Im Rahmen des beantragten Projektes soll eine verfahrenstechnische Lösung zur Reinigung von separiertem Grauwasser in Kombination mit der Energieerzeugung durch Photovoltaiksysteme als Kombinationsansatz entwickelt werden. Hierbei sollen Photovoltaikmodule mit photokatalytisch aktiven, dreidimensionalen Strukturen versehen werden. Diese Strukturen sollen aus Lichtfallen bestehen, welche durch eine photokatalytische Beschichtung von der Solarzelle nicht nutzbares UV-A Licht zur Reinigung von separiertem Grauwasser nutzt.
Für das geplante Vorhaben wurde ein photokatalytischer Reaktor in Kombination mit einem PV-Panel entwickelt und in mehreren Arbeitsschritten gebaut: Zunächst wurde eine dreidimensionale Lichtfalle entwickelt, die additiv gefertigt wurde. Anschließend erfolgte die Fertigung des Reaktorgehäuses aus Kunststoff mittels 3D-Druck. Parallel dazu wurde ein geeigneter Katalysatorträger entwickelt, der im nächsten Schritt mit TiO2 durch das Dip-Coating-Verfahren beschichtet wurde. Nach der Fertigstellung wurde der Reaktor zunächst unter Laborbedingungen mit einer künstlichen Lichtquelle getestet. Abschließend fand ein Funktionstest während eines Feldversuchs mit Grauwasser statt, bei dem folgende Eigenschaften und Parameter ermittelt wurden:
Bei dem experimentellen Test wurden folgende Korrelationen und Parameter ermittelt:
- Notwendiger Volumenstrom
- Abhängigkeit zwischen Lichtintensität und Abbaukinetik
- Systemspezifische Halbwertszeiten der Medikamente
- Solare Energieausbeute bei unterschiedlicher Konstellation der Lichtfallen
- Chemischer Sauerstoffbedarf
- Mikrobiologische Grauwassereigenschaften und potenzielle Desinfektionsleistung
- Kühleffekt durch das Grauwasser
- Potenzielle Synergieeffekte
Die Datenerfassung und die Steuerung wurde unter Verwendung der Programmiersprache C++ mit einem Arduino Microkontroller ermöglicht. Zur chemischen Analyse im Bezug auf den Medikamentenspurenabbau wurden unter Verwendung eigens entwickelter Analysemethoden ein Hochleistungsflüssigkeitschromatograph (HPLC) mit einem Dioden Array Detektor (DAD) und ein Gaschromatograph mit einem Massenspektrometer (GC-MS) eingesetzt.
In den Vor- und Feldversuchen wurden Proben alle 20 Minuten analysiert und auf den Abbau von Diclofenac und Ibuprofen untersucht. Diese Wirkstoffe werden als Schmerzsalben dermal appliziert und somit in relevanten Mengen durch Körperpflege in den Grauwasserpfad eingetragen. Diclofenac zeigte einen Abbau von über 80 % innerhalb von 360 Minuten, während Ibuprofen keine signifikante Veränderung aufwies.
Die HPLC-Analyse bestätigte den Abbau von Diclofenac mit einer Halbwertszeit von 100 Minuten. Die GC-MS-Analyse unterstützte im Wesentlichen diese Ergebnisse, zeigte aber Abweichungen aufgrund möglicher Derivatisierungsprobleme. Trotz eines höheren chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) verlief der Abbau von Diclofenac im Reaktor mit Katalysator 2,5-mal schneller als ohne Katalysator, während Ibuprofen in beiden Reaktoren nicht abgebaut wurde.
Temperaturmessungen ergaben keine signifikanten Unterschiede zwischen den Reaktoren, und auch Unterschiede in der Sonnenintensität hatten keinen nennenswerten Einfluss auf die Abbaukinetik von Diclofenac. Bei der PV-Leistungsmessung zeigte Reaktor 3 zeitweise eine höhere Leistung, jedoch führten Leckagen (Luftblasen) und Schlierenbildung zu einem geringeren Gesamtenergieertrag. Reaktor 2 erzielte die höchste Energieausbeute von 2,14 Wh, während Reaktor 3 lediglich 0,84 Wh erreichte. Optimierungen könnten den Energieertrag von Reaktor 3 verbessern.
- Präsentation des Projekts „CataVolt“ im Rahmen des 4. Hofer Wässer-Symposium am 15. - 16. Oktober 2024 an der Hochschule Hof
- Tagesvorführungen verschiedener Interessensgruppen aus der Industrie und der Lehre (z. B. DAAD Summerschool)
- Präsentation auf der Webseite des Instituts für nachhaltige Wassersysteme der Hochschule Hof
Das Fazit der vorliegenden Studie zeigt, dass das adaptiv entwickelte System zur Aufbereitung von Grauwasser mittels Photokatalyse und der gleichzeitigen Nutzung energetisch symbiotischer Effekte teilweise erfolgreiche Ergebnisse lieferte. Während unter Laborbedingungen der Abbau von Medikamentenspuren wie Diclofenac und Ibuprofen nachgewiesen werden konnte, war der Abbau im Feldversuch, insbesondere von Ibuprofen, weniger erfolgreich. Der eingesetzte TiO2-Katalysator zeigte jedoch eine signifikante Reduktion der Halbwertszeit von Diclofenac. Zudem führte die Aluminium-Waben-Lichtfalle zu einem erhöhten Energieertrag der Photovoltaik (PV)-Paneele, obwohl der erwartete kühlende Effekt durch das Grauwasser nicht eindeutig verifiziert werden konnte. Trotz der positiven Aspekte der Wabenstruktur in Bezug auf die Reaktionsoberfläche, beeinträchtigte die beobachtete Schleierbildung die Energieerzeugung. Insgesamt wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, doch weitere Untersuchungen unter realen Bedingungen sind notwendig, um die Effizienz des Systems zu verbessern.