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Umgekehrte Elektrodialyse mit Nafion™-Membranen erzeugt erneuerbare Energie

Um dem weltweiten Bedarf an sauberen Energiequellen gerecht zu werden, stößt die durch umgekehrte Elektrodialyse (UED) gewonnene Energie mit Salzgehaltsgradienten in den letzten Jahren auf großes Interesse. Darüber hinaus wird Solelösung aus der Meerwasserentsalzung derzeit als Abfall betrachtet. Dank seines hohen Salzgehalts kann es jedoch als wertvolle Ressource für die UED genutzt werden. Die UED ist eine technische Anpassung der osmotischen Energieproduktion der Natur, bei der Ionen über die Zellmembran fließen, um die universelle biologische Währung ATP zu produzieren. Diese Energie wird auch durch die UED-Technologie gewonnen.

Mehr denn je besteht Bedarf an nachhaltigen und umweltfreundlichen technologischen Lösungen, um mit der ständig wachsenden Nachfrage nach sauberem Wasser und sauberer Energie Schritt zu halten. Die traditionelle lineare Art der Energieproduktion ist nicht nachhaltig und der neue Ansatz der Kreislaufwirtschaft hat einen Platz gefunden, an dem Abfälle als wertvolle Ressource für einen anderen Prozess betrachtet werden können. In dieser Hinsicht ist die umgekehrte Elektrodialyse eine vielversprechende elektromembranbasierte Technologie zur Erzeugung von Strom aus konzentrierten Lösungen durch Ernte der freien Gibbs-Energie zum Mischen der Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt. Insbesondere in Entsalzungsanlagen hergestellte Solelösungen, die derzeit als Abfall betrachtet werden, können als konzentrierte Ströme im RED-Stapel verwendet werden.

Avci et al. der Universität von Kalabrien haben kürzlich ihre Lösung für die Entsorgung von Sole mit UED-Stack veröffentlicht. Sie haben erkannt, dass zur Maximierung der erzeugten Leistung die hohe Permselektivität und Ionenleitfähigkeit von Membrankomponenten in UED wesentlich sind. Obwohl Nafion™-Membranen zu den bekanntesten kommerziellen Kationenaustauschmembranlösungen für elektrochemische Anwendungen gehören, wurden keine Untersuchungen zur Verwendung für RED-Prozesse durchgeführt. Dies war der erste gemeldete UED-Stapel mit Nafion™-Membranen.

Eine typische UED-Einheit ähnelt einer Elektrodialyseeinheit (ED), bei der es sich um eine kommerzialisierte Technologie handelt. ED verwendet eine Beschickungslösung und elektrische Energie, während Konzentrat und Verdünnung getrennt erzeugt werden. Im Gegensatz dazu verwendet UED konzentrierte und verdünnte Lösungen, die kontrolliert miteinander gemischt werden, um spontan elektrische Energie zu erzeugen. In einem UED-Stapel wiederholen sich UED-Zellen, die aus alternierenden Kationen- und Anionenaustauschermembranen bestehen, die für Anionen und Kationen selektiv sind. Der Salzgradient über jeder Ionenaustauschermembran erzeugt eine Spannungsdifferenz, die die treibende Kraft für den Prozess ist. Die Ionenaustauschermembranen sind eine der wichtigsten Komponenten eines UED-Stapels. Die Leistung von Nafion™-Membranen (Nafion™ 117 und Nafion™ 115) wurde unter Bedingungen eines hohen Salzgehaltsgradienten für die mögliche Anwendung in UED bewertet. Um die natürlichen Umgebungen des UED-Betriebs zu simulieren, wurden NaCl-Lösung sowie Mehrkomponenten-NaCl + MgCl2 getestet.

Die Bruttoleistungsdichte unter hohem Salzgehaltsgradienten und die Wirkung von Mg2+ auf die Effizienz bei der Energieumwandlung wurden in Einzelzellen-UED unter Verwendung von Nafion™ 117, Nafion™ 115, CMX und Fuji-CEM-80050 als Kationenaustauschermembranen bewertet. Zwei kommerzielle Kationenaustauschermembranen – CMX und Fuji-CEM 80050, die häufig für UED-Anwendungen verwendet werden, haben als Vergleich gedient.

Die Ergebnisse zeigen, dass unter der Bedingung von 0,5 M / 4,0 M NaCl-Lösungen das höchste Pd,max unter Verwendung einer Nafion™ -Membran erreicht wurde. Dieses Ergebnis wird auf ihre hervorragende Permselektivität im Vergleich zu anderen CEMs zurückgeführt. In Gegenwart von Mg2+ -Ionen wurde Pd,max eine Reduktion von 17 und 20% für Nafion™ 115 bzw. Nafion™ 117 aufgezeichnet. Beide Membranen behielten ihren geringen Widerstand bei; Unter dieser Bedingung wurde jedoch ein Verlust an Permselektivität gemessen. Es wurde jedoch berichtet, dass Nafion™ -Membranen andere kommerzielle Membranen wie CMX und Fuji-CEM-80050 für die UED-Anwendung übertrafen.

(Mima Varničić, 2020, photo: Wikipedia)

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Abwasser ist eine global unterschätzte Resource

In unserem letzten Beitrag zur Wasserqualität in China haben wir auf eine Studie hingewiesen, die zeigt, wie sich eine verbesserte Abwasserbehandlung positiv auf die Umwelt und letztendlich auf die öffentliche Gesundheit auswirkt. Abwasserbehandlung erfordert jedoch eine ausgeklügelte und kostspielige Infrastruktur. Diese ist nicht überall verfügbar. Die Gewinnung von Ressourcen aus Abwasser kann jedoch einen Teil der Kosten ausgleichen, die durch den Bau und Betrieb von wolchen Anlagen entstehen. Die offene Frage ist, wieviele Ressourcen sind im Abwasser enthalt?

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Natural Resources Forum veröffentlichte Studie versucht, diese Frage zu beantworten. Es ist die erste dieser Art, die abschätzt, wie viel Abwasser alle Städte der Erde pro Jahr produzieren. Die Menge ist enorm, wie die Autoren sagen. Derzeit fallen weltweit jährlich 380 Milliarden m³ Abwasser an. Die Autoren ließen bei ihrer Untersuchung nur 5% der städtischen Gebiete aus.

Die wichtigsten Ressourcen im Abwasser sind Energie, Nährstoffe wie Stickstoff, Kalium und Phosphor sowie das Wasser selbst. In kommunalen Kläranlagen stammen sie aus menschlichen Exkrementen. In Industrie und Landwirtschaft enthält Abwasser Überreste der Produktionsprozesse. Das Forscherteam berechnete, wie viele Nährstoffe aus kommunalen Abwässern wahrscheinlich in den globalen Abwasserstrom gelangen. Dabei errechneten sie erreichen eine Gesamtzahl von 26 Millionen Tonnen pro Jahr. Das ist fast das Achtzigfache des Gewichts des New Yorker Empire State Buildings.

Wenn man die gesamte Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumbelastung zurückgewinnen würde, könnte man theoretisch 13% des weltweiten Düngemittelbedarfs decken. Die Forscher gingen davon aus, daß das Abwasservolumen wahrscheinlich weiter zunehmen wird, da auch die Weltbevölkerung, die Urbanisierung und der Lebensstandard zunehmen. Sie schätzen weiter, daß es im Jahr 2050 fast 50% mehr Abwasser geben wird als im Jahr 2015. Es wird notwendig sein, so viel wie möglich davon zu behandeln und die Nährstoffe in diesem Abwasser stärker zu nutzen! Wie wir in unserem vorherigen Beitrag betont haben, verursacht Abwasser immer mehr Umwelt- und Gesundheitsprobleme.

Abwasser enthält auch viel Energie. Kläranlagen in Industrieländern nutzen sie seit langem in Form von Biogas. Die meisten Kläranlagen fermentieren Klärschlamm in großen anaeroben Fermentern und produzieren daraus Methan. Infolgedessen sind einige dieser Kläranlagen jetzt energieunabhängig.

Die Autoren berechneten in ihrer Studie das Energiepotential, das im Abwasser aller Städte weltweit verborgen liegt. Grundsätzlich reicht die Energie aus, um 500 bis 600 Millionen Durchschnittsverbraucher mit Strom zu versorgen. Die einzigen Probleme sind: Abwasserbehandlung und Energietechnologie sind teuer und werden daher in nicht Schwellen- und Entwicklungsländern wenig eingesetzt. Laut den Wissenschaftlern wird sich dies ändern. Gelegentlich passiert dies bereits.

Singapur ist ein prominentes Beispiel. Dort wird das Abwasser so gründlich geklärt, daß es in das normale Wassernetz zurückgeführt wird. In Jordanien gelangt das Abwasser aus den Städten Amman und Zerqa durch ein Gefälle in die kommunale Kläranlage. Dort sind kleine Turbinen installiert, die seit ihrem Bau Energie liefern. Solche Projekte zeigen, daß eine Rückgewinnung von Ressourcen möglich ist. Sie macht die Abwasserbehandlung effizienter und kostengünstiger.

Die Frontis-Technologie basiert auf der mikrobiellen Elektrolyse, bei der viele Schritte in Kläranlagen in einem einzigen Reaktor kombiniert werden, um sowohl Nährstoffe als auch Energie zurückzugewinnen.

(Foto: Wikipedia)

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Verbesserungen der Wasserqualität in China

In den letzten Jahrzehnten war China durch eine rasante technologische und wirtschaftliche Entwicklung gekennzeichnet, dies jedoch auf Kosten seiner Umwelt. Die Verschlechterung der Wasserqualität im Landesinneren gilt als eine der schwerwiegendsten Umweltbedrohungen für das Ökosystem und letztendlich auch für die Gesundheit der Einwohner des Landes.

Seit 2001 hat China große Anstrengungen unternommen, um Umweltvorschriften in Kraft zu setzen und die Wasserverschmutzung durch Siedlungen, landwirtschaftliche Betriebe und Industrie zu stoppen. Nach dem „10. Nationalen Fünfjahresplan“ der Kommunistischen Partei Chinas wurden beträchtliche Investitionen in Systeme zur Kontrolle der Umweltverschmutzung und zur Abwasserentsorgung getätigt.

Einige Studien zeigten, daß durch diese Maßnahmen die chinesischen Seen und Flüsse erwartungsgemäß sauberer wurden. Zwar hat  sich seitdem die Wasserqualität erheblich verbessert. Andere Landesteile haben jedoch immer noch Probleme mit verschmutzen Wasser.

Jetzt hat eine Forschergruppe der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking in der renommierten Zeitschrift Science eine der umfassendsten nationalen Untersuchungen zur Oberflächenwasserqualität Chinas veröffentlicht. Die Forscher untersuchten alle Regionen des Landes, um herauszufinden, wie sich die Wasserqualität über einen Zeitraum von zirka 15 Jahren entwickelt hat. Der Artikel bewertet die Wasserqualität anhand von drei Parametern: Gehalt an gelöstem Sauerstoff (DO), chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und Ammoniumstickstoff (N) in Oberflächengewässern. Die Forscher führten zwischen 2003 und 2017 monatliche Punktmessungen an den wichtigsten chinesischen Flüssen und Seen im ganzen Land durch.

Aufgrund regionaler Unterschiede in der Binnenwasserqualität Chinas sowie der Dynamik in mehreren anthropogenen Verschmutzungsquellen sind solche Studien von entscheidender Bedeutung, um die erforderliche Regulierungen zur Verbesserung der Wasserqualität zu anzugehen. Diese müssen an die Nachhaltigkeit der Ökosysteme in allen Länderregionen angepaßt werden.

Die Ergebnisse zeigen, daß in den letzten 15 Jahren die durchschnittliche jährliche Verschmutzung im ganzen Land deutlich und linear gesunken ist oder auf einem guten Niveau gehalten wurde. Folglich ist der jährliche Prozentsatz der Wasserqualität für CSB um 1,77%, für N 1,83% und für DO um 1,45% pro Jahr gestiegen. Zwar gibt es in China keine Belastungsgrenzwerte für Gewässer. Doch die Studie zeigt, daß sich Chinas Wasserqualität kontinuierlich verbessert hat.

Die beste Nachricht ist, daß die notorisch hohen Verschmutzung zurückgegangen sind, da Kommunen und Industrie daran gearbeitet haben, ihre Abwässer zu säubern und zu reduzieren. Den Autoren zufolge wurde die sichtbarste Linderung in Nordchina festgestellt, während in der westlichen Region des Landes die Wasserqualität während des gesamten Beobachtungszeitraums in einem guten Zustand blieb. Der Grund ist wahrscheinlich, daß die Verschmutzung durch Menschen verursacht wird, diese Teile des Landes aber nur dünn besidelt sind.

Trotz großer Anstrengungen zur Verringerung der Schadstoffemissionen gelten urbane Zentren nach wie vor als die wichtigsten Verursacher von Verschmutzung. Diese Gebiete sind aufgrund der ständigen Zuzugs der Landbevölkerung und der schnellen Verstädterung der ländlichen Regionen einem zusätzlichen Druck ausgesetzt. Insbesondere in Nordchina ist der Kampf gegen Umweltverschmutzung besonders schwierig, da diese Region durch eine explodierende Urbanisierung besonders betroffen ist.

Um Chinas Umweltverschmutzung weiter zu reduzieren und die Wasserqualität zu verbessern, empfehlen die Autoren, daß sich zukünftige Aktivitäten auf Wassermanagementsysteme und die Kontrolle der Wasserverschmutzung konzentrieren. Für beide hat die Zentralregierung Leitlinien zur Kontrolle und Verbesserung des Wasserverbrauchs und der Verschmutzung auf regionaler und nationaler Ebene für die Jahr bis 2020 und 2030 herausgegeben.

Bei Frontis Energy unterstützen wir alle Aktivitäten, die zur Verbesserung der Wasserqualität und der öffentlichen Gesundheit Chinas beitragen. Die Frontis-Technologie bietet dem Benutzer einen Anreiz, das Abwasser vor der Einleitung durch Entnahme seiner Energie zu reinigen. Unsere zum Patent angemeldeten Lösungen basieren auf mikrobieller Elektrolyse, die dazu beiträgt, Energie aus Abwasser zu gewinnen und insbesondere in China anzuwenden.

Mima Varničić, 2020

(Foto: Gil Dekel / Pixabay)

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Leistungsfähigere bioelektrische Reaktoren durch Nanomaterialien

Seit Professor Potters Entdeckung der Fähigkeit von Mikroben, organische Moleküle mithilfe von mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) elektrische Energie umzuwandeln (Potter MC, 1911, Proc Roy Soc Lond Ser B 84: 260–276), wurde viel Forschung betrieben um deren Leistung zu verbessern. Leider hat dies nicht zu einer wirtschaftlich sinnvollen Technologie geführt. MFCs schafften es nie aus den Klassenräumen heraus. Durch die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von Nanomaterialien könnte sich das jetzt ändern.

Der Fokus der Entwicklung von Nanomaterialien in bioelektrischen Reaktoren lag gewöhnlich auf Elektroden, Membranen und den Elektrolyten mit deren nahezu unerschöpflichen Möglichkeiten, leistungsfähige Verbundstoffe herzustellen. Die Vorteile solcher Materialien sind ihre große Oberfläche, Kosteneinsparungen und Skalierbarkeit. All dies ist erforderlich, um bioelektrischen Reaktoren erfolgreich zu kommerzialisieren. Die großtechnische kommerzielle Anwendung könnte die Abwasserbehandlung sein. In unserer kürzlich veröffentlichten Literaturstudie haben wir herausgefunden, dass es keinen gemeinsamen Benchmark für Leistung gibt, wie er in der Photovoltaik oder bei Batterien üblich ist. Um unsere Ergebnisse zu normalisieren, verwendeten wir Dollar pro Peak-Leistungskapazität als (USD/Wp), wie es in der Photovoltaik Standard ist. Die durchschnittlichen Kosten für Luftkathoden von MBZ betragen 4.700 USD/Wp (2.800 USD/m²). Platin auf Kohlenstoff (Pt/C) und Kohlenstoffnanofasern sind mit 500 USD/Wp (Pt/C 2.800 USD/m²; Nanofasern 2.000 USD/m²) die besten Materialien.

Wir haben herausgefunden, daß kohlenstoffbasierte Nanomaterialien oft eine mit Pt/C vergleichbare Leistung liefern. Während MBZ noch weit davon entfernt sind, rentabel zu sein, sind bereits mikrobielle Elektrolysezellen bereits im Markt angekommen. Mit diesen neuen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien rücken MBZ jedoch näher und werden zu einer wirtschaftlichen Realität. Graphen- und Kohlenstoffnanoröhrchen sind vielversprechende Materialien, wenn sie mit Mineralien wie Mangan- oder Eisenoxiden kombiniert werden. Der Preis für Graphen ist jedoch immer noch zu hoch, um MBZ in der Abwasserbehandlung zur wirtschaftlichen rentabel zu machen. Die Kosten für die mikrobielle Elektrolyse sind allerdings bereits so niedrig, dass sie eine ernstzunehmende Alternative zur herkömmlichen Abwasserbehandlung darstellen, wie wir im obigen Beitragsbild zeigen. Bei stark belastetem Abwasser könnte eine Aufbereitungsanlage tatsächlich zu einem Kraftwerk werden, dessen überschüssiger Strom am Markt verkauft werden kann. Die Kosten für die mikrobielle Elektrolyse werden durch die Kombination von billigem Stahl und Graphit reduziert.

Zusammenhang zwischen Reaktorkapazität und Gesamtelektrodenkosten einschließlich Anode und Kathode. Fehler sind Standardabweichungen von vier verschiedenen Rohrreaktorkonstruktionen. Anoden sind Graphitgranulate und Kathoden sind Stahlrohre

Graphit wiederum ist das Ausgangsmaterial für Graphen, einem vielversprechenden Stoff für MBZ-Elektroden. Wenn Graphitflocken auf wenige Graphenschichten reduziert werden, sind einige der technologisch wichtigsten Eigenschaften des Materials stark verbessert. Dazu gehören die Gesamtoberfläche und die Elastizät. Graphen ist also ein sehr dünner Graphit. Viele Hersteller von Graphen nutzen dies, um ein Material zu verkaufen, das in Wirklichkeit nur billiger Graphit ist. Im Fachmagazin Advanced Materials schreiben Kauling und Kollegen eine systematische Studie von Graphen von 60 Herstellern und stellen fest, daß viele hochpreisige Graphenprodukte hauptsächlich aus Graphitpulver bestehen. Die Studie ergab, daß weniger als 10% des Materials in den meisten Produkten aus Graphen bestand. Keines der getesteten Produkte enthielt mehr als 50% Graphen. Viele waren stark kontaminiert, höchstwahrscheinlich mit Chemikalien, die im Produktionsprozess verwendet wurden. Dies kann oft dazu führen, daß ein Material katalytische Eigenschaften hat, die ohne Verunreinigung nicht beobachten worden wären, wie z.B. die Materialforscher Wang und Pumera berichteten.

Es gibt viele Verfahren zur Herstellung von Graphen. Eines der einfachsten ist die Ablagerung auf einer Metallischen Oberfläche, wie wir es in unserer neuesten Publikation beschreiben:

Im Allgemeinen werden einschichtiges Graphen (ESG) und mehrlagiges Graphen (MLG) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aus einem Kohlenstoffvorläufer (kohlenstoffhaltigen Gasen) auf katalytischen Metalloberflächen synthetisiert. In einem oberflächenvermittelten Gasphasenabscheidungsprozess kann der Kohlenstoffvorläufer, z. Isopropylalkohol (IPA) wird an der Metalloberfläche zersetzt, z. Cu oder Ni. Um die Anzahl der gebildeten Graphenschichten zu kontrollieren, muss die Löslichkeit des Kohlenstoffvorläufers auf der Metallkatalysatoroberfläche berücksichtigt werden. Aufgrund der geringen Löslichkeit des Vorläufers in Cu kann ESG gebildet werden. Es ist schwierig, ESG auf der Oberfläche eines Metalls mit einer hohen Affinität für den Vorläufer zu züchten.

Protokoll:
Das Protokoll ist eine wirtschaftliche, sichere und einfache Methode zur Synthese von MLG-Filmen durch Gasphasenabscheidung in 30–45 Minuten in einem Chemielabor. Eine Nickelfolie wird zum Ätzen in Essigsäure getaucht und anschließend in ein luftdichtes Quarzrohr überführt, das das System vor Umgebungssauerstoff und Wasserdampf schützt. Stickstoffgas wird durch IPA geblasen, und das resultierende IPA-gesättigte Gas wird durch das geschlossene System geleitet. Dabei werden die Abgase in einem Becher mit Wasser- oder Gaswaschflasche gewaschen. Der Strom wird 5 min lang mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 cm3/min gespült. Sobald die Flamme eines Meker-Brenners 575–625 °C erreicht, wird sie unter der Nickelfolie positioniert, sodaß ausreichend Energie für die Bildung von Graphen zur Verfügung steht. Die Flamme wird nach 5–10 Minuten gelöscht, um die Reaktion zu stoppen und das System 5 min lang abzukühlen. Man erhält die mit Graphen beschichtete Ni-Folie.

Aber wie dünn müssen Graphitflocken sein, um sich als Graphen zu verhalten? Eine verbreitete Idee, die von der International Organization for Standardization (ISO) unterstützt wird, ist, daß Flocken mit mehr als zehn Graphenschichten im Wesentlichen aus Graphit bestehen. Die Thermodynamik gibt vor, daß sich jede Atomschicht in einer Flocke mit zehn oder weniger Schichten bei Raumtemperatur als einzelner Graphenkristall verhält. Darüber hinaus verstärkt sich die Steifheit der Graphitflocken mit der Schichtdicke, was bedeutet, daß dünne Graphenflocken um Größenordnungen elastischer sind als dickere Graphitflocken.

Um tatsächlich Graphen in bioelektrischen Reaktoren einsetzen zu können, muß man es leider immernoch selbst herstellen. Die Zutaten finden Sie in unserem Do-It-Yourself Shop.