PECSA: Entwicklung eines photoelektrochemischen Verfahrens zur Spurenstoffeliminierung in der Abwasserreinigung mit einer integrierten 200%-Elektrolysezelle

Motivation

Durch technologische Fortschritte in der Analytik konnten über 1.000 anthropogen verursachte Spurenstoffe in unserem Trinkwasserkreislauf nachgewiesen werden. Die hohe Anzahl dieser Mikroverunreinigungen resultiert daraus, dass in den ersten drei mechanisch-biologischen Reinigungsstufen von kommunalen Kläranlagen zahlreiche organische Spurenstoffe im Regelfall nur unvollständig abgebaut werden. Über die Einleitung belasteter Abwässer in den Wasserkreislauf gelangen diese Chemikalien dann in unser Trinkwasser, wodurch das gesellschaftliche und wirtschaftliche Interesse an neuen Verfahren für die Abwasseraufbereitung, vor allem für die Einführung einer vierten Reinigungsstufe stark zugenommen hat. Als vierte Reinigungsstufe für die Entfernung der Mikroverunreinigungen aus dem Wasserkreiskauf eignen sich z.B. Adsorptionsverfahren mit Aktivkohle oder der chemische Abbau mit den so genannten erweiterten Oxidationsverfahren (AOPs, engl.: Advanced Oxidation Processes). Ein vielversprechendes AOP-Verfahren ist die Abwasserbehandlung in einer Elektrolysezelle, die wegen des vergleichsweise hohen Energieeinsatzes bisher noch nicht in den technischen Einsatz gelangt ist. Die Schadstoffeliminierung erfolgt dabei mit reaktiven Sauerstoffspezies (ROS, engl.: Reactive Oxygen Species), die in situ an einer Bor-dotierten Diamantelektrode (BDD) und einer Gasdiffusionselektrode (GDE) erzeugt werden. Eine Herausforderung für die Elektrolyse sind zudem die sehr geringen Konzentrationen der Spurenstoffe, da diese zu einem sehr hohen spezifischen Energieverbrauch und einer schlechten Stromeffizienz führten. Dieses Problem kann jedoch mit der Nutzung eines photoelektrochemischen Prozesses gelöst werden, da ein solches System durch die Nutzung von Solarenergie energiesparender betrieben werden kann und somit Energie- und Verfahrenskosten im Vergleich zur klassischen Elektrolyse einspart. Die Eliminierung der organischen Spurenstoffe basiert dabei ebenfalls auf der Oxidation mit reaktiven Sauerstoffspezies (u.a. Hydroxylradikale, H₂O₂). Entscheidend bei der Wasseraufreinigung mit AOPs ist, dass der Abbau der Spurenstoffe vollständig (Mineralisierung) abläuft und keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen, die möglicherweise noch schädlicher sind als das Ausgangsmolekül. Die innovative Idee dieses Projektes ist es die Sonnenenergie direkt und ohne Zwischenstufen in chemische Energie umzuwandeln und damit Schadstoffe im Abwasser abzubauen. Durch die Nutzung des Sonnenlichts als Energiequelle sollen die Kosten der Abwassereinigung (für die vierte Reinigungsstufe) gesenkt und die CO2-Emission reduziert werden.

Abbildung 1. Aufbau und Funktionsweise der geplanten photoelektrochemischen Reaktionszelle.

Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF22046 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V. wird über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.