Kategorie: Sauberes Wasser

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Bio-elektrische Systeme helfen bei der PFAS-Aufbereitung

Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) werden seit vielen Jahrzehnten für verschiedene Anwendungen hergestellt. Darunter befinden sich medizinische Anwendungen, wie z.B. Implantate und Katheter, oder Alltagsgüter zur Brandbekämpfung, Kunststoffe, Kochgeschirr Kosmetik. Ebenso sind zahllose Industrieanwendungen z.B. in der Automobilindustrie, der Chemieindustrie sowie dem Energiesektor inklusive Wasserstoffelektrolyse und Brennstoffzellen auf PFAS (z.B. Nafion™) angewiesen. Die weit verbreitete Anwendung von PFAS hat weltweit zum Eindringen von Spuren dieser Substanzen in die Umwelt geführt. Dazu zählen Flughäfen, Chemieanlagen, Feuerwehren, militärische Anlagen.

Die langfristige Auswirkungen dieser Substanzen auf die Gesundheit wird besonders im Hinblick auf deren chemische Stabilität (die eine gewünschte Eigenschaft ist) derzeitig kontrovers diskutiert.

Neben der kompletten Vermeidung des Eindringens in die Umwelt können PFAS aber auch aus ihr beseitigt werden. Zum Beispiel wird Aktivkohle häufig verwendet, um PFAs daran zu absorbieren. In Böden ist diese Methode jedoch nicht effizient. Idealerweise müßte die Aktivkohle selbst weiter aufbereitet werden, um PFAS wieder zu verwenden. Dieser Prozeß ist sehr energieintensiv.

Wie bei vielen Aufbereitungsprozessen können auch Mikroben zum Einsatz kommen. Solche biologischen Methoden werden als Bioremediation bezeichnet. Allerdings gehören die Kohlenstoffluor-Bindungen (C-F) in PFAS zu den stärksten kovalenten Bindungen in der organischen Chemie. Darüber hinaus gibt es nur sehr wenige natürlich vorkommende C-F Bindungen in der Nature, die dort auch nur in geringen Konzentrationen vorkommt. Ein prominentes Beispiel ist Fluoressigsäure, eine hochgiftige Verbindung die vom südafrikanischen Giftblattstrauch gebildet wird.  Nur wenige Mikroorganismen mit der Fähigkeit, die C-F-Bindung zu lösen, wurden identifiziert. Die Bioremediation von PFAS ist also möglich aber ein langsamer Prozeß.

Wie in unseren vorhergehenden Artikeln bereits beschrieben wurde, können bio-elektrische Systeme mikrobielle Umsetzungsprozesse beschleunigen. Das geschieht, indem sie der mikrobiellen Gemeinschaft eine grösseres elektrochemisches Potentialgefälle anbieten, als dies natürlich der Fall ist. Dieses Verfahren wird erfolgreich bei der Reinigung von Industrieabwässern eingesetzt.

In bio-elektrischen Systemen werden Mikroorganismen und Verunreinigungen in eine elektrochemische Apparatur platziert. Die Elektroden eines solchen Systems dienen als Elektronenspender oder -empfänger. So wird der biologische Abbau über den elektrischen Strom gemessen.

Bio-elektrische Systeme wurden in der Tat schon zum Abbau von fluorierten Alkanen eingesetzt. So wurde z.B. der Entzündungshemmer Dexamethason mithilfe einer solchen Apparatur erfolgreich beseitigt. Wie auch von uns für bioelektrischen Flüssigkraftstoff vorgeschlagen, könnten auch für PFAS Designer-Mikrobiome untersucht werden. Auch sollten Untersuchungen an anderen Medikamentrückständen, wie z.B. Prozac™ vorgenommen werden, damit diese nicht weiter in die Umwelt gelangen.

Bei Frontis Energy sind wir schon gespannt auf die Entwicklungen in den kommenden Jahren.

 

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Dezentrale Abfall-Energie-Systeme produzieren Biogas wo es benötigt wird

Die aktuelle europäischen Energiekrise hat verschiedene Ursachen, hautsächlich jedoch die hohe Nachfrage in Folge der Pandemielockerungen, das Embargo gegen Rußland, die Zurückhaltung von Investoren bei der Finanzierung fossiler Energieprojekte und die Drosselung der Förderung durch die OPEC-Staaten. In dieser komplexen Situation sind europäische Länder gezwungen, alternative und zugleich erneuerbare Energiequellen zu erschließen. Gleichzeitig ist Erdgas jedoch in vielen Branchen schwer zu ersetzen. Eine Ausnahme ist die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die über  enorme ungenutzte Ressourcen von Biogas in ihrem Abwasser verfügen kann.

Abwasser ist eine Ressource, von der weltweit 380 Milliarden m³ erzeugt werden. Es enthält gleichermaßen wertvolle Nährstoffe und Energie. Die weltweite Produktion wird voraussichtlich bis 2030 um 24% und bis 2050 um 51% steigen. Die Abwasserbehandlung verbraucht etwa 3-4% der global erzeugten Energie. Die vollständige Erschließung dieser Energiequelle würde den Energieverbrauch der Klärung komplett ausgleichen und in vielen Fälle sogar einen Überschuß erzeugen. Zudem ist die gesamte globale Wasseraufbereitung geschätzt für bis zu 5% der mesnchengemachten CO2-Produktion verantwortlich. Leider investieren viele Unternehmen und Gemeinden nicht komplexe und teure Abwasserbehandlungstechnologien und verschwenden weiter die wervolle Resource Abwasser. Die European Biogas Association schätzt, daß bis 2050 maximal 65% des Gasbedarfs (zirka 167 Milliarden m³) von durch Biogas abgedeckt werden könnten.

Europa ist die größte Käserei der Welt. Es werden jährlich mehr als 9 Millionen Tonnen Käse hergestellt. Mit jeder Tonne Käse bleiben gleichzeitig 9 m³ Käsemolke zurück. Trotz seines hohen Ernährungswerts wird Molke aus verschiedenen Gründen oft wie Abwasser behandelt. Die sehr hohe organische Belastung der Molke macht es schwierig sie als Abwasser zu klären. Molkeabfälle können aber auch für die Biogasproduktion benutzt werden. Zudem fällt auch noch reguläres Abwasser an. Zum Beispiel zahlt eine mittelgroße Käsefabrik jährlich 1,5 Millionen Euro für ihr Abwasser. Die Reduzierung dieser Kosten durch die Herstellung von Biogas würde das Abwasser der Milchindustrie zu einer wertvollen Ressource machen.

Diese Situation ist in vielen anderen Sektoren für Lebensmittel und Getränke wie Brauereien, Brennereien, Winzer, Bäckereien usw ähnlich. Alle diese Sektoren haben einen hohen Energiebedarf. Erneuerbare elektrische Energie kann diesen Bedarf nicht auslgeichen. Der Markt für die Klärung in Europa und den USA liegt bei zirka 12 Milliarden Euro.

Die traditionelle Abwasserbehandlung basiert auf Belüftung und klassischer Klärschlammfaulung mit der anschließender Verbrennung. Diese Methoden konsumieren oft mehr als 70% der Energie einer Kläranlage. Wenn energiereiche Verunreinigungen gemessen am gesamten organischen Kohlenstoff oder Ammoniak vor dem Prozeß in Biogas umgewandelt würden, könnten mindestens 80% zur Abwasserbehandlung nötigen Energie eingespart werden. Es ist widersinnig, daß diese Energie des Abwasser mit noch mehr aufgewendeter Energie entfernt wird.

Eine immer größer werdende Anzahl von Kläranlagen erchließt bereits die im Abwasser enthaltenen Ressourcen zusätzlich zum Wasser selbst. Die ältesten Recyclingprodukte sind Biogas und Düngemittel, die aus Klärschlamm gewonnen wurden. Aufgrund des Gehalts an Schwermetallen wie Kupfer und Quecksilber wird Klärschlamm nicht mehr als Dünger verwendet sondern in Müllverbrennungsanlagen entsorgt.

Biogas ist in Europa besonders beliebt, da die erzeugten Mengen und Preise hoch genug sind, um mit Erdgas zu konkurrieren. Biogas ist auch eine grüne Alternative zu Erdgas, da kein zusaetzliches CO2 emittiert wird. Ein Nachteil der klassischen Biogas ist der CO2- und Sulfidgehalt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Schlammverdauung der Terminalbehandlungsschritt ist, der wertvolle Abwasserressourcen verschwendet. Schließlich erfordern die Größe und Komplexität der aktuellen Verdauung eine erhebliche Verpflichtung von Benutzern, wenn es um Capex und OPEX geht. Die meisten Lebensmittelhersteller konzentrieren sich lieber auf die Herstellung von Lebensmitteln und nicht auf die Reinigung ihres Abwassers.

Neuartige Hochleistungs-Biogasreaktoren lösen diese Probleme durch Miniaturisierung. Sie erreichen eine 20-fache  Reduktion der Größe im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Zur Verwendung kommt eine neue Technologie, die Anfang der Neunziger Jahre in Japan entwickelt wurde. Sie wird als mikrobielle Elektrolyse bezeichnet. Die Elektrolyse von Abwasser wird durch elektroaktive Mikroorganismen auf der Anode (die positive Elektrode) katalysiert. Die Reaktionsprodukte sind CO2 (aus organischer Substanz) und Stickstoffgas (N2, aus Ammoniak).

Prinzip eines mikrobiellen Elektrolysereaktors. Auf der linken Anode wird das organische Material zu CO2 oxidiert. Die freien Elektronen werden von der Anode absorbiert und zurf Kathode transportiert. Wasserstoffgas (H2) wird dort freigesetzt. CO2 und Wasserstoff bilden Methan, das mikrobielle Anschlußreaktionsprodukt.

Gleichzeitig wird Wasserstoffgas (H2) an der Kathode (der negativen Elektrode) gebildet. Dieser Wasserstoff reagiert mit CO2 zu Methan. Dieser letzte Methanisierungsschritt vervollständigt die biokatalytische Behandlung des Abwassers. Das gebildete Biogas kann entweder in das Erdgasnetz eingespeist oder vor Ort verwendet werden, um Strom und Wärme zu erzeugen.

Die Reaktion wird unter Verwendung einer angelegten Spannung beschleunigt und basiert auf den Gesetzen der Thermodynamik. Infolgedessen kann das Reaktorvolumen verringert werden. Die Größenreduzierung hat mehrere Vorteile. Erstens macht es Biogas in Märkten zugänglich, in denen es aufgrund der hohen Investitionskosten bisher nicht möglich war. Zweitens ermöglicht die Reduzierung der Größe einen höheren Durchsatz zu niedrigeren Kosten. Kleinere Einheiten sind mobil und können genossenschaftlich geteilt, bewegt oder vermietet werden. Schließlich wollen Nahrungsmittelhersteller das tun was sie am besten können, nämlich Essen herstellen. Ihre Abfall- und Energierechnungen sollten sie davon nicht abhalten.

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Membran aus Pflanzenabfällen filtert Schwermetalle aus Wasser

Leider ist Wasserverschmutzung ist in vielen Teilen der Welt nach wie vor ein wichtiges Thema. Schwermetalle sind eine Gruppe von Schadstoffen, die sich im menschlichen Körper ansammeln und Krebs verursachen können. Existierende Technologien zur Schwermetallbeseitigung sind dagegen sehr energieintensiv.

Wissenschaftler der Nanyang Technischen Universität in Singapur und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ), haben eine Membran aus Nebenprodukten der Pflanzenölindustrie hergestellt, die Schwermetalle aus kontaminiertem Wasser herausfiltern kann. Das Forschungsteam entdeckte, daß Proteine, die aus den Nebenprodukten der Erdnuß- oder Sonnenblumenölproduktion stammen, Schwermetallionen sehr effektiv binden. In ihren Tests zeigten sie, daß dieses Adsorptionsverfahren, kontaminiertes Wasser bis auf Trinkwasserqualität reinigen kann .

Die Forscher sehen in der Membran eine zugleich kostengünstige, einfache, nachhaltige und skalierbare Methode zur  Schwermetallentfernung aus Wasser. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Fachheft Chemical Engineering Journal veröffentlicht.

Die neuen Membranen auf Proteinbasis werden durch einen umweltfreundlichen Prozess erzeugt und brauchen für ihren Einsatz nur wenig Energie. Das macht sie fuer Industrienationen und weniger entwickelten Ländern gleichermaßen interessant.

Die Produktion von kommerziellen Pflanzenölen erzeugt proteinreichen Abfallnebenprodukte. Diese Reste bleiben nach der Ölextraktion aus der Rohpflanze zurück.

Das Forscherkollektiv verwendete Sonnenblumen- und Erdnußöle. Nachdem die Forscher die Proteine extrahiert hatte, verwandelte sie sie in Nano-Amyloidfibrillen Dabei handelt es sich um seilähnliche Strukturen aus eng verwundenen Proteinen. Diese Proteinfibrillen ziehen Schwermetalle an und wirken wie ein molekulares Sieb. Die Membranen filtrierten bis zu 99,89 Prozent der Schwermetalle.

Unter den drei getesteten Metallen war der Filter für Blei und Platin am effektivsten, gefolgt von Chrom. Da Platin oft als Katalysator in Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren verwendet wird, ist dies eine elegante und billige Methode, das Metall wiederzugewinnen.

Die Forscher kombinierten die extrahierten Amyloidfibrillen mit Aktivkohle. Aufgrund des hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnises der Amyloidfibrillen sind sie für die Adsorption großer Mengen an Schwermetallen besonders geeignet. Der Filter kann für alle Arten von Schwermetallen verwendet werden. Dazu kommen organische Schadstoffe wie Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen. Diese Chemikalien werden für in einer Vielzahl von Verbraucher- und Industrieprodukten verwendet, aber auch für Nafion-Membranen von Brennstoffzellen.

Die Konzentration von Schwermetallen in kontaminiertem Wasser bestimmt, wie viel Wasservolumen die Membran herausfiltern kann. Eine Hybridmembran aus Sonnenblumenproteinamyloiden benötigt nur 16 kg Protein, um ein Schwimmbad, welches mit 400 Teilen Blei pro Milliarde kontaminiert ist,  zu reinigen. Ein Kilogramm Sonnenblumenextrakt ergibt etwa 160 g Protein. Gleichzeitig sind die proteinreichen Sonnenblumen- und Erdnußöle kostengünstige Rohstoffe. Da dies das erste Mal ist, daß Amyloidfibrillen aus Sonnenblumen- und Erdnußproteinen erhalten wurden, muß der Prozeß noch skaliert und  industrialisiert werden.

Der Prozeß ist aufgrund seiner Einfachheit und minimalen Verwendung chemischer Reagenzien allerdings leicht skalierbar. Das ermöglicht es, Abfälle für weitere Anwendungen neu aufzubereiten und verschiedene industrielle Lebensmittelabfälle in vorteilhafte Technologien vollständig auszunutzen. Die eingeschlossenen Metalle können auch extrahiert und weiter recycelt werden. Nach der Filtration kann die Membran einfach verbrannt werden und hinterläßt nur die Metalle.

Während Metalle wie Blei oder Quecksilber giftig sind und sicher entsorgt werden, finden andere Metalle wie Platin Anwendungen bei der Herstellung von Elektronik und anderen empfindlichen Geräten, wie Brennstoffzellen. Die Rückgewinnung des kostbaren Platins, das 30.000 Euro pro kg kostet, erfordert nur 32 kg Protein, während die Rückgewinnung von Gold, das fast 55.000 Euro pro kg entspricht, nur 16 kg Protein benötigt. Angesichts der Kosten von weniger als 1 Euro pro kg Protein, sind die Vorteile gewaltig.

Die Co-Autorin der Zeitung, Raffaele Mezzenga, hatte bereits 2016 entdeckt, daß Molkenproteine, die aus der Milch von Kühen stammen, ähnliche Eigenschaften hatten. Die Forscher erkannten schon damals, daß Proteine ​​aus pflanzlichen Ölsaaten auch ähnliche Eigenschaften aufweisen könnten.

Ein weiterer großer Vorteil ist, daß diese Filtration im Gegensatz zu anderen Methoden wie Umkehrosmose keinen Strom benötigt. Für den gesamten Filtrationsprozeß ist die Schwerkraft vollkommen ausreichend. Damit ist die Methode auch für Kontaminationen in schlecht erschlossen Gebieten geeignet.

Bild: Pixabay

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Bio-elektrisches System entfernt Stickstoff aus Abwasser

Belebtschlammbecken

Bei der Behandlung von Abwasser werden organische Verunreinigungen sowie Stickstoffverbindungen in einen energieintensiven Prozeß entfernt. Die Behandlung im Belebtschlamm benötigt zum Beispiel viel Energie für das Begasen mit Luft oder Sauerstoff. Die Belüftung verursacht dabei erhebliche Kosten. Für die Belüftung sind etwa 5 kWh pro Kilogramm je nach Kläranlage erforderlich. Die mit dem Energieverbrauch verbundenen Kosten machen in einer durchschnittlichen europäischen Abwasseraufbereitungsanlage rund 500.000 Euro pro Jahr aus. Dies ist bis zu einem Drittel der Gesamtbetriebskosten von Kläranlagen. Die Stickstoffentfernung aus Abwasser muß daher wirtschaftlicher werden.

Bioelektrische Technologie spart Energie

Herkömmliche Stickstoffentfernung besteht aus einer Abfolge von Nitrifikations– und Denitrifizierungsreaktionen. Die Nitrifizierung ist die aerobe Ammoniumoxidation zu Nitrit und Nitrat und wird von ammoniumoxidierenden Bakterien durchgeführt. In der anschließenden Denitrifizierung wird das Nitrat zu Stickstoffgas (N2) umgewandelt. Neben dem kostspieligen Belüftungsprozess erfordern die verbleibenden Zwischenprodukte Nitrit und Nitrat also eine weitere Abwasserbehandlung.

Anstelle des energieintensiven Pumpens von Sauerstoff in das Abwasser könnten bioelektrische Systeme mit viel niedrigeren Kosten das gleiche Ergebnis erzielen. In solchen Systemen stellt eine Anode den Elektronenakzeptor zur mikrobiellen Ammoniumoxidation dar und ersetzt den Sauerstoff. Die Belüftung entfällt dadurch oder kann stark reduziert werden.

Vollständige Umwandlung von Ammonium auf Stickstoffgas

Wir berichteten bereits über die Verwendung eines solchen bio-elektrischen Systems, um Ammoniak aus Abwasser in Fed-Batch-Reaktoren zu entfernen. Nun veröffentlichten Forscher der Universität von Girona eine weitere Machbarkeitsstudie basierend auf dieser neuen Technologie. Das vorgestellte bioelektrische System war ein komplett sauerstoffreier Reaktor, der kontinuierlich Ammonium zu Stickstoffgas umwandeln konnte. Der Zweikammerreaktor nitrifizierte Abwasser und entzog ihm so letztendlich den Stickstoff.

Die bio-elektrisch Ammoniumentfernung wurde in einem kontinuierlich betätigten Ein-Liter-Reaktor mit einer Umsatzrate von ~ 5 g / m3 / Tag katalysiert. Eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft mit nitrifizierenden Bakterien wie Nitrosomonas sind als Schlüsselorganismus wurde ebenfalls beschrieben.

Aus einer Anwendungsperspektive ist ein Kosten-Nutzen-Vergleich zwischen bioelektrischen Systemen und der klassischen Abwasserbehandlung erforderlich. Die Forscher zeigten, daß der selbe Grad der Stickstoffenfernung erzielt wurde (>97%). Das bioelektrische System wandelte Ammonium zu Sticke ohne eine Anreicherung von Zwischenprodukten um. Ihr System erforderte etwa 0,13 kWh pro Kilogramm Stickstoff mit einer Flußrate von 0,5 l / Tag. Die Verwendung eines bioelektrischen Systems verbraucht im Vergleich zur klassischen Belüftung mit zirka 5 kWh pro Kilogramm 35 mal weniger Energie. Gleichzeitig werden keine schädlichen Zwischenprodukte wie Nitrit- oder NOx-Gase gebildet.

Mikrobiell erzeugter Strom treibt die Ammoniumoxidation an

Der vorgestellte Artikel zeigte auch potenzielle Hinweise für den mikrobiellen Abbauweg. Das Verständnis um die zugrunde liegenden Mechanismen kann die Prozesse der anoxischen Ammoniumentfernung in bioelektrischen Systemen optimieren.

Als Abbauweg für Stickstoff schlugen die Autoren die bioelektrische Oxidation von Ammoniak über Stickstoffmonoxid vor. Dieser wurde möglicherweise von einer Mikrobe der Gattung Achromobacter durchgeführt. Auf diese Reaktion folgte vermutlich die Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffgas. Diese Reduktionsreaktion könnte eventuell von Denitrassisoma durchgeführt worden sein. Alternativ wurden drei weitere Sekundärrouten betrachtet: Die selbe bioelektrische Oxidation, gefolgt von Anammox oder ganz ohne Stickstoffmonoxid direkt an Stickstoffgas. Eine Art Electro-Anammox kann auch möglich sein.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß die direkte Umwandlung von Ammonium zu Stickstoffgas durch die Umkehrung der Stickstoffixierung eine Möglichkeit ist.  Gene, die fuer Elemente der Stickstoffixierung verantwortlich sind, sind in der mikrobiellen Welt allgegenwärtig. Diese Umkehrung würde die universelle biologische Energiewährung ATP generieren, anstatt sie zu konsumieren.

Es wurde gezeigt, daß Achromobacter sp. in der beschriebenen mikrobiellen Vergesellschaftung mit bis zu 60% die häufigste Mikrobe war. Im Reaktor wurden jedoch auch Anammox-Arten (Candidatus Kuenenia und Candidatus-Anammoximicrobium) so wie denitrifizierende Bakterien (z.B. Denitratisoma) nachgewiesen.

Es wurden zwei mögliche elektroaktive Reaktionen identifiziert: Hydroxylamin- und Nitritoxidation. Dies spräche ebenfalls für der Anode als Elektronenakzeptor der Ammoniumoxidation. Nitrit- und Nitrattests legten nahe, daß sowohl die Denitrifizierung als auch Anammox-basierende Reaktionen in dem System erfolgt sein könnten.

Ammonium wurde ohne Anhäufung von Zwischenprodukten vollständig zu Stickstoffgas oxidiert. Die Autoren zeigten, daß Ammonium einem kontinuierlich betriebenen bioelektrischen System entfernt werden kann. Zur Skalierung des Systems sind jedoch ein besseres Verständnis von Reaktor- und Verfahrenstechnik sowie der zugrunde liegenden mikrobiellen und elektrochemischen Vorgänge erforderlich.

Experimenteller Aufbau

Das Impfmaterial bestand aus Biomasse zweier Nitrifikationsreaktoren.

  • Der Reaktor wurde aus zwei 1-Liter-Kammern aufgebaut, die einen Anode- und Kathodenraum beinhalteten
  • Der Separator diente Anionenaustauschermembran um die Diffusion von Ammonium auf das Kathodenraum zu minimieren
  • Die Anode- und Kathodenkammern wurden mit Graphitgranulat befüllt
  • Eine Ag/AgCl-Referenzelektrode wurde im Anodenraum verwendet
  • In jeder Kammer wurden zwei Graphitstangen als Stromkollektoren platziert
  • Das System wurde im Batch- und Durchlaufmodus betrieben

Bild: 5056468 / Pixabay

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Wasserentsalzungs- und Fluoridionen-Entfernung mit Elektrodialyse

Sauberes Trinkwasser ist für unsere Gesundheit von größter Bedeutung. Trotz seiner zentralen Rolle für unser aller Leben bedroht die weltweit fortschreitende Industrialisierung die Süßwasserressourcen auf der ganzen Welt. So ist zum Beispiel Fluorid, wenngleich ein wesentliches Spurenelement, gleichzeitig auch Ursache für gefährliche gesundheitliche Schäden im Menschen. In größeren Mengen über längere Zeit vom Körper aufgenommen, verursacht Fluorid Fluorose, ein stark die Knochen schädigende Vergiftung.

Fluorid-haltige Mineralien im Gestein kommen besonders häufig in Indien vor. Durch Auswaschung gelangt Fluorid in anliegende Grundwasserleiter und so in den Boden. Die Konzentration von Fluoridionen in einem indischen Grundwasser kann mehr als 30 mg/l betragen. Giftige Konzentrationen von 20-80 mg / Tag über einen Zeitraum von 10 bis 20 Jahren verursachen irreparable Schäden am menschlichen Körper.

Fluoridionen im Grundwasser werden zur Wasseraufbereitung durch Membranen entfernt. Diese Membrane verschmutzen jedoch leicht, z.B. Bakterien in Abwasser oder andere Ablagerungen und können so ernsthafte Bedrohung für der öffentlichen Gesundheit darstellen. Daher liegt ein besonderer Fokus bei der Entwicklung von fluoridentfernenden Membranen auf der Verhinderung solcher Verschmutzugen, zum Beispiel in dem man bakterielles Wachstum verlangsamt.

Zur Wasseraufbereitung ist die Herstellung von antimikrobiellen Oberflächenmodifikation zur Herstellung hochwertigen Membranen für Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose ein wichtiger Schritt.

Elektrodialyse wird häufig zur Entfernung von Kontaminationen aus Wasser verwendet, da nur wenig Energie benötigt wird. Bei Elektrodialysemembranen sind Salzablagerungen ein wirtschaftliches Risiko, das es zu vermeiden gilt. Salzablagerungen können gehäuft auftreten, wenn die Konzentration zweiwertiger Ionen zu hoch ist. Hinzu kommt das Risiko von Biofouling durch mikrobielles Wachstum. Beide Vorgänge beeinträchtigen die Leistung von Elektrodialysemembranen, was widerum wirtschaftliche Verluste verursacht, da die Membranen gereinigt oder ersetzt werden müssen. Für eine effiziente Wasseraufbereitung ist es daher von Bedeutung, die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Membranen zu verbessern.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern haben eine zusammengesetzte Anionenaustauschmembran für Wasserentsalzungs- und Fluoridionenentfernung durch Elektrodialyse hergestellt, die über verbesserte antimikrobiellen Eigenschaften verfügt. Ihre Ergebnisse habe sie im Fachmagazin ACS ES&T Water publiziert. Das Konsortium bestand aus Forschern der Akademie für Wissenschaft und Innovation in Ghaziakad, Indien, und der Universität von Tokio.

Ihre Anionenaustauschmembranen basiert auf vernetzten Terpolymeren mit eingebauten Silber-Nanopartikeln zur Verlangsamung mikrobiellen Wachstums. Die Membrane sind geeignet für die Wasserentsalzung und Fluoridionentfernung durch Elektrodialyse. Die Herstellung der Terpolymere und Polyacrylnitril-Copolymere erfolgte durch N-Alkylierung unter Verwendung verschiedener Alkylhalogenide. Die N-Alkylierung des Terpolymers durch verschiedene Alkylgruppen beeinflußte die Wasseraufnahme, Hydrophobie, den Ionentransport und die ionische Leitfähigkeit der der Membran. Lange Alkylgruppen erhöhten die Wirksamkeit der Fluoridentfernung sowie die oxidative und physische Stabilität der Membranen. Die Eignung der hergestellten Verbundmembranen wurde für die Entfernung von gefährlichen Fluoridionen (5,5 und 11 mg/l) aus einer Natriumchloridlsung (2 g/l) durch Elektrodialyse bei einer Spannung von 2 V überprüft.

Der Einbau von 0,03% Silber-Nanopartikeln in das quaternisierten Polymer bewirkte die gewünschten antimikrobiellen Eigenschaften. Die einheitliche Verteilung der Silbernanopartikel in der Flüssig- und Festphase wurde durch Transmissionselektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen. Die Anheftung von Bakterien wurde durch Koloniezaehlung ueberprueft war 100-fach verringert, wenn Silbernanoprtikeln in die Membran eingebaut wurde. Die verringerte mikrobielle Anheftung auf die Membranoberfläche ist somit auf die antimikrobielle Wirkung der Silbernanopartikel zurückzuführen. Nur 0,03% Silbernanopartikel reichten aus, um gewünschte antimikrobielle Wirkung in der Membran zu erzielen.

Bei einer Wassertemperatur von 50°C trat nach 15 Tagen keine nachweisbare Auslaugung der Silberpartikel auf. Diese Arbeit stellt somit eine verbesserte Anionenaustauschmembran mit antimikrobieller Eigenschaft für eine effiziente Entfernung von Fluor sowie die Entsalzung durch Elektrodialyse dar.

Details zur Methodik

Der gesamte Syntheseprozeß erfolgte in vier Schritten:

  • Schritt 1: Silbernitrat wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, um eine 30 mM-Lösung herzustellen
  • Schritt 2: Terpolymer und quaternisierte Terpolymere wurden durch freie radikalische Polymerisation hergestellt
  • Schritt 3: Verbundzusatzstoffe wurden durch die Reduktion von Silbernitrat mit Natriumborhydrit in Gegenwart von Dimethylformamid hergestellt
  • Schritt 4: die Membran wurde mit den Silbernanopartikeln vernetzt

Charakterisierung der Anionenaustauschmembran

Die Membran wurde mithilfe zahlreicher analytischer Methoden charakterisiert:

  • UV-Vis und IR-Spektroskopie
  • Einbau der Silbernanopartikel durch Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie
  • Thermische Stabilität, Zugeigenschaften, Loeslichkeit sowie weiter physikochemische und elektrochemische Eigenschaften der Silbernanopartikel-Verbundpolymere wurden untersucht
  • Wasserentsalzungs- und Fluoridentfernung
  • Die Wirksamkeit der Silbernanopartikel auf mikrobielle Anheftung
  • Energieverbrauch und -effizienz während der Wasserentsalzungs- und Fluoridentfernung durch die Verbundmembran
  • Die Membranstabilität in Bezug auf pH, Temperatur und Fentons Reagenz wurde bewertet

Referenz:

Pal et al. 2021 „Composite Anion Exchange Membranes with Antibacterial Properties for Desalination and Fluoride Ion Removal“ ACS ES&T Water 1 (10), 2206-2216, https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00147

Bild: Wikipedia

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Schockelektrodialyse entfernt Blei aus Wasser

Blei wurde im Zuge der industriellen Revolution und dem damit verbundenen starken Anwachsen von Ballungszentrum standardmäßig zur Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser in Rohrleitungen eingestzt. Der Grund für die weite Verbreitung war die plastische Verformbarkeit der Leitungen beim Endabnehmer. Die negativen Gesundheitseffekte sind zwar schon seit den 1920er Jahren bekannt, doch die Umrüstung weiter Teile der Infrastruktur industrialisierter Staaten war und ist eine enorme wirschaftliche Herausforderung. Bleiverbindungen zirkulieren daher weiterhin mit dem Trink- und Abwasser in Leitungsystemen. Die Stadt Flint im Nordwesten Detroits war z.B. eine von der Presse viel beachtete Gemeinde, die über lange Jahre mit zahlreichen Bleivergiftungen zu kämpfen hatte und noch hat (z.B. Flint Water Crisis). Gelöstes Blei ist schon in sehr kleinen Konzentration hochgiftig und lagert sich zudem im Körper ab.

Die größte Herausforderung beim Entfernen von Blei aus dem Wasserkreislauf ist, daß es in der Regel in sehr geringen Konzentrationen gelöst ist. Andere Verbindungen „maskieren“ das gelöste Blei, was eine Entfernung schwierig macht. So ist z.B. Natrium zehntausend mal höher konzentriert, als Blei. Blei kann zwar heute aus Wasser durch Umkehrosmose oder Destillation entfernt werden, doch sind diese Prozesse wenig selektiv und damit ineffektiv. Sie verbrauchen sehr viel Energie, was wiederum eine Umweltbelastung darstellt und teuer ist. Zudem sind die ebenfalls im Wasser vorhanden anderen Mineralien gesund und daher gewünschte Bestandteile.

Ingenieure von Massachussetts  Institute of Technology (MIT) in Boston eine weitaus energieeffizientere Methode zur selektiven Entfernung von Blei aus Wasser entwickelt und ihre Ergebnisse im Fachjournal ACS EST Water publiziert. Das neue System kann Blei in Privathaushalten oder Industrieanlagen aus dem Wasser entfernen und entzieht es so dem Wasserkreislauf. Durch seine Effizienz ist es wirtschaftlich attraktiv und bietet seinen Anwendern einen klaren Vorteil.

Die Methode ist der vorläufig letzte Schritt in einer Reihe von Entwicklungsstufen, angefangen mit Entsalzunganlagen und später weiterentwickelt zu radioaktiver Dekontaminierung. Nun haben die Ingenieure mit Blei einen attraktiven Markt gefunden. Es ist das erste System, das auch für private Haushalte geeignet ist. Der neue Ansatz verwendet einen Prozeß, der von den MIT-Ingenieuren Schockelektrodialyse genannt wurde. Er ist im Wesentlichen der klassischen Elektrodialyse sehr ähnlich, da geladene Ionen in einem elektrischen Feld durch den Elektrolyten migrieren. Im Ergebnis werden Ionen auf einer Seite angereichtert während sie der anderen entzogen werden.

Der Unterschied der neuen Methode ist, daß das elektrische Feld in einer Art Schockwelle durch den Elektrolyten wandert und die Ionen mit sich zieht. Die Stoßwelle breitet sich von einer Seite zur anderen mit zunehmender Spannung aus. Der Prozeß führt zu einer Verringerung der Bleikontamination um 95%. Ähnliche Methoden werden auch zur Dekontaminierung von lösungsmittelbelasteten Böden verwendet. Grundsätzlich macht die Schockwelle den Prozeß wesentlich günstiger als bestehende Prozesse weil die elektrische Energie gezielt Blei entfernt und andere Mineralien größtenteils im Wasser zurückläßt. Dafür wird sehr viel weniger Energie verbraucht.

Wie üblich bei Prozessen aus Forschungslaboren, ist auch die Schockelektrodialyse noch zu ineffektiv um wirtschaflich im großen Maßstab eingesetzt werden zu können. Die Skalierung wird noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Doch das starke Interesse bei potentiellen Anwendern wird die Skalierung sicherlich beschleunigen. Zum Beispiel kann ein Haushalt, dessen Wasserversorgung stark mit Blei belastet ist, das hier vorgestellte System im Keller das Wasser langsam durch die Zuleitungsrohre führen, da hohe Flußraten nur zu bestimmten Zeiten am Tag auftreten. Dazu ist ein Wassereservoir notwendig, das gereinigtes Wasser vorrätig hält. Das kann eine schnelle und günstige Lösung für Gemeinden wie Flint sein.

Der Prozeß könnte auch für einige industrielle Zwecke angepaßt werden. In der Bergbau- und Ölindustrie wird z.B. viel stark belastetes Abwasser produziert. Man könnte die so entfernten Metalle sogar als Resource dem Markt zuführen, um so wirtschaftliche Anreize für die Abwasserreinigung zu schaffen. Allerdings sind direkte Vergleiche mit bestehenden Methoden schwierig, da die Langlebigkeit des entwickelten Systems erst noch gezeigt werden muß.

Bei Frontis Energy sind wir begeistert von der Idee, wirtschaftliche Anreize für umweltverträgliche Prozesse zu schaffen und sind schon gespannt auf die Kommerzialisierung des neu entwickelten Systems.

(Foto: Wikipedia)

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Wie Infrarotstrahlung das Verhalten von Grenzflächenwasser beeinflußt

Trotz des allgemeinen Glaubens ist sehr wenig über die Struktur von Wasser- und Grenzflächenwechselwirkungen bekannt. Grenzflächenwasser, das auf der Oberfläche von hydrophilen Materialien adsorbiert ist, wird sowohl von Wasseroberflächen- als auch von Wasser-Wasser-Wechselwirkungen gebildet. Man weiß, daß sich das Grenzflächenwasser vom Wasser in großen Mengen unterscheidet und gelöste und Mikrokügelchen ausschließen kann, und somit wird es als Ausschlußzone (AZ) bezeichnet. Es ist bekannt, daß AZ-Wasser einen höheren Brechungsindex, Viskosität und Lichtadsorption bei 270 nm hat. Die Ladungstrennung wird auch durch Wechselwirkungen an der Wasseroberfläche verursacht. Zum Beispiel hat die Wasser-AZ in der Nähe von Nafion™ Membranen ein elektrisches Potenzial von −200 mV.

Bisherige Studien zeigten, daß elektromagnetische Energie Grenzflächenwasser beeinflussen kann. Infrarot (IR) Energie kann eine Vergrößerung der AZ verursachen, was zu Ladungstrennung führt. Die nun veröffentlichte Studie wurde von Wissenschaftlern der University of Washington mit IR-Licht unterschiedlicher Intensitäten und Wellenlängen durchgeführt, um zu erkunden, ob die Strahlung den Prozeß beschleunigen und Protonen in den Wasserkörper einbringen können. Die Wissenschaftler versuchten, die wässrigen Zwischenschichten zu beleuchten, um mehr über deren komplexe Natur zu erfahren.

Experimentelle Analyse

Verwendete Materialien:

Entionisiertes Wasser mit dem Widerstand von 18,2 MΩ × cm wurde mit einem Barnstead D3750 Nanopure-Diamantwassersystem gereinigt. Andere Materialien waren eine Nafion™ N117-Membran, ein Kaliumphosphatpuffer, ein pH-Farbstoff und Carboxylat-Mikrokügelchen (1 μm Durchmesser in einer 2,5% Suspension daraus)

Probenvorbereitung:

Mikrokugel-Suspensionen (Mikrokugel-zu-Wasser 1:300) und ein pH-Farbstoff (1:20) wurden dem Wasser hinzuzufügt, um die Vorgänge besser zu visualisieren.

Aufgrund der Kohlendioxidabsorption hatte das Wasser einen leicht sauren pH-Wert von 6,35 und wurde daher neutralisiert. Um den pH-Wert zu stabilisieren, wurde ein 1-molarer Kaliumphosphatpuffer von pH 7,0 aus den gleichen Volumina von 1 molaren K2HPO4– und KH2PO4-Lösungen angesetzt. Die Endkonzentration betrug 1 mM.

Eine Nafion™ -Membran von 3 × 20 mm wurde in 1 Liter entionisierten Wasser für 24 Stunden vor dem Gebrauch eingeweicht.

Bestrahlungsexperimente:

In eine Kunststoffkammer wurden 1 ml gepuffertes Wasser mitsamt dem pH-Farbstoff und den Mikrokügelchen injiziert. Die Kammer bestand aus einem Trägerglas mit einer mittigen Rille in der vertikalen Ebene der Kammer. Darin wurde die Nafion™ -Membran befestigt. Diese Anordnung wurde auf der Bühne eines invertierten Mikroskops zur Beobachtung für 10 Minuten aufgestellt.

Für die Bestrahlungsexperimente mit einer mittleren Infrarot-Wellenlänge von 3,0 μm wurden drei Nahinfrarot (NIR) LEDs unterschiedlicher Wellenlängen verwendet. Die NIR-LEDs wurde 2 mm über der Wasseroberfläche in der Kammer platziert. Das Wasser wurde mit NIR-Licht bei möglichst konstanter Emissionsleistung 5 Minuten lang bestrahlt. Die Temperatur der Wasserproben wurde mit Infrarotkameras gemessen.

Ergebnisse

Wasserzonen unterscheiden sich von Wasserkörper

Das Grenzflächenwasser nahm den Farbstoff und die Mikrokugeln auf, was darauf hindeutete, daß sich AZ-Wasser in der Nähe der Nafion™ -oberfläche bildete. Eine rote Zone mit einem pH-Wert 4 wurde außerhalb des AZ-Wassers in der Protonenzone (PZ) gebildet. Die Forscher kamen zu dem Schluß, daß sich die Protonen durch anschwellende Grenzflächenwassers ansammelten. Mit andauerndem Kontakts zwischen Nafion™ und dem Wasser verdoppelten sich die AZ und die PZ . Die Mikrokugeln drifteten mit der Zeit vom Nafion™ weg.

Stabilität der AZ-Größe und der PZ-Größe

Aus der Beobachtung wurde ersichtlich, daß AZ-Wasser nicht durch die aus Nafion™ fließende Substanz verursacht wurde. Die Forscher nahmen an, daß die eisartige Struktur von Grenzflächenwasser die Bildung der AZ und PZ verursacht. Dieses Netzwerk hexagonaler Strukturen mißt mehrere hundert Mikrometer. Zwischen den AZ-Wasserschichten kam es zu elektrostatischen Aufladungen.

Wirkung von IR-Strahlung auf AZ- und PZ-Wasser

Die Protonkonzentration im PZ-Wasser stieg mit der IR-Intensität ebenso wie die Größe der AZ und der PZ. Höhere IR-Intensitäten schwächten die Hydroxylbindungen, wodurch die AZ-Erweiterung unterstützt wurde. Die IR-Strahlung verursachte auch eine Diffusion der Carboxylat-Mikrokugeln, die sich vom IR-Lichtpunkt mit zunehmender Intensität wegbewegten.

Wirkung von NIR auf AZ- und PZ-Wasser

Die Untersuchung des Effekts von NIR auf Grenzflächenwasser kann dazu beitragen, die Lichttherapie besser zu verstehen. Rote Wellenlängen und NIR-Wellenlängen haben die Eigenschaft, tiefer in Gewebe einzudringen. Die Lichttherapie kann bei der Synthese von Adenosin-Tri-Phosphat (ATP) helfen. Da ATP die universelle biologische Währung für Zellenergie ist, könnte die Lichttherapie weitere, noch unbekannte medizinische Vorteile haben. Grenzflächenwasser könnte als Photorezeptor in der Lichttherapie wirken, da Zellen Makromoleküle und Organellen enthalten. Die Verwendung von NIR zur Feststellung eines Protonengradienten ist ein interessanter Befund und legt weitere Untersuchungen nahe.

Schlußfolgerungen

Die Untersuchung zeigte, daß sich die EZ- und PZ-Zonen in Grenzflächenwasser nach fünf Minuten stabilisierten, und daß Infrarotstrahlung die Ausdehnung und Aktivität dieser Zonen erheblich erhöhen kann. Dies ist möglicherweise auf veränderte Eigenschafteb des Wassers auf hydrophilen Materialoberflächen zurückzuführen.

IR-Strahlung kann beim Aufbau von mikrokugelfreien Zonen helfen kann − ein Phänomen, das wiederum protonenreiche Zonen erzeugt. Dies ist auch für die Ladungstrennung in Grenzflächenwasser verantwortlich. Zusammenfassend wurden einige Fragen bezüglich der Komplexität von Grenzflächenwasser, EZ- und PZ-Wasserzonen geklärt.

Ausblick

Da Forschung nie endet sind auch im Fall von IR und Grenzflächenwasser weiter Untersuchung notwendig, um die Natur von EZ und PZ im Wasser besser zu verstehen. Zum Beispiel könnte die Verwendung von NIR zur Lichttherapie unter Verwendung von Grenzflächenwasser als Photorezeptor untersucht werden. Dies könnte neue medizinische Anwendungen hervorbringen.

Literaturnachweis: https://doi.org/10.1016/j.colcom.2021.100397: Effect of infrared radiation on interfacial water at hydrophilic surfaces, Colloid and Interface Science Communications, Volumen 42, 2021, 100397

Bild: Wikipedia

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Selbstreinigende Membranen zur Prävention und Kontrolle von Biokorrosion bei der Wasseraufbereitung

Trinkwasserwasseraufbereitung auf Membranbasis ist weit verbreitet, beispielsweise in der Abwasserbehandlung und Meerwasserentsalzung. Membranverschmutzung durch Biokorrosion ist teures Problem, das man bei allen Membranprozessen antrifft und das nur schwer in Griff zu bekommen ist. Es wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um entweder die Membranverschmutzung direkt zu verhindern oder wenigtens zu verlangsamen.

Keramikmembranen haben eine bessere thermische und chemische Stabilität mit höherer Fouling-Resistenz und längerer Lebensdauer im Vergleich zu Polymermembranen. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Keramikmembranen den Polymermembranen überlegen.

Während des Filtrationsprozesses ist die Wassermenge, die eine Membran durchlaufen kann, als Membranfluß bekannt. Durch Verschmutzung der Membran wird dieser Fluß reduziert und die betroffene Membran muß erneuert werden. Unterschiedliche Membranreinigungsstrategien wurden untersucht, einschließlich der selbstreinigenden leitfähigen polymeren Membran und der elektrisch unterstützten Filtration, aber keiner von ihnen hat ein zufriedenstellendes Flusswiederherstellungsverhalten gezeigt.

Bisherige Forschungen haben die Verwendung von ‚Nano Zeolith- und Kohlenstoffnanostrukturen für Wasseraufbereitungs- und Entsalzungsanwendungen empfohlen.

  • Zeolithe sind kristalline Aluminosilikate, die eine gut definierte anorganische Struktur besitzen, deren mikroporöse Kanäle und Poren als Filter wirken.
  • Kohlenstoffnanostrukturen bestehen aus stark verschlungenen Kohlenstoffnanoröhren, die durch ein standardisiertes chemisches Dampfabscheidungsverfahren hergestellt werden.

Um die Verwendung von Keramikmembranen aus Nano-Zeolith- und Kohlenstoffnanostrukturen zu untersuchen, entwickelte eine Gruppe von Forschern an der New York University Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate, eine neue elektro-keramische Membran und bewertete seine Verschmutzungsresistenz. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Chemical Engineering Journal veröffentlicht.

Forschungsansatz:

Zeolith / CNS-Membranvorbereitung:

Nano Zeolith-Y (Nano-Y) -membranen wurden hergestellt, indem die gewünschten Mengen an Nano-Y, Kohlenstoffnanostrukturen und Polyvinylidenfluorid (PVDF) in einer wäßrigen Alkohollösung verteilt wurden.

Die Suspension wurde darauffolgend durch ein Mikrofiltrationsmembranfilter vakuumfiltert, und die Membran wurde vor dem Trocknen bei Raumtemperatur abgezogen.

Drei verschiedene Verhältnisse von Zeolith- und Kohlenstoffnanostrukturen wurden zunächst mit 60, 70 und 80 Gewichts-% Zeolith hergestellt. Die Kohlenstoffnanostrukturen und das Bindemittel wurden in einem Verhältnis von 1:1 hergestellt.

Membran-Charakterisierung:

Die elektrische Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften der getrockneten Membranen wurden untersucht.

Die Oberflächenmorphologie der Zeolith-Kohlenstoff-Nanostrukturmembran wurde durch Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht.

Andere Tests einschließlich der Membrankontaktwinkelprüfung wurden auch an den verschiedenen markierten Membranen durchgeführt.

Membranreinigungstests und antibakterielle Beurteilung:

Als Inokulum wurden zwei Korrosionsbeschleuniger verwendet: Hefe (200 mg / l) und Natriumalginat (30 mg / l).

Eine maßgeschneiderte Zelle wurde für die elektrochemische Messungen entwickelt. Bei jedem Meßvorgang wurde eine frische Membran verwendet, die unter Verwendung von Linear-Sweep-Voltammetrie elektrochemisch charakterisiert wurde.

Antibakterielle Eigenschaften der neuen Strukturmembran wurden durch das Plattendiffusionsverfahren bestimmt. Unterschiedliche Bakterien wurden über Nacht bei 37°C in einem Schütteln inkubator bei 100 U / min kultiviert.

Ergebnisse:

Membranquerschnitte offenbarten eine gleichmäßige Verteilung von Nano-Zeolith-Partikeln und der Kohlenstoffnanostruktur. Die Zugfestigkeit wurde gelungener Nano-Zeolith-Einbau interpretiert. Es wurden Zugfestigkeiten von 3,3 MPa bis 2,1, 1,1 und 0,3 MPa für jeweils 60, 70 und 80 Gewichts-% gemessen. Darüber hinaus wurde innerhalb von 4 Minuten eine Abnahme des Wasserkontaktwinkels von 84,7 ± 2 bis 18 ± 4° gezeigt.

Die Verbundmembran zeigte eine verbesserte elektrokatalytische Aktivität für die Wasserstoffentwicklung in zwei Foulants; Hefe und Natriumalginat.
Diese elektrokeramischen MF-elektrokeramischen, antibakteriellen Membranen scheinen für verschiedene Trennverfahren wie in Abwasseraufbereitung, Farbstofftrennung und Öl / Wassertrennung versprechen, wo Fouling und Bakterienwachstum ein Hauptanliegen sind.

(Foto: WET GmbH, Attribution, Wikipdedia)

Referenz: https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128395 Electro-ceramic self-cleaning membranes for biofouling control and prevention in water treatment, Chemical Engineering Journal, Volume 415, 2021

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Mikrobielle Brennstoffzelle im Pilotmaßstab produziert Strom aus Abwasser

Bei der Abwasserbehandlung ist die Belüftung ein energieintensives und notwendiges Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen. Dabei blasen Pumpen Luft in das Abwasser und versorgen so die im Belebtschlammbecken vorhanden Mikroben mit Sauerstoff. Diese Bakterien oxidieren im Gegenzug organische Stoffe zu CO2 und entfernen diese adaurch aus dem Abwasser. Dieses Verfahren is der indutrielle Standard und hat sich seit über einem Jahrhundert bewährt. Geht es nach den Forschern der Washington State University und der University of Idaho, ändert sich das jetzt.

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein einzigartiges mikrobielles Brennstoffzellensystem, das sie als Ersatz für den Belebtschlamm entwickelten. Dieses nachhaltige Abwasserbehandlungssystem, reinigt Abwasser mithilfe von Mikroorganismen, die elektrischen Strom produzieren. Solche Mikroben nennt man Elektrophile.

Die Arbeiten sollen eines Tages zu einer geringeren Abhängigkeit von den energieintensiven Klärprozessen führen. Die meiste Energie in solchen Prozessen wird im Belebtschlamm und bei dessen Entsorgung verbraucht. Der Energieverbrauch bei der Wasseraufbereitung produziert weltweit zirka 4-5% des anthropogenen CO2. Zum Vergleich, laut der Air Transport Action Group in Genf produzierte der internationale Luftverkehr Jahr 2019 2,1% CO2. Ihre Arbeit publizierten die Forscher in der Fachzeitschrift Bioelectrochemistry. Zusätzlich zur Senkung der Emissionen, würde eine Senkung des Energieverbrauchs der Abwasserbehandlung jährliche Kostenersparnisse in Milliardenhöhe bringen.

Mikrobielle Brennstoffzellen lassen Mikroben chemische Energie ähnlich wie eine Batterie in Elektrizität umwandeln. Bei der Abwasserbehandlung kann eine mikrobielle Brennstoffzelle die Rolle der Belüftung übernehmen und Elektronen aus dem Abwasser aufnehmen. Diese Elektron sind wiederum ein Abfallprodukt des bakteriellen Stoffwechsels. Alle lebenden Organismen sind bestrebt, ihre ueberschuessigen Elektronen abzugeben. Dieser Prozess wird unter als Atmung oder Gärung bezeichnet. Der von den Mikroben erzeugte Strom kann für nützliche Anwendungen in der Kläranlage selbst verwendet werden. Die Technologie schlägt also zwei Fliegen mit einer Klappe. Einerseits spart die Klärung des Abwasser Energie. Andererseits erzeugt sie zusätzlich Strom.

Bisher wurden die mikrobiellen Brenstoffzellen experimentell in Abwasserbehandlungssystemen unter idealen Bedingungen eingesetzt, aber unter realen und wechselnden Bedingungen versagen sie häufig. Den mikrobiellen Brennstoffzellen fehlt eine interne Regulation, die das Potenzial von Anoden und Kathoden und damit das Zellpotential steuern, was zu einem Systemausfall führen kann.

Die Forscher fügten dem System eine zusätzliche Referenzelektrode hinzu, die die Steuerung ihres Brennstoffzellensystems ermöglicht. Das System ist umschaltbar. Es kann entweder als mikrobielle Brennstoffzelle für sich arbeiten und keine Energie verbrauchen, oder es kann so umgestellt werden, dass weniger Energie zur Belüftung verbraucht wird während es das Abwasser intensiver reinigt. Frontis Energy verwendet ein ähnliches Steuersystem für seine Elektrolysereaktoren.

Das System wurde ein Jahr lang ohne Fehler im Labor sowie im Pilotmaßstab in einer Test-Kläranlage in Idaho betrieben. Das System entfernte Abfälle mit vergleichbaren Raten wie in einem klassischen Belebtschlammbecken. Zusätzlich könnte die mikrobielle Brennstoffzelle möglicherweise völlig unabhängig vom Stromnetz verwendet werden. Die Forscher hoffen, daß es eines Tages für kleine Abwasserbehandlungsanlagen verwendet werden könnte, beispielsweise für die Reinigung von Viehbetrieben oder in sehr ländlichen Gebieten.

Trotz der Fortschritte gibt es immer noch Herausforderungen, die bewältigen müssen. Es handelt sich um komplexe Systeme, die schwer zu bauen sind. Bei Frontis Energy sind wir auf solche System spezialisiert und können bei der Markeinführung helfen.

(Foto: Wikipedia / National University of Singapore)

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Biokohle aus Abfall entfernt Arzneimittel aus Abwasser

Biokohle ist eine kohleähnliche Substanz, die hauptsächlich aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten hergestellt wird. Sie kann Verunreinigungen wie Arzneimittel aus vorbehandeltem Abwasser entfernen. Zu diesem Ergebnis kam eine Forschergruppe, der Pennsylvania State University und dem Arid Lands Agricultural Research Centerin Arizona. Die Biokohle wurde aus zwei in den USA gängigen landwirtschaftlichen Reststoffen aus der Baumwoll- und Kautschukverarbeitung hergestellt.

Um die Fähigkeit der Biokohle zur Adsorption von Arzneimitteln aus behandeltem Abwasser zu testen, erglichen die Wissenschaftler drei gängige pharmazeutische Verbindungen. Bei der Adsorption haftet ein Material wie eine pharmazeutische Verbindung an der Oberfläche fester Biokohlepartikel. Bei der Absorption dagegen wird ein Material intern in ein anderes aufgenommen, wie z.B. in einem Schwamm.

Guayule, ein Strauch, der im trockenen Südwesten der USA wächst, lieferte den Abfall für die getestete Biokohle. Unter Bonatikern auch Parthenium argentatum genannt, wird der Strauch als Quelle für Gummi und Latex kultiviert. Die Pflanze wird zu Boden gehackt und ihre Zweige zerdrückt, um den Latex zu extrahieren. Der trockene, breiige, faserige Rückstand, der nach dem Zerkleinern der Stiele zur Extraktion des Latex zurückbleibt, wird als Bagasse bezeichnet.

Die Ergebnisse sind von Bedeutung, da sie das Potenzial von Biokohle aus reichlich vorhandenen landwirtschaftlichen Abfällen aufzeigen. Diese Abfälle müßten ansonsten teuer entsorgt werden. Die Herstellung von Biokohle ist eine kostengünstige Zusatzbehandlung zur Reduzierung von Verunreinigungen in behandeltem Abwasser, das zur Bewässerung verwendet wird.

Gleichzeitig sind die meisten Kläranlagen derzeit nicht für die Entfernung neu auftretender Verunreinigungen wie Pharmazeutika ausgerüstet. Wenn diese toxischen Verbindungen durch Biokohle entfernt würden, könnte das Abwasser in Bewässerungssystemen wiederaufbereitet werden. Diese Wiederverwendung ist von entscheidender Bedeutung in Regionen, in denen ein Wassermangel die landwirtschaftliche Produktion behindert.

Die in der Studie verwendeten pharmazeutischen Verbindungen waren: Sulfapyridin, ein antibakterielles Medikament, das üblicherweise in der Veterinärmedizin verwendet wird; Docusat, ein weit verbreitetes Abführmittel und Stuhlweichmacher, sowie Erythromycin, ein Antibiotikum zur Behandlung von Infektionen und Akne.

Die im Fachmagazin Biochar veröffentlichten Ergebnisse legen nahe, daß Biokohle landwirtschaftliche Abfälle wirksam Arzneimittel adsorbieren kann. Dabei war die aus Abfällen der Baumwollverarbeitung gewonnene Biokohle jedoch wesentlich effizienter. Die Biokohle adsorbierte es 98% des Docusats, 74% des Erythromycins und 70% des Sulfapyridins aus wäßriger Lösung. Im Vergleich dazu adsorbierte die aus Guayulerückständen gewonnene Biokohle 50% des Docusats, 50% des Erythromycins und nur 5% des Sulfapyridins.

Die Forschung ergab, daß ein Temperaturanstieg von ungefähr 340ºC auf zirka 700ºC im sauerstoffreien Pyrolyseprozeß, der zur Umwandlung der landwirtschaftlichen Abfallmaterialien in Biokohle verwendet wurde, zu einer stark verbesserten Kapazität der Adsorption führte.

Bisher gab es keine Studien zur Verwendung von Guayulerückständen zur Herstellung von Biokohle und zur Entfernung von Verunreinigungen, ebenso wie für Baumwollverarbeitungsabfälle. Es wurden zwar Untersuchungen zur möglichen Entfernung anderer Verunreinigungen durchgeführt. Doch ist dies die erste Studie, in der Baumwollverarbeitungsabfälle speziell zur Entfernung von Arzneimitteln aus Wasser verwendet werden.

Die Forschung mehr als theoretisch. Bei Frontis Energy hoffen wir, daß die Technologie schon bald im industriellen Maßstab verfügbar sein wird. Da Baumwollverarbeitungsabfälle auch in den ärmsten Regionen weit verbreitet sind, sind wir der Ansicht, daß diese Quelle für Biokohle zur Dekontamination von Wasser vielversprechend ist. Der nächste Schritt wäre die Entwicklung einer Mischung aus Biokohlematerial, um eine Vielzahl von Verunreinigungen aus Wasser zu adsorbieren.

(Foto: Wikipedia)