstufen kommunaler Kläranlagen können zahlreiche aromatische und kurzkettige aliphatische Verbindungen aufgrund ihrer hohen Stabilität im Regelfall nicht oder nur sehr eingeschränkt abgebaut werden. Solche schwer abbaubaren Verbindungen sind beispielsweise Pharmaka, Pflanzenschutzmittel und Insektizide. Hinzu können gesundheitsschädliche Keime kommen, wenn das Abwasser aus Krankenhäusern stammt. In diesem Projekt soll parallel in einer Elektrolysezelle Ozon und Wasserstoffperoxid (Reaktorkonzept 1) oder alternativ Wasserstoffperoxid und OH-Radikale (Reaktorkonzept 2) hergestellt werden. Dabei wird Wasserstoffperoxid elektrochemisch mit einer Gasdiffusionselektrode (GDE) aus Sauerstoff hergestellt und OH-Radikale bzw. Ozon mittels einer Bor-dotierten Diamantelektrode (BDD) durch Elektrolyse des Wassers. Die Kombination aus Wasserstoffperoxid und OH-Radikalen stellt eine neue und besonders effektive Kombination zur Behandlung von Abwasser dar. In diesem Reaktorkonzept wird die eingesetzte Energie maximal genutzt, da nutzbare Oxidationsmittel an beiden Elektroden gebildet werden (sog. 200%-Zelle). Ziel dieses Projektes ist es, erstmals dieses effektive Abwasserbehandlungskonzept in einer skalierbaren Form bis zu einem industrierelevanten Labormaßstab umzusetzen
Das Ziel von RADAR ist die innovative Kombination einer Diamantelektrode mit einer Gasdiffusionselektrode in einer neuartigen Elektrolyse-Zelle, um diese beiden Elektrodentypen erstmals für eine effektive Abwasserbehandlung zu untersuchen und in einer skalierbaren Form bis zu einem industrierelevanten Demonstrationsmaßstab umzusetzen. Dazu sollen zwei verschiedene Reaktorkonzepte auf Laborebene realisiert und ihre Eignung für verschiedene Abwassertypen bewertet werden.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Gegenstand des Projektes ist die Entfernung von komplexen Phosphorverbindungen wie Phosphonaten, Phosphinaten, Phosphiten, etc. aus industriellen Prozessabwässern bei gleichzeitiger Phosphorrückgewinnung durch den Einsatz von bordotierten Diamantelektroden und geeigneten Fällungs- oder Adsorptionsmitteln. Diamantelektroden sind im Gegensatz zu anderen Elektroden für die Erzeugung stark oxidativer Spezies (OH-Radikale) bekannt und bereits im Bereich der Abwasserbehandlung zur Entfernung organischer Schadstoffe bzw. zur Reduzierung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) großtechnisch im Einsatz. Mit diesem Verfahren sollen: - Abwässer aus industriellen Prozessen besser rezykliert werden. - der übermäßige Eintrag von Phosphor in die Umwelt weiter reduziert werde. - die kritische Ressource Phosphor durch Rückgewinnung geschont werden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Im ersten Arbeitspaket sollten ausgewählte Prozesswässer aus der Industrie auf ihre Eignung zur Phosphorrückgewinnung bzw. zur Aufreinigung hinsichtlich einer Rezyklierung untersucht werden. Im Vorfeld wurden dazu zwei assoziierte Partner gefunden, die das Vorhaben mit Proben unterstützt haben. Dies war die Firma Mitsubishi Hitachi Powersystems GmbH (MHPS) und die Firma Clariant Deutschland GmbH. Die zur Verfügung gestellten Proben wurden daraufhin qualitativ und quantitativ untersucht. In einem zweiten Arbeitspaket war nachzuweisen, dass der elektrochemische Abbau grundsätzlich funktioniert. Darüber hinaus sollte der elektrochemische Abbauprozess durch die Auswahl verschiedener Elektroden wie massive Platten, Streckplatten sowie einer Durchflusszelle optimiert werden. Nachdem 'proof of principle', dass der elektrochemische Abbau funktioniert, sollte die Vorgehensweise in Arbeitspaket 3 optimiert werden. Insbesondere die hohen Salzkonzentrationen können, aufgrund von möglichen Ausfällungen, den Betrieb der Durchflusszelle stören. Daher wurde der Einsatz einer Membranfiltration untersucht, um die Salzkonzentration während des Abbaus zu minimieren. Im Arbeitspaket 4 wurden die Möglichkeiten zur Ausfällung und Abtrennung des durch den elektrochemischen Abbau entstandenen Orthophosphats untersucht. Schließlich wurde eine Betrachtung der relevanten Stoffströme vorgenommen, um die Einspar- bzw. Rückgewinnungspotenziale zu bewerten. Auf dieser Basis sollte ein erstes Konzept für eine mögliche Pilotanlage zur Behandlung eines Teilstroms in Einsatzumgebung erstellt werden.
Im Rahmen des Verbundprojektes soll die elektrochemische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen realisiert werden, die bisher kaum als Quelle von aromatischen Feinchemikalien genutzt werden konnten. Die Methode soll an der Konversion von Lignin demonstriert werden. Die elektrochemische Umsetzung wird eine nachhaltige Quelle für aromatische Aldehyde darstellen, die als Feinchemikalien meist aus petrochemischen Vorstufen gewonnen werden müssen. Da das Lignin als nachwachsender Rohstoff eine komplexe molekulare Architektur aufweist, wird die Umwandlung in Benzaldehydderivate nur zum Teil gelingen. Die verbleibenden Rückstände sollten aufgrund der veränderten Molekülstruktur und neu eingeführten funktionellen Gruppen ein begehrtes Material für Kompositanwendungen sein. Zentrales Element dieses elektrochem. Vorhabens ist die Verwendung von Bor-dotierten Diamantelektroden, die einen gezielten elektrochemischen Abbau des nachwachsenden Rohstoffes bewirken können. Neben Entwicklungen zu Mediatorsystemen, werden spezielle Elektroden- und Zellengeometrien notwendig sein. Das TV beschäftigt sich zunächst mit der Etablierung geeigneter Elektrolysebedingungen, um eine Penetration der elektrochemisch-generierten Oxidationsäquivalente in das Lignin zu ermöglichen. Hierzu werden eine Reihe von Mediatoren und Elektrolytsysteme in Kombination mit BDD-Elektroden gescreent. Ein weiterer Aspekt ist die Isolierung der gewünschten Abbauprodukte, der aromatischen Aldehyde. Hier werden verschiedenste Technologien zum Einsatz kommen, um die oxidationslabilen Produkte effizient aus der Reaktionsmischung abzutrennen. Die so erhaltenen Randbedingungen werden für den Bau einer opt. Laborzelle genutzt, die kontinuierlich arbeiten wird. Das erarbeitete Wissen wird auf unterschiedliche Lignine angewandt um unterschiedliche Aldedyhde zu gewinnen. Testversuche mit anderen nachwachsenden Rohstoffen sind ebenfalls geplant.
Im Verbundvorhaben RISK-IDENT werden gewässerrelevante anthropogene Spurenstoffe identifiziert und nachgewiesen sowie untersucht, inwieweit sie ein Risiko darstellen. Ziel ist es, eine öffentlich zugängliche Datenbank potentiell gewässerrelevanter Substanzen zu schaffen. Die darin enthaltenen Stoffdaten und analytischen Daten sollen es möglich machen, bisher nicht erkannte Spurenstoffe zu identifizieren. Am Beispiel ausgewählter, als relevant ermittelter Spurenstoffe werden Stoffeigenschaften wie Abbaubarkeit, Mobilität und Ökotoxizität erhoben. Als Grundlage für das Risikomanagement werden die Informationen zielgruppengerecht aufbereitet und in vorhandene Internetplattformen integriert. Das Bayerische Landesamt für Umwelt koordiniert das Gesamtprojekt und erfasst REACH-Registrierungsdaten für die geplante Datenbank STOFF-IDENT. Das Verhalten von relevanten Spurenstoffen und ihrer Abbauprodukte während der Abwasserreinigung (biologisch plus Aktivkohle/Diamantelektrode als 4. Reinigungsstufe) wird in Laborkläranlagen und im Feld getestet. Die Mobilität ausgewählter Stoffe wird mit Aquifersäulen und im Feld ermittelt; fehlende ökotoxikologische Wirkungen werden mit standardisierten Methoden ergänzt. Die versuchsbegleitende Analytik für diese Arbeitspakete erfolgt mittels LC-MS/MS (target-Analytik). Der Wissenstransfer an die Zielgruppen Kommunen, Bürger und Wirtschaft wird auf der Basis etablierter Internetangebote organisiert.
Ziel des Vorhabens ist die Mitwirkung an der Entwicklung eines übergreifenden Systems zur Identifizierung, Nachweis und Risikoanalyse gewässerrelevanter, anthropogener Spurenstoffe. Wesentliches Ergebnis ist die Schaffung einer öffentlich zugänglichen Datenbank, die mit ihren Stoffdaten und analytischen Daten die Identifizierung bisher nicht erkannter Spurenstoffe ermöglicht. CONDIAS entwickelt und optimiert ein Verfahren zur effizienten, aber gleichzeitig energiesparenden Elimination von Spurenstoffen in der Abwasserreinigung. Die Charakterisierung dieser potentiellen 4. Klärstufe umfasst neben der Effizienzermittlung auch die Erfassung potentiell ökotoxikologischer Risiken in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern. Eine Evaluierung dieses Verfahrens erfolgt in einem Pilotbetrieb. CONDIAS entwickelt eine elektrochemische Technologie auf Basis von Diamantelektroden für den Einsatz in Kläranlagen als 4. Klärstufe. In diesem Verfahren werden durch elektrochemische Wasserspaltung an den Diamantelektroden extrem reaktive Hydroxylradikale kontrolliert erzeugt, die Wasserinhaltsstoffe unselektiv und schnell oxidieren bzw. eliminieren. Aufgrund der niedrigen Konzentration der Spurenstoffe kommt den Transportmechanismen von Spurenstoffen und Oxidationsmitteln und damit der Hydrodynamik in der Elektrolysezelle eine besondere Bedeutung zu. Neben der Materialentwicklung und -optimierung erarbeitet CONDIAS auch eine angepasste Elektrolysezelle für den Einsatz als 4. Klärstufe.
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