Schlagwort: Kationenaustauschmembran

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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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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.

Bild: Pixabay

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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)