Autor: zoba

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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.2.2.27780.18562

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.2.2.34925.24809

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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