Projekt 06637/01

Lasergestützte photochemische Wasseraufbereitungsanlage

Projektdurchführung

Friedrich-Schiller-Universität JenaInstitut für Optik und Quantenelektronik
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Untersuchung des photochemischen Abbaus problematischer Textilabwässer durch die intensive und im Vergleich zu herkömmlichen Quecksilberstrahlern kurzwelligere UV-Strahlung von Excimerlasern. Ziel waren die Klärung der prinzipiellen Abbaubarkeit der Farbstoffe mittels Excimerstrahlung sowie die Erarbeitung eines Bestrahlungs-/Behandlungs-Algorithmus für eine energie- und additivasparende Behandlung solcher u.a. problematischer Abwässer. Anhand der gewonnenen Daten sollten Abschätzungen zur Ökonomie des Verfahrens gemacht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen wurden am Realabwasser der Firma Curt Bauer GmbH Aue sowie an Modellösungen aus repräsentativen handelsüblichen Farbstoffen durchgeführt. Als typische Vertreter verschiedener Farbstoffklassen wurden ausgewählt: die Reaktivfarbstoffe reactive black 5 und reactive orange 16, die Idanthrenfarbstoffe vat red 10 und vat blue 6 sowie der basische Farbstoff basic red 18.
Die Farbstofflösungen mit Farbstoffkonzentrationen zwischen 50 mg/l und 250 mg/l wurden in einer Quarzglasküvette (5´3´1 cm³) mit unfokussiertem Excimerlaserlicht (Strahlquerschnitt 3´1 cm²) be-strahlt. Die Küvette ist mit zwei Glasrohren für die Zu- und Abfuhr von Ozon oder Luft versehen. Falls kein Ozon eingeblasen wurde, sorgte ein Magnetrührer für die aufgrund der sehr geringen Eindringtiefe der Laserstrahlung (< 1 mm) notwendige Durchmischung.
Als Strahlungsquelle wurde ein Multigas-Excimerlaser (Lambda Physik EMG 101) verwendet, so daß je nach verwendetem Gasgemisch zwei Wellenlängen zur Verfügung standen: 193 nm (ArF) und 248 nm (KrF). Bei der Excimerlaser-Strahlung handelt es sich um gepulste Strahlung mit einer Impulsdauer von etwa 20 ns. ES wurde bei einer Impulsfolgefrequenz von 15 Hz gearbeitet. Die maximale Energie eines Laserimpulses war 110 mJ bei ArF und 200 mJ bei KrF.
Der photolytische Abbau der Farbstoffe wurde anhand der Zweistrahl-UV/VIS Absorptionsspektren (ZEISS M500) sowie der umweltpolitisch relevanten Summenparameter TOC (totaler Gehalt an organischem Kohlenstoff und CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) verfolgt.


Ergebnisse und Diskussion

Während des Förderprojektes wurde anhand von Abwässern aus der Textilindustrie sowie entsprechenden Modellösungen der photochemische Abbau der enthaltenen Schadstoffe mittels Excimerlaserstrahlung untersucht. Dabei zeigte sich, daß die intensive, monochromatische (248 nm oder 193 nm) und gepulste Strahlung des Excimerlasers in der Lage ist, die im Abwasser enthaltenen Farbstoffe abzubauen. Insbesondere ist die Strahlung des bei 193 nm emittierenden ArF-Lasers sehr effektiv, da im Vergleich zum KrF-Laser (248nm) deutlich weniger Strahlungsenergie sowie wesentlich weniger beziehungsweise keine zusätzlichen Oxidationsmittel wie H2O2 oder Ozon benötigt werden. Ökonomische Abschätzungen führten jedoch zu dem Schluß, daß der Excimerlaser aufgrund seines geringen Wirkungsgrades von maximal 2% bei der Behandlung von Farbabwässern mit den herkömmlichen Quecksilberstrahlern bezüglich des Verbrauchs an Elektroenergie nicht konkurrieren kann.
Dennoch wird eine Einsatzmöglichkeit des Excimerlasers bei der Behandlung von mit konventionellen Methoden schwer abbaubaren Abwässern gesehen. Solche Abwässer sind z. B. Grundwasser aus militärischen Altlasten, Abwässer aus der chemischen Industrie und lösungsmittelhaltige (CKW-haltige) Abwässer. Diese in der zweiten Projektphase untersuchten Abwässer sind mit der ArF-Laserstrahlung ebenfalls abbaubar, wobei ökonomische Betrachtungen noch ausstehen.
Wegen der hohen Effektivität der 193nm-Strahlung, die derzeitig nur mit dem ArF-Excimerlaser bei ausreichender Intensität erzeugt werden kann, wurden in der zweiten Projektphase außerdem Anstrengungen zur Entwicklung einer neuartigen, bei 193 nm emittierenden Strahlungsquelle mit deutlich höherem Wirkungsgrad unternommen. Die Funktionsweise des zum Patent angemeldeten Strahlers sowie erste Ergebnisse von Labortests werden im vorliegenden Abschlußbericht beschrieben.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden in 2 Publikationen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht:
Sie wurden auf der 1. Internationalen Konferenz über Oxydationstechnologien für die Wasser- und Abwasserbehandlung, die vom 12.-15. Mai 1996 in Goslar stattfand, in Form eines Posters sowie eines Beitrages für den Tagungsband, der zusätzlich für die Veröffentlichung im IAWQ-Journal Water Science and Technology ausgewählt wurde, vorgestellt. Desweiteren wurden die Ergebnisse in der Thüringer Zeitschrift Biosphäre Nr.9(1996)4-7 umfassend dargestellt.
Das Projekt zur Abwasserreinigung mittels Excimerlaserstrahlung wurde auf der Hannovermesse 1996 im Rahmen des Gemeinschaftsstandes Forschungsland Thüringen vorgestellt. Im Zusammenhang damit wurde eine Presse-Information erstellt. Das führte zu zahlreichen Mitteilungen bzw. redaktionellen Veröffentlichungen sowohl in der universitätseigenen als auch der Tagespresse. Während der Hannovermesse wurde außerdem ein Vortrag im Forum der Messehalle gehalten, der vom Nachrichtensender NTV aufgezeichnet wurde.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß die kurzwellige, im Bereich unter 200 nm liegende UV-Strahlung prinzipiell sehr gut zum Schadstoffabbau im Abwasser geeignet. Es bleibt jedoch die Aufgabe, geeignete, ökonomisch vertretbare Strahlungsquellen zu entwickeln, die im Wellenlängenbereich zwischen 180-200 nm eine intensive Strahlung liefern.