Photokatalyse in der Wasserwirtschaft

Eliminierung von biologisch schlecht abbaubaren Wasserinhaltsstoffen

  • Abb. 1: Bestrahlung einer Katalysatordispersion in einem Rundkolben. Die LEDs sind so auf einen wasserdurchströmten Kühlkörper angeordnet, sodass sich Reaktionsmischungen in Rundkolben aus Borosilikat- oder Quarzglas reproduzierbar bestrahlen lassen. So lassen sich Photoreaktionen und Photokatalysatorscreenings mit typischem Laborequipment durchführen.Abb. 1: Bestrahlung einer Katalysatordispersion in einem Rundkolben. Die LEDs sind so auf einen wasserdurchströmten Kühlkörper angeordnet, sodass sich Reaktionsmischungen in Rundkolben aus Borosilikat- oder Quarzglas reproduzierbar bestrahlen lassen. So lassen sich Photoreaktionen und Photokatalysatorscreenings mit typischem Laborequipment durchführen.
  • Abb. 1: Bestrahlung einer Katalysatordispersion in einem Rundkolben. Die LEDs sind so auf einen wasserdurchströmten Kühlkörper angeordnet, sodass sich Reaktionsmischungen in Rundkolben aus Borosilikat- oder Quarzglas reproduzierbar bestrahlen lassen. So lassen sich Photoreaktionen und Photokatalysatorscreenings mit typischem Laborequipment durchführen.
  • Figure 2 Versuchsstand zur Erprobung katalysatorbeschichteter Quarzstäbe, die als Lichtleiter funktionieren. UV Strahlung wird in den Stab eingekoppelt und regt den Katalysator an. Taucht man den Stab in eine wässrige Lösung organischer Moleküle, werden diese Abgebaut. Hier wurde Methylenblau als Modellsubstanz verwendet. Die Abbaurate bei jeweils gleichen Strahlungsflüssen ist ein Maß für die Beschichtungsgüte.
  • Figure 3 Modulares Photoreaktorsystem für Laborversuche. Durch die Verwendung hocheffizienter UV-LEDs gelingt der Betrieb im Niederspannungsbereich bei dennoch hohen Strahlungsflüssen. Die Strahlungsquelle ist wassergekühlt und befindet sich in einem Schutzschrank mit ausreichend Raum für individuelle Versuchsaufbauten.

Arzneimittelrückstände und Hormone in Abwässern und der steigende Bedarf an rückstandsfreiem Trinkwasser stellen Wasserbetriebe vor zunehmend neue Herausforderungen. Seit einigen Jahren ist die Einführung einer sogenannten vierten Reinigungsstufe in Kläranlagen im Gespräch und stellenweise bereits umgesetzt, da mithilfe der mechanisch-biologischen Verfahren gelöste organische Stoffe nur unzureichend entfernt werden.

Obligatorisch ist die vierte Stufe jedoch nicht, da die Grenzwerte derzeit noch hinreichend hoch sind, um sie mit dem aktuellen Stand der Technik einzuhalten. Zunehmendes Gesundheits- und Umweltbewusstsein der Bevölkerung und die stetige Weiterentwicklung derzeit noch junger Technologien können diesen Umstand jedoch in absehbarer Zeit ändern.

Halbleitermaterialien als Katalysatoren

Neben Adsorptions- und Ozonierungsverfahren bieten photochemische Verfahren Chancen zur Lösung des Problems. Hierbei wird werden geeignete Halbleitermaterialien, beispielsweise Titandioxid, mit UV-Strahlung aktiviert, sodass es zur Elektronen-Lochpaar-Trennung kommt und organische Moleküle, die sich auf der Oberfläche des Katalysators befinden, direkt durch die Löcher oder durch die entstehenden Radikale oxidiert werden.

Katalysatorscreenings im Labormaßstab

Der photokatalytische Abbau verläuft vergleichsweise schnell, wenn der Katalysator möglichst fein im Abwasser verteilt ist. Im Labormaßstab lassen sich diese Bedingungen einfach realisieren. Dazu wird nanoskaliges Titandioxid in wässrige Lösungen von Modellsubstanzen, wie Methylenblau oder Diclofenac, mittels Ultraschall dispergiert. Analytisch lassen sich deren Konzentrationen besonders einfach mittels UV/VIS-Spektroskopie bestimmen.

UV-LEDs als Strahlungsquellen

Entscheidend für die Reproduzierbarkeit ist vorrangig die Ausrichtung der Strahlungsquelle. Neben vorteilhaften Abstrahlcharakteristiken und immer längeren Lebensdauern haben die jüngsten Entwicklungen in der Beleuchtungstechnik zu immer günstigeren und effizienteren LEDs im UV Bereich geführt, sodass diese als besonders geeignete Strahlungsquellen für diesen Einsatzbereich angesehen werden.

Neben typischen Tauchrohrreaktoren, lassen sich hierbei auch externe Bestrahlungen typischer Laborgläser, beispielsweise von Rundkolben, realisieren.

Immobilisierte Katalysatoren

Während sich Katalysatordispersionen hervorragend für Katalysatorscreenings im Labormaßstab eignen, sind sie im technischen Maßstab kaum einsetzbar. Die Katalysatorpartikeln mit wenigen Nanometern Durchmesser sedimentieren so langsam, dass sie ohne den Einsatz leistungsstarker Zentrifugen ungehindert in die Umwelt gelangen. Die Auswirkungen von TiO2 Nanopartikeln auf die Umwelt sind zur Zeit noch ungeklärt und Gegenstand aktueller Forschungen.

Schneller Abbau trotz Immobilisierung

In technischen Anwendungen ist die Immobilisierung des Katalysators wünschenswert, jedoch werden deutlich geringere Abbauraten erreicht, wenn man katalysatorbeschichtete Oberflächen bestrahlt. Eine besonders effiziente Lösung, mit deren Hilfe sich ähnliche Reaktionsgeschwindigkeiten wie mit Katalysatordispersionen erreichen lassen, sind beschichtete Quarz-stablichtleiter. Diese können von unterschiedlicher Form sein. Je nach Anwendungsbereich kommen Faserbündel, Stäbe oder Platten als Lichtleiter zum Einsatz. Es wären allerdings auch ganz andere Geometrien, wie sie z.B. in strukturierten Packungen vorliegen, denkbar.

Quarzstablichtleiter

Die Funktionsweise soll am Beispiel eines stabförmigen Lichtleiters näher erläutert werden. Die UV-Strahlung wird zunächst in einen Quarzglasstab eingekoppelt. Dort breitet sie sich durch Totalreflexion innerhalb des Stabes aus. Während zur Datenübertragung eine besonders verlustarme Ausbreitung über weite Wegstrecken erwünscht ist, versucht man in Photoreaktoren eine kontrollierte Strahlungsauskopplung über die Seiten der Stäbe zu erreichen. Dies gelingt beispielsweise durch Oberflächenmodifikation oder indem die Stäbe mit Polymeren beschichtet werden, denen Streuadditive zugesetzt werden. Auch die Beschichtung der Stäbe mit dem Katalysator selbst zeigt den gewünschten Effekt.

Neues Wärmemanagement

Durch dieses Reaktorkonzept eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Neben dem Abbau organischer Schadstoffe können so organische Photosynthesereaktionen unter kontrolliert milden Bedingungen durchgeführt werden. Ebenfalls bieten sich Chancen in der Bioprozesstechnik zur Kultivierung phototropher Organismen. In allen Fällen ist hierzu allerdings ein sinnvolles Wärmemanagement notwendig, denn während durch die schmalbandige Strahlung und geringe Wärmeleitfähigkeit der Glasstäbe die Abwärme der LEDs nicht an die Reaktionsmischung herangetragen wird und dadurch effektiv Nebenreaktionen vermieden werden können, müssen die LEDs aktiv gekühlt werden.

Während in Laborversuchen normalerweise bekannte Stoffe, gelöst in vollentsalztem Wasser, abgebaut werden, hat man in der Praxis stets eine gewisse Wasserhärte zu erwarten. Die gelösten Ca2+ und Mg2+ Ionen. Durch das CO2, das beim Abbau organischer Stoffe entsteht, bilden sich carbonatische Verkrustungen auf der Katalysatoroberfläche, die den Reaktanden den Zugang zu den aktiven Zentren des Katalysators versperren. 

Zusammenfassung und Ausblick

LED Photoreaktoren bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Labor und Chancen in der technischen Anwendung. Der Technologiebedarf für Anwender wie Wasserbetriebe ist hoch. Durch interdisziplinäre Forschung in den Bereichen Photochemie, Optik, Bioverfahrenstechnik und Reaktionstechnik können zukunftsfähige Systeme entstehen und einen Beitrag zum Gesundheits- und Umweltschutz leisten. Dazu ist es wünschenswert, dass standardisierte und anwenderfreundliche Photoreaktorsysteme entstehen und das Thema Photoverfahrenstechnik an Hochschulen intensiver an zukünftige Wissenschaftler und Ingenieure herangetragen wird.

Autoren
Johannes Robert1, Volkmar Jordan1, Alex Voronov2, Alexander Peschl2

Zugehörigkeiten
1Fachhochschule Münster, Steinfurt, Deutschland
2Peschl Ultraviolet GmbH. Mainz, Deutschland

Kontakt 
Johannes Robert

Fachbereich Chemieingenieurwesen
FH Münster
Steinfurt, Deutschland
johannes.robert@fh-muenster.de

Kontaktieren

FH Münster
Stegerwaldstraße 39
48565 Steinfurt
Deutschland

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