Energieeffiziente erweiterte Oxidation zur Elimination organischer Substanzen aus Abwasser mittels plasmonisch verstärkter Photokatalyse

Schon jetzt übersteigt die Wasserverbrauchsmenge in Beijing, China, die regional vorhandenen Wasserressourcen. Durch rasch steigende Einwohnerzahlen und einhergehende intensivierte Nutzung ist eine Verschärfung der Wasserverknappung in Beijing sowie in vielen anderen Megacitys in den nächsten Jahren abzusehen. Eine langfristige und nachhaltige Lösung für dieses Problem stellt die Wasserwiederverwendung von weitergehend behandeltem Abwasser dar. Bisherige technische Ansätze zeichnen sich durch einen hohen Betriebsmittel- und/oder Energiebedarf aus, welcher durch die PEPcat-Technologie verringert wird.

Abwasserreinigung mit Sonnenlicht in Aachen und Beijing?

Zielsetzung von PEPcat ist die Entwicklung eines energie- und ressourceneffizienten Verfahrens zur Nachbehandlung von konventionellen Kläranlagen-abläufen, welches nicht nur das ökotoxikologische und humantoxische Potenzial reduziert, sondern auch eine Wiederverwendung des Wassers ermöglichen kann.

Die in diesem Projekt entwickelte oxidative Ablaufbehandlung basiert auf der Erzeugung hochreaktiver Hydroxylradikale direkt im Wasser, die zur Zerstörung umweltrelevanter Abwasser-inhaltsstoffe genutzt werden können. Diese sind dabei deutlich reaktiver als z. B. Chlor und werden zudem in Sekundenbruchteilen verbraucht, sodass entgegen anderer Verfahren keine Chemikalien im Wasser verbleiben. Die Erzeugung dieser Hydroxylradikale mit Hilfe von energiereichem UV-Licht unter Nutzung von Titandioxid als Katalysator ist bereits gut erforscht. Der innovative Ansatz besteht hier in der Kombination dieses Prozesses mit dem sogenannten plasmonischen Effekt, der die Katalysatorwirkung des Titandioxids auch mit sichtbarem Licht ermöglicht und somit z. B. die Nutzung der Sonne als Lichtquelle zulässt bzw. bei Nutzung von künstlichen Bestrahlungsquellen eine deutlich höhere Effizienz durch Ausnutzung eines höheren Wellenlängenbereichs ermöglicht.

Diese Technologie wird direkt in ein lokales Konzept zur Abwasserwiederverwendung integriert, um den Nutzen für die Zielregion Beijing darzustellen und zu bewerten.
Das Projekt ist mit dem chinesischen Mega-Wasser-Projekt „Erforschung und Demonstration von Schlüsseltechnologien für zukünftige Kläranlagen“ verknüpft.

Prozessoptimierung im Labormaßstab und anschließende Anlagenentwicklung und -bau

Folgende Arbeitsschritte finden zu Beginn des Projekts in Deutschland statt:

• Untersuchung der Reinigungsleistung für organische Kohlenstoffverbindungen
• Entwicklung von Prozessverständnis durch umfangreiche Untersuchungen verschiedener Einflussfaktoren
• Optimierung des Katalysators und der Reaktorgeometrie

Nach der Entwicklung einer nanostrukturierten Beschichtung zur plasmonisch verstärkten Photokatalyse findet ein Up-scaling der Technologie zur industriellen Fertigung statt.

Im weiteren Verlauf des Projekts wird die in Deutschland entwickelte Pilotanlage auf der Kläranlage Dongba in China integriert. 

Einjähriger Testbetrieb einer Pilotanlage in China

Im Laufe des einjährigen Testbetriebs werden folgende Schwerpunkte berücksichtigt:

• Überprüfung der Funktion unter Realbedingungen
• Vergleich Solar/PEPcat und UV/PEPcat
• Betrachtung von Energiebedarf und Betriebsmittelkosten zur Erreichung definierter Reinigungsziele, Aufenthaltszeit in Abhängigkeiten der Randbedingungen sowie Abhängigkeiten von klimatischen Bedingungen.
• Aussage zur Langzeitstabilität der Katalysatoren
• Untersuchungen der Technologie auf ihr ökotoxikologisches Potential

Das Verbundvorhaben PEPcat bietet mehrere Facetten zur Nutzung von Nachhaltigkeitspotenzialen. So dienen die beabsichtigte Minderung der Einträge von oxidierbaren Stoffen aus Kläranlagen sowie die mögliche Wasserwiederverwendung durch eine hocheffiziente Reinigungsleistung dem nachhaltigen Gewässerschutz in China. Es ist zu erwarten, dass die Katalysator-Platten des Reaktors eine nahezu vollständige mechanische Beständigkeit und einen selbst-reinigenden Effekt aufweisen, wodurch die Langlebigkeit gegeben ist. Eine Quantifizierung dieser Nachhaltigkeitspotenziale sowie der Übertragbarkeit auf andere chinesische Metropolregionen kann zum Abschluss des Projekts erfolgen.