Projekt 19116/01

Entwicklung eines neuartigen Abwasser-Reaktortyps, basierend auf Photokatalyse

Projektdurchführung

Glas-Plus Entwicklungs GmbH & Co. KGTechnologiepark Mainz
Galileo-Galilei-Str. 28
55129 Mainz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Photoreaktors zur Abwasserreinigung, mit dem biologisch schwer abbaubare Schadstoffe mit hoher Effizienz abgebaut werden können. Aus verfahrenstechnischen Gründen soll der Photokatalysator fixiert werden, so dass eine aufwändige Abtrennung vom gereinigten Wasser entfällt. Die Wirksamkeit der als Photokatalysator eingesetzten Titandioxid-Dünnfilme soll mit unterschiedlichen Reaktortypen und verschiedenartigen Modellschadstoffen demonstriert werden. Die mit Modellschadstoffen und Laborreaktoren erzielten Ergebnisse fließen in die Konstruktion eines Pilotreaktors ein, der mit einem realen verunreinigtem Wasser aus einem Grundwassersanierungsprojekt getestet wird.
Als umweltrelevantes Ziel wird ein höherer Wirkungsgrad der Abwasserreinigung angestrebt: eine Steigerung um 40 % im Vergleich zum herkömmlichen UV-Abbau soll erreicht werden. Um den Reaktor in der Praxis sinnvoll betreiben zu können, soll der Titandioxid-Abtrag 1 % pro Woche nicht überschreiten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden· Konstruktion von Laborreaktoren für Abbauversuche von Modellschadstoffen mit Messmöglichkeit der Abbaurate
· Entwicklung von Sol-Gel-Beschichtungstechnologien für verschiedene Substrate
· Charakterisierung der Titandioxid-Dünnfilme mit Rasterelektronenmikroskopie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Röntgendiffraktometrie und Röntgenfluoreszenzanalyse
· Bestimmung der photokatalytischen Aktivität von beschichteten Proben und Ermittlung von Zusammenhängen zwischen Aktivität einerseits und Schichtherstellung sowie Substratart andererseits
· Ermittlung der Langzeitstabilität der Titandioxid-Dünnfilme
· Übertragung der Ergebnisse aus den Versuchen mit den Laborreaktoren auf die Konstruktion eines Pilotreaktors
· Ermittlung der optimalen Betriebsbedingungen des Pilotreaktors für die Behandlung eines realen Abwassers
· Durchführung von Abbauversuchen mit diesem realen Abwasser
· Vergleich der Abbauergebnisse des photokatalytischen Abbaus mit den Ergebnissen aus herkömmlichen Methoden (Strippung und UV-Oxidation)


Ergebnisse und Diskussion

m Rahmen des Projekts werden auf verschiedenartige Substrate (Vliese, Gewebe, Drahtnetze, Glasscheiben und -rohre Titandioxid-Dünnfilme aufgebracht. Auf allen untersuchten Proben kann TiO2 identifiziert werden. Durch Röntgendiffraktometrie gelingt es, die aktive TiO2-Modifikation Anatas in den Schichten nachzuweisen. Alle Dünnfilme zeigen eine deutlich messbare photokatalytische Aktivität beim Abbau von Dichloressigsäure. Anders als erwartet sinkt die Aktivität beim Übergang von Substraten mit erhöhter geometrischer Oberfläche (Glasseidengewebe) zu ebenen Substraten (Glasrohre oder -scheiben) nicht, so dass für weiterführende Untersuchungen die stabileren Schichten auf letzteren Substraten eingesetzt werden. Hierdurch wird der TiO2-Schichtaustrag minimiert und liegt deutlich unter 1 % pro Woche.
Die Erhöhung der Gesamtabbaurate unter Bedingungen, bei denen auch UV-Oxidation (bei Wellenlängen unterhalb von 300 nm) auftritt, ist mit Modellsubstanzen, die leicht durch UV-Oxidation abgebaut werden können, nur bedingt nachzuweisen.
Die Erkenntnis, dass auch lichtabgewandte TiO2-Dünnfilme zur photokatalytischen Aktivität beitragen, führt zum Reaktorkonzept mit drei konzentrischen TiO2-beschichteten Borosilicatglas-Rohren. Die Wirk-samkeit dieses Pilotreaktors wird an einem mit BTEX und LHKW belastetem Abwasser mit Erfolg untersucht: eine Erhöhung des Schadstoffabbaus im Vergleich zum herkömmlichen Reaktorbetrieb, bei dem die Schadstoffe durch Strippen und UV-Oxidation aus dem Wasser entfernt werden, wird in mehreren Fällen nachgewiesen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Präsentation der Projektergebnisse ist auf entsprechenden Fachmessen geplant.


Fazit

Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse für den Pilotreaktor erscheint es sinnvoll, die Untersuchungen fortzusetzen. Hierbei ist eine enge Zusammenarbeit mit einem entsprechend ausgerüsteten Labor für Wasseranalytik notwendig, denn Schnelltests, wie sie innerhalb dieses Projekts angewandt werden, geben lediglich Richtwerte in Form von Summenparametern (z. B. CSB, TOC). Würden Wässer mit einem höheren Anteil an schwerflüchtigen Schadstoffen eingesetzt, so wäre eine Verstärkung des additiven Effekts der Photokatalyse zu erwarten.
Die positiven Ergebnisse beim Einsatz einer Blacklight-Lampe lassen an einen Einsatz der photokatalyti-schen Abwasserreinigung mit Sonnenlicht denken.