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Ammoniakelektrosynthese in einer Flußzelle mit Palladiummembran

Düngemittelgranulat

Ammoniak (NH₃), ein entscheidender Rohstoff für die Düngemittelproduktion und ein potenzieller erneuerbarer, kohlenstoffreier Energiespeicher. Seine Produktion findet über das Haber-Bosch-Verfahren mithilfe von Erdgas (CH4) statt. Dabei wird Erdgas durch Dampfreformierung in Wasserstoff (H₂) und CO₂ umgewandelt. Das Haber-Bosch-Verfahren ist für etwa 1-3% der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich. Das Verfahren benötigt stabile Energieversorgung und kapitalintensive Anlagen. Dadurch ist die Ammoniakproduktion stark zentralisiert. Alternative elektrochemischen Wege zur Ammoniakproduktion stellen dagegen eine nachhaltige und dezentralisierte Lösungen dar.

Elektrochemische Ammoniakproduktion ist kein neues Verfahren und basiert auf Wasserstoffelektrolyse. Wasserstoff wird dann in einem weiteren Schritt zur katalytischen Stickstoffreduktion benutzt. Experimentell wurden dafür Lithium und Kalzium verwendet. Neben anderen elektrochemischen Zellen wurde Ammoniak in kontinuierlichen Flußzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 76% hergestellt. Eine stabile Ammoniakproduktion in Flußzellen erfordert jedoch trockenen und gereinigten Wasserstoff.

Das primäre Problem mit ungetrocknetem Wasserstoff ist die übermäßige Bildung von Lithiumhydroxid (LiOH):

2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂

Wasserelektrolyse könnte jedoch komplett eliminiert werden, wenn die durch die Wasseroxidation erzeugten Protonen (H+) direkt an die mit Lithium beschichtete Kathode geliefert würden. Dadurch würde das System weiter vereinfacht und die Investitionskosten könnten gesenkt werden.

Genau das haben jetzt Forscher am Imperial College London gezeigt. Sie koppelten kontinuierliche wäßrige Wasseroxidation direkt an lithiumvermittelten Stickstoffreduktion unter nicht-wäßrigen Bedingungen, in einer Zweikammer- Flußzelle. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich im Fachblatt ACS Energy Letters.

Die Kopplung ereichten sie durch eine elektrisch isolierte, wasserstoffdurchlässige Palladiummembran zwischen den Kammern. Auf der Anodenseite (wäßrig) wurde Wasser an einer mit Iridiumoxid beschichteten Titananode oxidiert, um Protonen, das heißt adsorbiertes H zu erzeugen. Diese Form des Wasserstoffs durchdrang die Palladiummembran. Sie gelangte dann in die trockene, nicht-wäßrige kathodische Kammer, wo N₂ an Lithium reduziert wurde.

Schema Palladiummembran Ammoniaksynthese

Die Palladiummembran war während der Stickstoffreduktion nicht in den externen Stromkreis integriert. Sie war gleichzeitig aine Protonenquelle und -senke, was dank ihrer elektrischen Leitfähigkeit und der Wasserstoffpermeabilität ermöglicht wurde.

Die Wissenschaftler validierten zuerst den Protonentransport über die Palladiummembran bei gleichzeitiger Wasserabweisung durch symmetrische Zelltests und ¹H-NMR-Isotopieaustausch mithilfe von Wasser (H₂O) und Deuteriumoxid (D₂O, schweres Wasser).

Massenspektrometrie in Echtzeit mit D₂O an der Anode bestätigte, daß Deuteronen, die durch die Palladiummembran geliefert wurden, in Ammoniak (ND₂H) eingearbeitet wurden. Das bewies, daß die Protonen in NH₃ aus der Wasseroxidation und nicht nur aus dem ebenfalls eingesetzten Ethanol stammten. Dadurch wurde ein linearer Transfer von Ladung nachgewiesen bei gleichzeitig vernachlässigbaren Wassertransport.

Als Kontrolle wurde ein Versuch mit einer Nafion™-Membran durchgeführt, um zu demonstrieren, daß Membranen, die einen Wasserübergang zulassen, die Lithium-vermittelte Ammoniaksynthese verhindern. Nafion™ erlaubt einen Protonenübergang und ist gleichzeitig durchlässig für Wasser.

Die Forscher zeigten also, daß die elektrischen Leitfähigkeit der Palladiummembran es ermöglichte, diese gleichzeitig sowohl als Anode als auch als Kathode betreiben zu können. Dadurch kam es zu einer kontinuierlichen Umwandlung von Stickstoff und Wasser zu Ammoniak, ohne molekularen molekularen Wasserstoff als Zwischenprodukt zu erzeugen. Die Nafion™-Kontrolle bewies, daß der Protonentransport bei gleichzeitiger Verhinderung eines Wasserübergangs die Lithium-vermittelte Ammoniaksynthese zuließ.

Die Notwendigkeit einer Vorhydratisierung der Membran und der schrittweise Anstieg des Membranpotentials während des pulsierten Betriebs deuteten darauf hin, daß die Kinetik des Wasserstofftransfers und die Stabilität der Membran Schlüsselfaktoren für die Leistung waren. Das lag daran, daß das System für das neutrale wäßrige Elektrolyt mit Isotopenmarkierung optimiert war. Die Forscher schlugen in ihrem Artikel Wege zur Effizienzoptimierung vor. Dazu zähten sie unter anderem alternative wasserstoffpermeable Metalle und Legierungen auf.

Die vorgestellte Membran könnte über die Ammoniaksynthese hinaus Anwendung finden. Das wären anderen elektrochemischen Stoffumwandlugen, wo wasserfreie Bedingungen und eine kontrollierte Protonenabgabe erforderlich sind. Dazu zählen beispielsweise auch die CO₂-Reduktion und oder nicht-wäßrige Redox-Flußbatterien.

Für wietergehende Forschung schlagen die Autoren vor,

  1. den Protonenfluß zu erhöhen und den Membranübergangswiderstand zu reduzieren,
  2. alternative wasserstoffdurchlässige Metalle bzw. Legierungen zu testen, um Kosten zu verringern und
  3. Puls- und Leerlaufprotokollen zur Beobachtung des Lithiumverlusts durchzuführen.

Bei Frontis Energy sind wir schon gespannt, wie sich einzelne, monolithische Palladiummembran im Mark etablieren. Eine kontinuierliche Ammoniak-Elektrosynthese stellt einen konzeptionellen Fortschritt in Richtung einfacherer, robusterer grüner Düngemittelherstellung und Energiespeicherung dar.

Ye et al. 2026, Continuous ammonia electrosynthesis from nitrogen and water in a monolithic Pd membrane-based flow vell, ACS Energy Letters, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c03617

Bild: Pixabay

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Polyelektrolyt-Beschichtung für Ionenaustauschmembranen in der Elektrodialyse

Reverse electrodialysis drinking water purification

Ionenaustauschmembranen sind Schlüsselkomponenten für verschiedene elektrochemische Technologien in der Wasseraufbereitung und für Energiespeicherung, z.B. Elektrodialyse, Membranelektrolyse und Flußbatterien. Solche Membranen zeichnen sich durch eine hohe Konzentration an geladenen Gruppen aus, die entweder kationisch (positiv) oder anionisch (negativ) geladen sein können. Die Funktion einer Ionenaustauschmembran besteht darin, den Transport von Gegenionen zu fördern, während der Wasser- und Koionenverlust eingeschränkt wird.

Die Effizienz von Kationenaustauschmembranen wird diesen ungewollten Transport von Koionen und Wasser eingeschränkt. Der Transport von Hydroxidionen (OH−) über Kationenaustauschmembranen ist von besonderem Interesse. Je nach Anwendung ist die Kationenaustauschmembran entweder so konzipiert, daß sie den Hydroxidtransport selektiv erleichtert, oder sie minimiert den Hydroxidverlust. Bessere Ionenaustauschmembranen müssen daher solche zusätzlichen Funktionalitäten unterstützen.

Forscher der Universität Wageningen haben den Ionenaustausch und den Wassertransport über beschichtete und unbeschichtete Kationenaustauschmembranen charakterisiert. Ihre Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler im Fachblatt Journal of Membrane Science. I ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler die Beschichtung von Kationenaustauschmembranen mit Polyelektrolyten bestehend aus Polyallylamin und Polystyrolsulfonsäure.

Die Forscher beschichteten eine Seite von kommerziellen Kationenaustauschmembranen mit Doppelschichten dieser beiden Polymere. Anschließend untersuchten sie den Transport von Ionen und Wasser für Diffusionsdialyse und Elektrodialyse. Bei Diffusionsdialyse handelt es sich um passiven Ionentransport, der durch Konzentrationsgradienten angetrieben wird. Dagegen findet bei der Elektrodialyse der Ionentransport aktiv statt und wird von einem angelegtem Strom angetrieben.

Die Beschichtungen sollten hinsichtlich ihrer Selektivität für monovalenten und bivalenten Ionen bewertet werden. Diese Selektivität beeinflußt den Hydroxidtransport und die Wasserpermeabilität. Beides sind Schlüsselfaktoren für die Effizienz der bipolaren Membranelektrodialyse, bei der  die mit salzhaltigen Lösungen mit mehrwertigen Kationen wie Magnesium und Kalzium behandelt werden.

Der Transport von Magnesium und Kalziumwar durch die Beschichtungen erheblich eingeschränkt, während der Transport von Natrium weitgehend unbeeinflußt blieb. Diese Selektivität ergab sich aus dem Donnan-Ausschlußmechanismus und Unterschieden in den Hydrathüllen. Mehrwertige Ionen haben im Bereich der Kationenaustauschmembran einen höheren Widerstand.

Dabei war Orientierung ist entscheidend. Die Ausrichtung der Beschichtung beeinflußte die Leistung. In Richtung des mehrwertigen Ionenströmungsbereichs erhöhte sich der Widerstand, was den Fluß von Magneiumionen verringerte. Diese Erkenntnis ist entscheidend für das Design von Apparaten zur bipolaren Membranelektrodialyse.

Überraschenderweise reduzierten Beschichtungen die Wasserkreuzung nicht. Die dichte Schicht blieb der Engpaß. Der Hydroxidfluß war in beschichteten Membranen, die extremen pH-Werten ausgesetzt waren, etwas höher. Das lag  wahrscheinlich an strukturellen Veränderungen während des Beschichtungsvrogangs.

Die Kombination einer Kationenaustauschmembran mit niedrigem Wassergehalt mit einer Beschichtung könnte die direkte Verwendung von unbehandelten Salzlösungen in der bipolaren Membranelektrodialyse ermöglichen. Dodurch würden die Vorbehandlungskosten gesenkt und die Nachhaltigkeit würde verbessert. Die Fuji CEM-12 erwies sich als vielvesprechender Kandidat für zukünftige Designs mit Beschichtungen.

Die Diffusion von Salzen über unbeschichtete Kationenaustauschmembranen wurde hauptsächlich durch den Aniontyp, wie z.B. Chlorid, Sulfat, oder Hydroxid bestimmt. Außerdem hatten die Membraneigenschaften, einschließlich des Wassergehalts der Membran und der ionischen Ladungsdichte einen großen Einfluß. Die ionische Ladungsdichte bestimmte die Anionenverteilung innerhalb der Kationenaustauschmembranen.

Die Forscher hatten verschiedene kommerzielle Kationenaustauschmembranen auf einer Seite mehrfach mit Polyelektrolyten beschichtet. Bei unbeschichteten Kationenaustauschmembranen korrelierte die Wasserdurchlässigkeit gut mit dem ionischen Widerstand der Membran. Der Grund war die Abhängigkeit beider Parameter vom Wassergehalt der Membran. Darüber hinaus stieg die Durchlässigkeit für Koionen mit zunehmendem Wasservolumenanteil in der Membran.

Der osmotischen Wassertransport der Kationenaustauschmembranen wurde durch die Mehrfachaschichten aus Polyallylamin und Polystyrolsulfonsäure nicht beeinflußt. Die Forscher empfahlen, Kationenaustauschmembranen mit niedrigem Wassergehalt einseitig zu beschichten, um den Transport von Hydroxiden und problematischen multivalenten Kationen zu minimieren.

Diese Arbeit zeigt, daß intelligente Oberflächenbearbeitung mittels Polyelektrolytschichten die Funktionalität konventioneller Membranen ohne wesentliche Kompromisse erhöhen kann. Während der Wassertransport eine Herausforderung bleibt, ist die Fähigkeit, mehrwertige Ionen zu blockieren und gleichzeitig die Leitfähigkeit für Natriumionen aufrechtzuerhalten, ein großer Schritt in Richtung effizienterer und kostengünstigerer Dialysesysteme.

Bei Frontis Energy sind wir gespannt auf den zukünftigen Einsatz von mehrfachbeschteten Membranen im industriellen Maßstab.

Elozeiri et al. 2026, Water and co-ion transport across ion-exchange membranes coated with PAH/PSS polyelectrolyte multilayer in electrodialysis and diffusion dialysis, Journal of Membrane Science,741, 125072, DOI: 10.1016/j.memsci.2025.125072

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Transformation von Wassersystemen mit skalierbaren Membranlösungen

Sauberes Wasser aus einem Wasserhahn

In einer Welt, die zunehmend von der Notwendigkeit sauberer Prozesse, nachhaltiger Produktion und fortschrittlicher Materialien geprägt ist, hat sich Membrantechno­logie als zentraler Wegbereiter über viele Branchen hinweg etabliert. Ihre Anwendungsgebiete reichen von Was­seraufbereitung und Energiegewinnung bis hin zu chemischer Trennung und Bio­prozeßtechnik. Moderne Membranen zeichnen sich durch hohe Selektivität, kompakte Bauweise und geringe Energiean­forderungen aus. Für die Industrie sind sie unverzichtbar sowohl für die Einhaltung von Umweltstandards als auch für Erfüllung leistungsbezogener Anforderungen.

Im Zentrum der Membranherstellung steht ein bewährtes Verfahren der lösungsmittelfreien Phasentrennung. Dabei wird eine Polymerlö­sung zunächst zu einer dünnen Schicht verarbeitet. Danach wird die Phasentrennung meist ähnlich wie bei der Käseherstellung durch Eindicken oder Dampfeinwirkung ausgelöst. Am Ende entsteht dadurch eine poröse Matrix mit fein abgestimmten Filtereigenschaften. Diese Verfahren haben sich aufgrund ihrer Einfachheit und Skalierbarkeit in der industriellen Membranproduktion etabliert. Sie liefern zuverlässig Qualität für zahlreichen Anwendungen.

Die zunehmende industrielle Nachfrage nach spezialisierten und hocheffizienten Membranen treibt die Erforschung der Herstellungsverfahren weiter vor­an. Ein vielversprechendes Verfahren ist das geziel­te lösungsmittelfreie Besprühen. Diese wir­kungsvolle Modifikation, bei der das Eindickbad durch Besprühen ersetzt wird, ermöglicht strukturierte Oberflächen, verbes­serte Durchlässigkeit und geringere Verschmutzung. Gleichzeitig bleibt der Vorteil der industriellen Skalierbarkeit erhalten. Diese Innovation spielt eine entschei­dende Rolle bei der Anpassung von Membranen an die komplexen Anforderungen moderner Filtersysteme.

Eine aktuelle Pilotstudie der Katholischen Universität Leuven in Belgien hat erfolgreich die Sprühtechnik für Produktion von Membranen im 12-Zoll-Rollverfahren angepaßt. Dies stellt einen bedeutenden Schritt vom Labor zum Industriemaßstab dar. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fach­zeitschrift Membranes veröffentlicht. Die Forscher variierten bei ihren Versuchen sowohl die in Polymerkonzentra­tion und das Molekulargewicht, als auch die Verwendung hydrophiler Zusätze wie Polyethylengly­kol und Polyvinylpyrrolidon. Dadurch konnten sie fehlerfreie, gleichmäßig strukturierte Polysulfon-Ultrafiltrationsmembranen mit vielversprechenden Leistungsverbesserun­gen herstellen. Besonders hervorzuheben ist ein bis zu 350% höherer Wasserfluß im Vergleich zu herkömmlichen flachen Membranen. Das ist zurückzuführen auf tiefe Oberflä­chenstrukturen von bis zu 825 µm. Die poröse, fingerartige Innenstruktur erhöht die Durchflußrate ohne die Abscheidungseffizienz zu beeinträchtigen.

Unter den getesteten Additiven war Polyethylenglykol am besten geeignet. Sein Einsatz ermöglichte Membranen mit hoher reiner Wasserdurchlässigkeit von über 1000 Liter/m²/Stunde/bar und gleichbleibender Proteinscheidung (ca. 90%). Diese Membranen zeigten zudem aus­gezeichnete strukturelle Integrität und Homogenität. Beides sind entscheidende Faktoren für dauerhafte Haltbarkeit und Prozeßzuverlässigkeit. In der Studie wurden außer­dem Betriebsparameter wie die optimale Gießgeschwindigkeit, die lösungsmittelfreie Besprühungsrate und die Kontrolle der Lösungsviskosität als entscheidende Einfluß­größen für reproduzierbare Membranqualität und Skalierbarkeit des Prozesses identifiziert.

Dieser Sprung vom Labor- zum Pilotmaßstab kann weitreichende industrielle Folgen haben. Die Möglichkeit, kontinuierlich Membranen mit hohem Durchfluß und Fouling-Resi­stenz sowie präzisen Struktureigenschaften herzustellen, bietet der Industrie eine ro­buste und skalierbare Lösung. Die Anwendungsbereiche reichen von der kommunalen und industriellen Abwasserbehandlung über die biopharmazeutische Produktion bis hin zur Lebensmittelverarbeitung. Dabei handelt es sich um Branchen, in denen die Membran­leistung sowohl Umweltaspekte als auch Betriebskosten direkt beeinflussen kann.

Im Kern bedeutet die optimierte Herstellung durch Besprühen mehr als nur eine Lei­stungssteigerung. Die neue Herstellungsmethode ermöglicht auch den Übergang von einer rein akademischen Forschungsneuheit zur kommerziellen Einsatzfähigkeit. Der neue Ansatz überbrückt die Kluft zwischen Design und Anwen­dung. Er liefert ein solides Fundament für die Massenproduk­tion fortschrittlicher Membranen, die effizient, wirtschaftlich und umweltfreundlich sind.

Frontis Energy stellt sich eine Welt vor, die durch nachhaltige Membraninnovationen verwandelt wird. Dadurch können sauberes Wasser, Ressourceneffizienz und eine robuste Infra­struktur für alle zugänglich werden.

Ilyas, et al., 2025, Pilot-scale polysulfone ultrafiltrationpPatterned membranes: phase-inversion parametric optimization on a roll-to-roll casting system, Membranes 15, 8, 228, DOI: 10.3390/membranes15080228

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Sulfonierter Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen in Nafion™-basierte Protonenaustauschmembranen

Toyota fuel cell concept car

Der Bedarf an nachhaltiger Energie hat die Entwicklung elektrochemischer System zur Energieumwandlung beschleunigt. Dazu zählen insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (englisch: proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs). PEMFCs bieten zahlreiche Vorteile, einschließlich hohe Energiedichte, niedrige Betriebstemperaturen, schnelle Anlaufzeiten und kompakte Bauweise. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für mobile sowie dezentrale Energieanwendungen. Die Entwicklung hochleistungsfähiger Protonenaustauschmembranen ist entscheidend für den Fortschritt der Brennstoffzellentechnologie, insbesondere unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Das zentrale Bauteil, die Protonenaustauschmembran, ist charakterisiert durch eine hohe Protonenleitfähigkeit, hervorragende chemische und physikalische Stabilität, niedrige Gasdurchlässigkeit und eine angemessene Wasseraufnahme unter einer Vielzahl von Bedingungen gewährleisten muß. Nafion™, ein Perfluorosulfonsäure (PFSA)-Ionomer, gilt als Goldstandard für Protonenaustauschmembranen aufgrund seiner ausgezeichneten Protonenleitfähigkeit und chemischen Beständigkeit.

Allerdings verschlechtert sich dessen Leistung bei erhöhten Temperaturen (> 80 °C) und niedriger relativer Luftfeuchtigkeit aufgrund übermäßigen Wasserverlusts erheblich. Diese Einschränkungen schränken seine Anwendbarkeit in Hochtemperatur-Brennstoffzellen der nächsten Generation ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, PFSA-basierte Kompositmembranen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden anorganischen oder organischen Füllstoffen wie Silica, Metalloxide und kohlenstoffbasierten Nanomaterialien verwendet. Diese Zusätze sollten die Wasserretention, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität verbessern.

Italienische Forscher der Universität Kalabrien haben Nafion™-Membranen entwickelt, die mit sulfoniertem Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen verstärkt waren, um Probleme mit der Wasserretention und dem Protonentransport anzugehen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift Materials for Renewable and Sustainable Energy. Die hybriden Füllstoffe erzeugten einen synergistischen Effekt. Ton verbesserte die hydrophilen Eigenschaften, während Kohlenstoffnanoröhrchen die strukturelle Integrität und Leitfähigkeit erhöhten.

In Tests mit Wasserstoffbrennstoffzellen bei 120 °C und 20% relativer Luftfeuchtigkeit – Bedingungen, die normale PFSA-Membranen typischerweise stark beeinträchtigen – erreichte die neue Zusammensetzung eine Spitzenleistung von 443 mW / cm². Das war deas vierfache von Nafion™-Membranen. Dieser Durchbruch deutete darauf hin, daß durch die Integration von Nanofüllstoffen die Haltbarkeit und Effizienz von Protonenaustauschmembranen noch weitere Leistungssteigerungen erzielt werden können. Gleichzeitig ebneten die Versuche den Weg für robuste Brennstoffzellen im Automobil- und stationären Energiesektor, wo solche Leistungssteigerungen besonders nötig sind.

Die Einbindung von sulfoniertem Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen verbesserte nicht nur die Ionenaustauschkapazität und die hydrolytische Stabilität, sondern modulierte auch kritisch die Wasserdynamik. Das Ergebnis war überlegenen Wasserretention und dauerhafte Protonendiffusion, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die deutlich höhere Protonenleitfähigkeit unter Bedingungen mit niedrier Luftfeuchtigkeit war ein entscheidenden Faktor für den Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen in der vorgestellten Studie.

Diese Studie hat erfolgreich das signifikante Potenzial von sulfonierten Ton und Kohlenstoffnanoröhren zur Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit von Nafion-basierten Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellenanwendungen demonstriert. Die Einbindung der Zusatzstoffe erhöhte auch die strukturelle Integrität der Membran. Eine dynamische mechanische Analyse bewies einen signifikanten Verstärkungseffekt durch die Einbindung von der Zusatzstoffe. Die konsistente Erhöhung des Speicher-Modulus‘ und einer Verschiebung der Glasübergangstemperatur zu höheren Temperaturen. Für die verbesserte Membran wurde die Glasübergangstemperatur von von 120 °C für herkömmliches Nafion auf ca. 150 °C erhöht.

Zudem wies die Nanokompositmembran bei niedriger Luftfeuchtigkeit wies eine bemerkenswerte Leitfähigkeit von 42,3 mS / cm auf. Dies stellte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu reinem Nafion™ dar.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Nanohybridmembran konsequent wesentliche Beschränkungen konventioneller PFSA-Membranen überwand. Herauszuheben sind insbesondere die Anfälligkeit für Austrocknung und mechanische Zersetzung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Bei Frontis Energy sind wir überzeugt, daß das synergetische Zusammenspiel verbesserter Protonentransportwege, verbesserter Wasserretention und überlegener thermomechanischer Stabilität diese Kompositmembran zu einem vielversprechenden Kandidaten für robuste und effiziente Brennstoffzellen der nächsten Generation macht.

Nicotera, et al. 2025 Enhanced electrochemical performance and thermomechanical stability of nafion/sulfonated clay-carbon nanotube nanocomposite membranes for high-performance fuel cells under challenging conditions. Materials for Renewable and Sustainable Energy 14, 48, DOI: 10.1007/s40243-025-00325-7.

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Fortschritt für nachhaltige Abwasserbehandlung: Ammoniumrückgewinnung mit Nafion-Membranen

Abwasserreinigungsanlage Bern

DOI: 10.13140/RG.2.2.25254.59202

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum und der damit einhergehenden zunehmendem Umweltbelastung wird der Bedarf an nachhaltiger Abwasserbehandlung immer dringlicher. Herkömmliche Verfahren konzentrieren sich auf die Entfernung von Schadstoffen, übersehen jedoch oft die Chance, wertvolle Ressourcen zurückzugewinnen. Eine dieser Ressourcen ist Ammonium.Dieses Stickstoff enthaltende Molekül ist wachstumsfördernd und ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Bei unsachgemäßer Handhabung, wie z.B Überdüngung ist Ammonium einer der Hauptverursacher von Stickstoffverschmutzung.

Eine vielversprechende Lösung bieten bioelektrische Systeme. Das ist ein Sammelbegriff für innovative Technologien, die nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch Ressourcen wie Ammonium zurückgewinnen. Gleichzeitig erzeugen bioelektrische System saubere Energie wie z.B. elektrischen Strom oder Biogas. Die Technologie basiert auf galvanischen Zellen, wobei die beiden Zellkammern oft durch eine Membran getrennt sind. 115-Leistungsstarke Kationenaustauschmembran ermöglichen präzisen Ionentransport und Systemstabilität. Das Premiumprodukt unter den Kationenaustauschmembranen ist Nafion, wie z.B. unsere Nafion 115 Membran.

Bei Frontis Energy haben wir gezeigt, daß bioelektrochemische Systeme Ammonium aus Abwasser entfernen können und damit eine energieeffiziente Alternative zum energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren bieten. Zur Validierung dieses Konzepts entwickelten wir mikrobiologische Elektrolysezellen, die mit Mikroorganismen aus sauerstoffreien marinen Sedimenten vor der Küste Namibias besiedelt wurden. Diese Sedimente sind von Natur aus reich an Ammoniak und arm an organischem Kohlenstoff. Das sind ideale Bedingungen für Mikroben, die zur anaeroben Ammoniumoxidation befähigt sind. Zum Vergleich nahmen wir gewöhnliches kommunales Abwasser zur Besiedelung der Elektroden.

Die Aufrechterhaltung anoxischer Bedingungen war entscheidend, um Nitrifikation zu vermeiden. Dabei handelt es sich um einen Prozeß, der Elektronen direkt auf Sauerstoff überträgt und die Anode umgeht, was zu Energieverlust und verminderter Wasserstoffproduktion führt. Stattdessen regulierten wir das Anodenpotenzial zwischen +150 mV und +550 mV. Das war – deutlich unter dem für Wasseroxidation erforderlichen Redox-Potential von +820 mV. Diese Konfiguration ermöglichte die Oxidation von Ammonium zu Stickstoffgas (N₂) an der Anode, während an der Kathode Wasserstoff (H₂) erzeugt bzw. Methangas wurde.

Zentral für diesen Prozeß ist Nafion 115. Dabei handelt sich um eine Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymeren (PFSA-Polymere). Ihre außergewöhnliche Protonenleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Robustheit machen sie ideal für anspruchsvolle Abwasserumgebungen. Nafion 115 funktioniert wie ein selektives Tor, das Ammoniumionen (NH₄⁺) von der Anode zur Kathode wandern läßt, während konkurrierende Ionen blockiert und anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden. Dieser selektive Transport, getrieben durch elektrische Feldgradienten und Konzentrationsunterschiede, gewährleistet eine effiziente Nährstoffrückgewinnung und stabile Leistung des bioelektrischen Systems.

Eine praktische Validierung dieser Technologie stammt aus unserem früheren Bericht, in dem Forscher einen zweikammerigen, anoxischen bioelektrischen Reaktor entwickelten, der Ammonium kontinuierlich mit einer Rate von etwa 5 g/m³/Tag entfernte. Ihr System wandelte über 97 % des Ammoniums direkt in Stickstoffgas um. Diese Umwandlung konnte ohne die Bildung schädlicher Zwischenprodukte wie Nitrit oder NOx-Gase durchgeführt werden. Besonders beeindruckend war der Energieverbrauch von nur 0,13 kWh pro Kilogramm entferntem Stickstoff. Das war eine 35-fache Reduktion im Vergleich zur konventionellen Belüftung, die typischerweise etwa 5 kWh/kg benötigt.

Diese Ergebnisse unterstreichen das transformative Potential von bioelektrischen Systemen. Wie eingangs erwähnt, wird viel Energie aufgewendet, um Stickstoff aus Abwasser zu entfernen, nur um ihn anschließend über das Haber-Bosch-Verfahren erneut verfügbar zu machen. Das macht 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Bioelektrische Systeme bieten eine zirkuläre Alternative: Durch die Kopplung von Ammoniumoxidation mit Wasserstoffproduktion könnten Kläranlagen zu Nettoenergieerzeugern werden. Erzeugte Wasserstoff und Biogas können direkt zur Stromerzeugung und letztendlich zur Reduktion von Treibhausgasen genutzt werden.

Mit den richtigen Biofilmen, gut kontrollierten Elektrodenpotenzialen und robusten Membranen wie Nafion 115 kann Ammonium als saubere, ressourcenschonende Alternative zur Wasserelektrolyse dienen. Dies verdeutlicht das Potential bioelektrischer Systeme, eine zirkuläre Wasserwirtschaft aufzubauen, wobei Abfall als Ressource genutzt wird.

Diese Technologie spiegelt das Engagement von Frontis Energy wider, saubere, effiziente und zirkuläre Lösungen zu fördern, die ökologische Herausforderungen in nachhaltige Chancen verwandeln.

Siegert and Tan, 2019, Electric stimulation of ammonotrophic methanogenesis. Frontiers in Energy Research 7:17. DOI: 10.3389/fenrg.2019.00017

Bild: Abwasserreinigungsanlage Bern

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Stabilität von Anionenaustauschmembranen für saubere Elektrolyse

Hydrogen electrolyzer China

DOI: 10.13140/RG.2.2.13818.56004

Energiesicherheit und Klimawandel gehören zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, treten erneuerbare Energiequellen als entscheidende Lösungen für eine nachhaltige Energieerzeugung in den Vordergrund. Zur Speicherung und zum Transport von erneuerbarer Energie sind skalierbare Lösung ein wichtiger Bestandteil. Wasserstoff erzeugt in Wasserelektrolyseure und verbraucht in Brennstoffzellen kann dabei helfen, die saisonale Variabilität erneuerbarer Energien auszugleichen.

Brennstoffzellen haben das Potential, erheblich zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beizutragen. Der Transport von Personen und Gütern ist für fast ein Drittel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Trotz ihres Potentials bleibt die breite Einführung moderner Brennstoffzellen und Elektrolyseure aufgrund hoher Investitionskosten begrenzt. Das liet vor allem and teuren Katalysatoren aus Edelmetallen und perfluorierten Protonenaustauschmembranen.

Diese Herausforderung hat gestiegenes Interesse an Anionenaustauschmembranen geweckt. Unter alkalischen Bedingungen bieten sie mehrere Vorteile:

  • nicht‑edle Metallkatalysatoren dank nicht-korrosiver Bedingungen und
  • nachhaltigere Membranmaterialien

Allerdings gibt es bei der Einführung von Anionenaustauschmembranen einige Hürden. Dazu zählen insbesondere ihre kurze Lebensdauer unter alkalischen Bedingungen und oxidativem Streß.
Die Bildung von Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikalen unter alkalischen Bedingungen ist verantwortlich für den beschleunigten Zerfall von Polymeremembranen. Die Untersuchung des radikalinduzierten Zerfalls von Anionenaustauschmembranen ist daher von zentraler Bedeutung.

Dazu müssen im Labor effizient Radikale hergestellt werden. Die aktuellen Methoden wie thermische Zersetzung oder UV‑Aktivierung von Wasserstoffperoxid zur Herstellung solcher Radikale sind jedoch ineffizient. Sie sind zudem anfällig für Nebenreaktionen, wodurch ihre Relevanz für reale Betriebsbedingungen eingeschränkt wird.

Die Immersion in sauerstoffgesättigten alkalischen Lösungen ist ein effizienter Ansatz, der brauchbare Erkenntnisse geliefert hat. Dies Methode kann aber nicht unterscheiden zwischen dem natürlichen Zerfall von Membranen und dem durch Radikale beschleinigten Abbau.

Radioaktivität und starke elektromagnetische Strahlung ermöglichen eine präzise Kontrolle der Radikalbildung, erfordern jedoch teure, spezialisierte Infrastruktur. Es werden erschwingliche und praktikable Lösung benötigt, um Radikale im Labor unter realistischen Bedingungen gezielt zu untersuchen.

Dieser Herausforderung haben sich Forscher der von SINTEF in Norwegen und der ETH Zürich gestellt. Sie stellten angepaßte photochemische Methoden vor, die Radikale erzeugen und deren Einfluß auf die Stabilität von Anionenaustauschmembranen unabhängig von anderen Abbauprozessen untersuchen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Membranes veröffentlicht.

Durch die Bestrahlung wäßriger Kaliumnitritlösungen oder Titanoxidsuspensionen mit UV‑Licht bei 365 nm wurden erfolgreich Hydroxylradikale beziehungsweise eine Kombination aus Hydroxyl‑ und Superoxidradikalen erzeugt. Tests dieser Ansätze an drei kommerziellen Anionenaustauschmembranen – PiperION®‑40 (PiperION), FM‑FAA‑3‑PK‑75 (Fumasep) und PNB‑R45 (Polynorbornen) – zeigten deutliche Unterschiede in der Haltbarkeit. Erwartungsgemäß zerfielen dünnere, nicht verstärkte Membranen schneller als dickere, verstärkte Membranen. Verursacht wurde dieser Unterschied vermutlich durch die begrenzten Eindringtiefe hochreaktiver Radikale.

Beide Methoden erwiesen sich als praktische, erschwingliche und leicht zugängliche Werkzeuge zur Bewertung der Stabilität von Anionenaustauschmembranen gegenüber Radikalangriffen.
Photochemische Radikalerzeugung war daher ein praktikabler Weg, um den radikalinduzierten Zerfall von Anionenaustauschmembranen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Der nitritbasierte Ansatz erzeugte selektiv Hydroxylradikale, während Titanoxiduspensionen sowohl Hydroxyl‑ als auch Superoxidradikale lieferten.

Längere Bestrahlung schädigte die Membranen stärker. Dieses Ergebnis beweist deutlich die entscheidende Rolle von Radikalen bei der Zersetzung von Membranen. Experimente bei pH 10 ermöglichten eine Unterscheidung von natürlichen und radikalgetriebenen Ursachen.

Über den Nutzen im Labor hinaus sind beide Methoden auch von industrieller Bedeutung. Kombiniert mit kostengünstiger Laborausrüstung bieten sie weitflächig einsetzbare und reproduzierbare Werkzeuge zur Evaluierung kommerzieller und prototypischer Anionenaustauschmembranen. Durch die Kostenreduktion und die Verlängerung von Haltbarkeitstests unter realen Bedinungen kann die Entwicklung robuster Anionenaustauschmembranen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure beschleunigt werden.

Frontis Energy ist Teil der Mission, kostengünstige Lösungen zur Entwicklung effizienter Technologie zur Energieumwandlung zur Verfügung zu stellen. Dadurch stärken wir den weltweiten Übergang zu sauberen, widerstandsfähigen und nachhaltigen Energiesystemen.

Solyom, P.; Nauser, T.; Nemeth, T. Photochemical Methods to Study the Radical-Induced Degradation of Anion-Exchange Membranes. Membranes 2025, 15, 305. https://doi.org/10.3390/membranes15100305

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Fortschritte bei der Ammoniumrückgewinnung mit bioelektrischen Systemen

DOI: 10.13140/RG.2.2.16014.22082

In den letzten Jahrzehnten hat sich der Schwerpunkt der Abwasserbehandlung von der reinen Entsorgung hin zur Rückgewinnung von Ressourcen verlagert. Dabei werden im Abwasser enthaltene Energie und Nährstoffen erschlossen. Unter den aufkommenden Technologien befinden sich auch bioelektrische Systeme. Neben Energie und Kohlenstoff können auch wertvolle Verbindungen wie Ammonium zurückgewonnen werden. In Ammonium gebundener Stickstoff ist ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Zwei Drittel dieser Ressource werden heute im sehr energieaufwendigen Haber-Bosch-Verfahren mithilfe von Erdgas aus Luft gewonnen. Die Düngemittelherstellung trägt damit wesentlich zu anthropogenen CO2-Emmissionen und schlußendlich zur globalen Erwärmung bei.

Bioelektrische Systeme zur Ammoniumrückgewinnung werden in mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen unterteilt. In beiden oxidieren elektrogene Mikroorganismen im Abwasser enthaltenes organisches Material zu Kohlendioxid und Protonen. Elektrogene Mikroorganismen werden auch als anodenatmende Bakterien bezeichnet. Im Gegensatz zu sauerstoffatmenden Bakterien nutzen Elektrogene die Anode als Elektronenakzeptor und gewinnen dadurch Energie für ihren Stoffkreislauf.

Durch die Verbindung mikrobieller Aktivität mit elektrochemischen Prozessen werden die chemischen Reaktionen bei der Abwasserreinigung effektiv katalysiert. Diese neuartige biokatalytische Anwendung steht jedoch vor Herausforderungen bei der Optimierung für den praktischen Einsatz. Bei Frontis Energy haben wir in einem patentierten Verfahren schon gezeigt, daß Ammonium in bioelektrischen Systemen effektiv aus Abwasser entfernt werden kann. Wir arbeiten derzeit daran, das Verfahren für den industriellen Einsatz zu skalieren. Allerdings fehlt derzeit noch das Verständnis sowohl der genauen Prozesse, als auch der für mögliche Rückgewinnung von Ammonium.

Eine neue Studie der Autonomen Universität Barcelona wurde die Entwicklung und Optimierung bioelektrischer Systeme untersucht. Ziel war es, Ammonium aus Abwasser energieeffizient und in konzentrierter Form zurückzugewinnen. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachblatt Bioelectrochemistry veröffentlicht. Mithilfe einer Drei-Kammer-Konfiguration mit hydrophober Membran untersuchten die Forscher systematisch den Einfluß unterschiedlicher Stromstärken und Ammoniumkonzentrationen auf die Rückgewinnung. Das System erreichte seine höchste Ammoniumrückgewinnungsrate von 55 g / m² / Tag bei einem Strom von 75 mA. Insgesamt wurde eine 97%ige Entfernung des Ammoniums aus einer 0.3%igen Lösung erzielt.

Bemerkenswerterweise fließen Elektronen vom Anoden- zum Kathodenbereich über einen externen Stromkreis, wo sie mit einem Elektronenakzeptor reagieren. In Systemen zur Rückgewinnung von Ammonium wandern Ammoniumionen durch eine Kationenaustauschmembran von der Anode zur Kathode, angetrieben durch Konzentrationsgradienten und das elektrische Feld, wodurch sie sich in der Kathodenkammer anreichern können.

Während dieser Ionentransportmechanismus eine effiziente Ammoniumrückgewinnung unterstützt, beobachteten die Forscher, daß ein Betrieb mit hoher Leistungsfähigkeit zu einem Materialverschleiß an der Kathode führte. Das unterstreicht die Notwendigkeit, Betriebsintensität mit Materialbeständigkeit in Einklang zu bringen. Folglich untersuchten die Forscher verschiedene Kathodenmaterialien und Spannungen. Dabei zeigte sich, daß Edelstahlkathoden bei 1,4 V die besten Ergebnisse lieferten – mit einer Entfernungsrate von 21 g / m² / Tag und einer Rückgewinnungsrate von 17 g / m² / Tag, vor allem aufgrund der verbesserten Kationenmigration infolge höherer Stromdichte.

Langzeitversuche zeigten, daß eine höhere Ammoniumkonzentration im Anolyt die selektive Migration von Ammoniumionen durch die Kationenaustauschmembran deutlich verbessert. Diese Verbesserung steigert wiederum die Gesamtleistung des Systems. Der Betrieb bei 1,4 V erhöhte die Rückgewinnungseffizienz und senkte den Energieverbrauch pro Gramm Stickstoff – was den Prozeß kosteneffizienter und umweltfreundlicher machte.

Diese Erkenntnisse unterstreichen das praktische Potential bioelektrischer Systeme als wegweisend zur nachhaltigen Stickstoffrückgewinnung. Durch die Abstimmung von Materialwahl, Systemdesign und Betriebsparametern lassen sich hohe Ammoniumentfernungs- und Rückgewinnungsraten bei minimalem Energieeinsatz erzielen.

Aus industrieller Sicht stelt diese Studie einen skalierbaren Fortschritt in Richtung Ressourcengewinnung bestehender Abwasserbehandlungssysteme dar. Skaliert könnte die Technologie die Abhängigkeit vom energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren reduzieren.

Da es sich bei Ammonium in konzentrierter Form um ein marktfähiges Produkt handelt, senkt seine Rückgewinnung die Betriebskosten von Kläranlagen. Sollte das skalierte Produkt durch die selbe stabile Langzeitleistung und geringen Energiebedarf überzeugen, wären dies starke Argumente für den Einsatz bioelektrischer Technologien im Rahmen der Kreislaufwirtschaft.

Bei Frontis Energy sehen wir großes Potential darin, diese Technologie zu skalieren und einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Abwasserbehandlung zu leisten.

Ul, et al. 2025, Electrochemical and bioelectrochemical ammonium recovery from N-loaded streams using a hydrophobic membrane, Bioelectrochemistry, Volume 166, 109013, 10.1016/j.bioelechem.2025.109013.

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Verbesserte Membrananordnungen für kapazitive Flußelektroden-Entsalzung

DOI: 10.13140/RG.2.2.19476.16002

Mit der sich verschärfenden globalen Trinkwasserknappheit wächst der Bedarf an praktikablen und energiesparenden Entsalzungsmethoden. Zu den potentiellen Lösungen zählen osmotische Entsalzungsverfahren wie die kapazitive Deionisierung und deren fortschrittliche Variante, die kapazitive Flußelektrodendeionisierung. Flußelektroden sind strömende Elektroden, bestehend aus in der Flüssigkeit suspendierten leitfähigen Partikeln. Sind diese Partikel elektrisch aufgeladen, verhalten sie sich wie ein Kondensator, gewinnen also kapazitive Eigenschaften.

Bei der Flußelektrodendeionisierung werden fließfähige Kohlenstoffelektroden mit Ionenaustauschermembranen kombiniert. Der Einsatz der Membranen ermöglicht eine kontinuierliche und effiziente Entsalzung. Membranen verursachen einen selektiven Transport geladener Ionen, wobei entgegengesetzt geladene Ionen (Gegenionen) durchgelassen und gleichgeladene Ionen (Koionen) zurückgehalten werden. Dieser selektive Ionentransport ist entscheidend für die gezielte Entfernung von Salzen aus dem Zulaufstrom.

Fortschritte in der Forschung haben zu Verbesserungen von Membraneigenschaften, der damit verbunden Ionenselektivität und dem Design galvanischer Zellen geführt. Dadurch konnten praxisnahe Anwendungen entwickelt werden. So wurde die Flußelektrodendeionisierung z.B. im Jahr 2023 in einer Pilotanlage auf industrielle Umsetzbarkeit getestet.

Die Optimierung der Leistung hängt stark vom Verständnis darüber ab, wie sich der Ionentransport mit unterschiedlichen Membrananordnungen verhält. Ionenaustauschmembranen spielen dabei eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Ionentransports. Bestimmte Membrananodnungen, wie z.B. einem Membransandwich bestehend aus Anionen- und Kationenaustauschmembranen konnten die Entsalzung deutlich beschleunigen. Zwar wurden vielversprechende Ergebnisse mit einfachen Salzlösungen wie NaCl und KCl erzielt. Ein Mix aus verschärfenden Ionen, wie er natürlicherweise im Meerwasser vorkommt, ist jedoch deutlich schwieriger.

Forscher der RWTH Aachen haben kürzlich untersucht, wie unterschiedliche Anordnungen von Ionenaustauschmembranen bei der Flußelektrodendeionisierung selektive Entfernung von Ionen aus komplexen Salzgemischen – etwa mit Carbonat- und Sulfationen – beeinflussen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Desalination veröffentlicht. Zwei Deionisierungsmodule mit unterschiedlicher Membrananordnung wurden analysiert. Getestet wurden Membranschichten mit der der Kationenmembran innen und der Anionenmembran außen – und umgekehrt. Beide Konfigurationen erreichten ähnliche Entsalzungleistung. Die Zeit bis zum Erreichen des stabilen Zustands variierte jedoch je nach Anordnung und Pufferkapazität der Flußelektrode.

Die getesteten Anionenaustauschmembranen zeigten eine stärkere Affinität zu Sulfationen als zu Karbonationen, was die Stabilisierung in einigen Versuchen verzögerte. Strategien wie die Reduzierung des Elektrodenvolumens und die gezielte Lenkung bestimmter Ionen entlang des Elektrodenpfads halfen, den stationären Zustand schneller zu erreichen. Diese Ergebnisse unterstreichen erneut die Bedeutung von Membranselektivität, Elektrodeneigenschaften und Systemdesign für die Leistungssteigerung der Flußelektrodendeionisierung, insbesondere bei gemischt-ionischen Wasserquellen.

Die Effektivität der Flußelektrodendeionisierung hängt nicht nur vom Erreichen des stationären Entsalzungszustands ab, sondern auch davon, wie gut Ionenselektivität und Systemanpassung gehandhabt werden. Bei Salzwasser mit mehreren Kationen und Anionen reicht die Membrananordnung allein nicht aus, um die gewünschten Entsalzungsergebnisse zu erzielen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen Strategien wie Membranbeschichtungen oder die Modifikation der Elektrodeneigenschaften in Betracht gezogen werden.

Die Forscher gingen in Ihrer Studie auch auf die Methoden zur Auswertung ihres Ansatzes ein. Interessanterweise reicht für die Bewertung der Entsalzungsleistung die Messung der Leitfähigkeit allein nicht aus. Sie gibt zwar die Gesamtsalzkonzentration an, erfaßt aber nicht die Veränderung in der Salz-Zusammensetzung. Daher sind genauere Bewertungsmethoden erforderlich, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Diese Fortschritte sind entscheidend für die Optimierung der Leistung der Flußelektrodendeionisierung und zur Deckung des wachsenden Bedarfs an effizienten, anpassungsfähigen Wasseraufbereitungstechnologien. Bei Frontis Energy sind wir gespannt auf zukünftige Entwicklungen in der Skalierung dieser richtungsweisenden Technologie.

Mankertz, Theis, Linnartz, Wessling, 2025, Membrane arrangement influences time to steady state in FCDI with multi-ionic salt solutions, Desalination, Volume 613, 118939, DOI: 10.1016/j.desal.2025.118939.

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Elektrolytische Wasserspaltung für Bindemittel in Baustoffen

DOI: 10.13140/RG.2.2.23827.54564

Die Ozeane sind reich an Magnesiumressourcen, die für die Baustoffproduktion genutzt werden könnten. Sorelzement (Magnesitzement) zum Beispiel kann im Innenausbau von Gebäuden anstelle von Estrich eingesetzt werden. Um Magnesium aus Meerwasser zu gewinnen, müssten die Magnesiumoxid (Magnesia) zuerst aus dem Meerwasser mithilfe des den traditionellen Kalzinierungsprozess sehr energieaufwendig abgeschieden werden. Die innovative Methode der elektrolytischen Wasserspaltung kann das umgehen und dadurch viel CO2 einsparen.

Dabei kann Magnesiumhydroxid (Mg[OH]₂) unter alkalischen Bedingungen ausgefällt werden. Die bisherige Forschung hat zwar elektrochemische Methoden zur Hydroxid-Erzeugung untersucht. Doch nur wenige haben die effiziente Alkali-Synthese mit direkter Fällung der Magnesiavorstufe Magnesiumhydroxid mit kohlenstoffarmen Zement kombiniert. Diese Wissenslücke für die Optimierung der Energie- und Materialeffizienz wurde nun geschlossen.

Eine neue Studie, die von einem Forschungsteam der Columbia University geführt wurde, bediente sich der elektrochemischen Wasserspaltung bei Niedrigspannung (1,6–2,0 V). Durch die Wasserstoffproduktion wurden Hydroxidionen (OH⁻) aus Meerwasser erzeugt. Dadurch kam es zu einer direkten Ausfällung von Magnesiumhydroxid, der Vorstufe von Magnesia. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Desalination veröffentlicht. Der neue Ansatz reduziert die Energieintensität um 52–78%. Normalerweise liegt der Energieverbrauch pro Tonne MgO bei 0,56 MWh. Durch die neue Methode können Kohlenstoffemissionen pro Tonne Magnesia in Höhe bis zu 0,41 Tonnen CO₂ eingespart werden.

Um die Produktionseffizienz weiter zu steigern, wurde die Nanostruktur von Magnesiumhydroxid mithilfe von Harnstoff als Vernetzer optimiert. Dadurch wurden die Reaktivität, die Porosität und spezifische Oberfläche verbessert. Bei einer optimalen Dosierung von 0,2 mol/L Harnstoff zeigten die Magnesiapartikel gute Bindungseigenschaften. Die Autoren führten dies auf die Verschlußwirkung von rosettenförmigem Dypingit und stabförmigem Nesquehonit zurück. Durch die Bildung dieser Mineralien wird nach Ansicht der Autoren der CO2-Einbau und dadurch auch die Karbonathärtung erleichtert.

Fortschritte in symmetrischen elektrochemischen Systemen, wie die die hier gezeigten, haben eine bis zu 78%ige Reduktion des Energiebedarfs für Herstellung von Laugen zur Folge. Damit haben solche Methoden das Potential, sich als tragfähige Alternative zu traditionellen Verfahren zu etablieren. Die weitere Optimierung von Elektroden und Elektrolyt stellt einen wegweisenden Ansatz für die kohlenstoffneutrale Produktion von Baustoffen und Laugen dar. Zudem zeigt diese Methode, daß die Herstellung von Baustoffen einen effizienten Einbau von CO2 ermöglicht. Dadurch kann eine dauerhafte Entfernung des Treibhausgases aus der Atmosphäre stattfinden.

Die industrielle Skalierung der elektrochemischen Laugenerzeugung kann Betriebskosten senken, Umweltauswirkungen minimieren und die Eigenschaften kohlenstoffarmer Baustoffe verbessern. Die ökonomischen Aspekte dieses Herstellungsprozesses sind besonders hervorzuheben, da der Bedarf an effizienten  Bindematerialien weiter wächst.

Bei Frontis Energy widmen wir uns der Förderung nachhaltiger und zugleich wirtschaftlicher Energielösungen. Forschung wie die hier vorgestellte liefert wichtige Erkenntnisse und Innovationen zur Unterstützung solcher nachhaltiger Lösungen.

Chu. Yang, Unluer, 2025, Energy-efficient calcination-free Mg cement recovered from desalination brine, Desalination, Volume 610, 118928, 10.1016/j.desal.2025.118928.

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Von Abwärme zu hochreinem Wasser: Revolutioniert eine neue Technologie erneuerbaren Wasserstoff?

DOI: 10.13140/RG.2.2.36620.17281

Wasserstoff (H₂), hergestellt mit erneuerbarer Energie, hat sich als mögliche Alternative zu fossilen Brennstoffen herauskristallisiert. Dieses vielseitige Molekül kann als Energieträger, effiziente Speicherlösung und nachhaltiger Rohstoff für den Transport, die chemische Verarbeitung und Energiesysteme weltweit dienen.

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursacht Wasserstoff bei der Nutzung keine schädlichen Emissionen. Er kann mittels Elektrolyseuren, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, sowie mit reichlich verfügbarem Wasser als Ausgangsstoff erzeugt werden. Das macht ihn zu einer erneuerbaren und nachhaltigen Energiequelle, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffreserven reduziert und den Klimawandel bekämpft. Folglich ist die Wasserstoffproduktion zu einer wichtigen Priorität zahlreicher Industriestaaten geworden.

Allerdings muss das in Elektrolyseuren verwendete Wasser ultrarein sein, um die Elektroden der Elektrolyseure vor Verunreinigung zu schützen und die Oxidation von Chloriden zu Chlor zu vermeiden. Reichlich vorhandenes Meerwasser bringt mehrere Herausforderungen mit sich, wenn es direkt in Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion eingespeist wird. Dadurch wird hochreines Wasser zu einer teuren Notwendigkeit. Hochreines Wasser wird in einer Reihe von Schritten hergestellt, darunter die Vorbehandlung zur Entfernung von Feststoffen, Entsalzung und die Eliminierung von kleineren Partikeln. Reinigungstechniken wie Ionenaustausch, Entgasung und UV-Behandlung werden zur Reinigung verwendet. Unter diesen Prozessen ist die Entsalzung besonders entscheidend für die Entfernung der meisten Verunreinigungen.

Umkehrosmose, insbesondere Meerwasserumkehrosmose, ist eine weit verbreitete Entsalzungstechnologie, hat jedoch erhebliche Nachteile, wie z. B. den Betrieb unter hohem Druck (hoher Energieverbrauch), intensive Vorbehandlung und die Erzeugung konzentrierter Sole, die sich bei der Einleitung ins Meer auf sein Ökosysteme schädlich auswirkt. Membrandestillation hat als Alternative zur Herstellung von hochwertigem Wasser und seiner Rückgewinnung Interesse erregt. Sie arbeitet bei niedrigeren Temperaturen und kann Abwärme nutzen.

Membrandestillation ist ein thermischer Trennungsprozeß, bei dem ein Dampfdruckunterschied über eine hydrophobe Membran Flüssigkeitspartikel zur Phasenumwandlung veranlaßt, so daß diese die Membran als Gas passieren. Der Betrieb bei Umgebungsdruck und die Nutzung von Niedertemperaturwärmequellen (<90 °C) bieten erhebliche Vorteile. Die Forschung zur Membrandestillation als praktikable Alternative zur Umkehrosmose für die Produktion von hochreinem Wasser blieb jedoch weitgehend auf Bereiche wie Moduldesign und techno-ökonomischer Analyse begrenzt.

Eine Gruppe von Forschern am Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) in Freiburg, Deutschland, hat das Potential der Membrandestillation als kosteneffiziente und energiesparende Alternative zur Umkehrosmose bei der Herstellung von hochreinem Wasser für Protonenaustausch-(PEM)-Elektrolyseure erforscht. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachmagazin Desalination Journal veröffentlicht. Sie untersuchten die Membrandestillation als mögliche Alternative zur Umkehrosmose für die Herstellung von hochreinem Wasser. Also besonderes eleganten Ansatz benutzten die Forscher die Abwärme eines 5 MW PEM-Elektrolyseurs fuer ihr Membrandestillationssystem. So verwandelten sie einen sonst typischen Effizienzverlust in einen ökonomischen Vorteil. Ihre Ergebnisse sind beeindruckend: Membrandestillation produziert nicht nur außergewöhnlich reines Destillat (<3 μS/cm), sondern tut dies zu Kosten zwischen €2,33 und €2,85 pro Tonne Destillat im Vergleich zu den üblichen Kosten von €2,80 bis €5,51 bei Umkehrosmose. Mit Membrandestillation könnte die Meerwasserentsalzung um 50% oder mehr kostengünstiger werden.

Wirtschaftliche Analysen zeigen, daß die Kosteneffizienz der Membrandestillation durch ihren niedrigen Strombedarf und ein optimiertes Moduldesign mit kurzen Kanälen verbessert wird. Die beeindruckende Energieeffizienz wird durch die Nutzung von Restwärmeenergie ermöglicht. Das macht Membrandestillation zu einer äußerst vielseitigen und umweltfreundlichen Lösung, die gut für erneuerbare Wasserstoffproduktion geeignet ist.

Die neue Studie positioniert die Membrandestillation nicht nur als Alternative zur Umkehrosmose, sondern auch als intelligenten und nachhaltigen Ansatz zur Herstellung von hochreinem Wasser. Die vorgestellten Ergebnisse bieten einen neuen industriellen Ansatz zur Produktion von hochreinem Wasser neu zu definieren. Durch die neue Veröffentlichung einer effizienten Nutzung von Abwärme und die Bereitstellung einer kostengünstigen Lösung bietet die Studie zahlreichen Branchen einen Weg zur Verringerung der Betriebskosten und fördert gleichzeitig die Nachhaltigkeit. Dies paßt besonders gut zu Sektoren, die nachhaltige Betriebe anstreben, wie z.B. die erneuerbare Wasserstoffproduktion und andere energieintensive Anwendungen. Darüber hinaus könnte die Einführung der Membrandestillation Innovationen bei der Systemgestaltung und -integration fördern und die Industrie dazu anregen, Prozesse zu optimieren und die Abhängigkeit von traditionellen, energieintensiven Methoden zu verringern. Dieser Wandel kann zu umfassenderen Nachhaltigkeitszielen beitragen und die wirtschaftliche Umsetzbarkeit von Initiativen im Bereich der erneuerbaren Energien verbessern.

Bei Frontis Energy setzen wir uns dafür ein, nachhaltige und wirtschaftliche Energielösungen voranzutreiben. Innovative Technologien wie die Membrandestillation helfen, uns einer nachhaltigen Zukunft näherbringen.

Schwantes et al. 2025 Thermally driven ultrapure water production for water electrolysis – A techno-economic analysis of membrane distillation, Desalination, Volume 608, 118848, DOI: 10.1016/j.desal.2025.118848.

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