Entwicklung und Einsatz katalytisch aktiver, poröser keramischer Membranen zur reduktiven Dehalogenierung aliphatischer und aromatischer, chlorierter Kohlenwasserstoffe in Wasser

Projektziel

Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) werden auch heute noch in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. Sie dienen z.B. als Metallentfettungs- und Reinigungsmittel, als Extraktionsmittel und als Insektizide, Pestizide oder Herbizide. Auf Grund Ihrer schlechten biologischen Abbaubarkeit haben CKW eine hohe Aufenthaltsdauer in Luft, Boden und Wasser, aber auch im Gewebe, d.h. sie weisen eine hohe Persistenz auf. Diese Verbindungen sind ausgesprochen giftig und können beim Menschen zu Hirn- und Leberschäden führen.

Die heutigen Verfahren zur Dekontamination belasteter Böden oder Abwässer sind jedoch in der Regel recht aufwendig. Im Rahmen dieses Projektes soll daher untersucht werden, ob die katalytisch aktiven, porösen keramischen Palladium-Membranen, deren hohes Potential bereits im Fall der Nitratreduktion aufgezeigt werden konnte, für die reduktive Dehalogenierung in Wasser vorteilhaft eingesetzt werden können. In einem weiteren Schritt soll die Frage beantwortet werden, ob der Einsatz dieser Membranen die Gestaltung eines besonders einfachen Verfahrens erlaubt, welches kostengünstig, umwelt- und ressourcenschonend ist und bei niedrigen Temperaturen arbeitet.

Arbeitsplan

Die in unserer Arbeitsgruppe erarbeitete Methode zur Herstellung der katalytisch aktiven Membranen mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapor deposition) soll im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit weiter verbessert werden. Zudem sollen als Träger keramische Membranen, mit Aktivkohle beschichtete Membranen und Kohlenstoffmembranen eingesetzt werden. Parallel zu den mit Palladium beschichteten Membranen, dem für die Dehalogenierung katalytisch aktivsten Metall, sollen auch Membranen mit bimetallischen Schichten (z.B. Pd-Sn) hergestellt, charakterisiert und im Hinblick auf das katalytische Verhalten für die reduktive Dehalogenierung der CKW untersucht werden.

Die Untersuchungen sollen anfangs an Einzelrohrmembranen in deionisiertem Wasser in einem Laborreaktor durchgeführt werden, d.h. unter idealisierten Bedingungen. Die hierbei im Hinblick auf die katalytische Aktivität vielversprechendste Konfiguration (Membranträger/Beschichtung) soll für den Aufbau eines Membranmoduls benutzt werden, mit welchen Untersuchungen über längere Zeiträume (Wochen) im Durchflussbetrieb geplant sind. Dem bei diesen Experimenten verwendeten Grundwasser bzw. Leitungswasser sollen bestimmte Störkomponenten, wie z.B. Sulfid oder Sulfit, zugesetzt werden, wodurch insbesondere Erkenntnisse im Hinblick auf die Deaktivierung der Katalysatorpartikel im praktischen Einsatz gewonnen werden sollen. Begleitend zu allen praktischen Untersuchungen ist die Modellierung von Stofftransport und Reaktion in der katalytischen Membran zwecks der Unterstützung einer weiteren Verfahrensentwicklung geplant.

Ergebnisse

Erste Messungen zur reduktiven Dehalogenierung von Chloroform an einer a-Al₂O₃-Membran haben gezeigt, dass in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ein nahezu vollständiger Abbau des Chloroforms (30 mg/l) innerhalb von etwa 1500 Minuten (Betrieb als katalytischer Diffusor) oder bereits nach ca. 500 Minuten (Betrieb unter Durchfluss) zu erwarten ist. Während der Reaktion konnte zudem ein deutlicher Anstieg der Methankonzentration in der Gasphase über der Lösung sowie der Chloridkonzentration in der wässrigen Phase beobachtet werden.

Das IGF-Vorhaben Nr. 13603 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.