Photokatalyse
Über die Photokatalyse
Im Teilbereich „Photokatalyse“ des Forschungsvorhabens „Innovative Wassertechnololgien im FutureWaterCampus (InnoWat-FWC) konzentriert sich das Projekt auf die Erforschung fortschrittlicher Oxidationsprozesse auf photokatalytischer Basis für den Abbau persistenter organischer Mikroverunreinigungen in der Umwelt, d.h. in Gegenwart anorganischer und organischer Wassermatrices. Photokatalyse ist weltweit ein aktuell intensiv bearbeitetes Forschungsfeld. Viele Aktivitäten fokussieren sich auf die katalytische Wasserspaltung zur Wasserstoffgenerierung als Baustein der Energiewende. Eine ebenfalls bedeutsame Anwendung ist die photokatalytische Wasserreinigung, die auch im Rahmen der hier beantragten Infrastruktur im Zentrum steht. Dabei werden organische Verunreinigungen im Wasser nach Anregung des photokatalytisch aktiven Materials z.B. mittels Sonnen- oder UV-Licht abgebaut. In Durchflussverfahren wird üblicherweise aber eine nachgeschaltete biologisch aktive Stufe zum weiteren Abbau der Transformationsprodukte genutzt.
Photokatalytische Verfahren sind aufgrund der hohen Ausbeute an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) von besonderem Interesse, da diese zumeist eine vollständige Mineralisierung organischer Mikroverunreinigungen (OMPs) gewährleisten. Dabei werden nach Anregung des photokatalytisch aktiven Materials direkt an der Katalysatoroberfläche oder indirekt durch Erzeugung reaktiver Spezies, wie z.B. OH-Radikale, organische Substanzen, die als Verunreinigungen in geringen Konzentrationen vorliegen, vollständig mineralisiert (zu Kohlendioxid CO2) oder zu kleineren Molekülen, sogenannten Transformationsprodukten, abgebaut.
Das Teilprojekt „Photokatalyse“ wird in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern innerhalb des ZWU-Netzwerks durchgeführt.
Zu den beiden anderen Forschungsfeldern im FutureWaterCampus existieren Schnittstellen über die Nutzung von Algen als biologisch aktive Stufe in der Nachbehandlung von Wasser aus der Photokatalyse und die Verfahrenskombination von Photokatalyse und Membrantechnik in vollständigen Behandlungssträngen.
Ziele des Projektes
Die geplante Forschungsinfrastruktur im Bereich Photokatalyse umfasst alle Schritte des Wertschöpfungsprozesses. Dies beinhaltet:
Laserbasierte Synthese neuer photokatalytisch aktiver Materialien
Prüfung der charakterisierten Materialien hinsichtlich ihres Einsatzes in der Wasserreinigung
Effekt der Photokatalysatoren und generierten Transformationsprodukte auf aquatische Organismen
Pilotanlage
Um das angestrebte Ziel des Projekts zu erreichen, wurde eine modulare, photokatalytische Pilotanlage entwickelt (Schema 1) und aufgebaut (Abbildung 1).
Zu den zentralen
Elementen des Wasseraufbereitungsanlage gehören: i) die beiden Durchfluss-Photoreaktoren und ii) Technologien zur kontinuierlichen Online-Messung der Wasserqualität. Das System ist bis auf den erforderlichen Industriemaßstab (Flussraten ≤ 600 L/h) hochskalierbar. Für die zeitaufgelöste Bestimmung der Abbaueffizienz wird die Summe des gesamten organischen Kohlenstoffs in kontinuierliche Messungen (online) an der Pilotanlage mittels eines TOC-Gerätes ermittelt. Für die schnelle zeitaufgelöste Detektion von Verunreinigungen wie z.B. organische Mikroschadstoffe und deren Transformationsprodukte wird ein Online- Massenspektrometer eingesetzt.
Die modulare, photokatalytische Pilotanlage wurde in der ersten Phase des Projekts geplant und erfolgreich aufgebaut. Im weiteren Fortschreiten wurden Vorversuche bzw. Pilotexperimente geplant und durchgeführt, um die Prozessbedingungen für die modulare Abwasserreinigungsanlage zu optimieren. In diesem Zusammenhang ist eine separate miniaturisierte Variante der Abwasserreinigungsanlage im Labormaßstab erfolgreich entwickelt und installiert worden (Abbildung 2).
Mit dieser Laboranalage konnten anwendungsbezogenen Abbauversuche bereits im Labormaßstab in einem kontinuierlichen, modular betriebenen Photoreaktorsystem durchgeführt werden. Nach Abschluss der Versuchsreihe gilt es die gewonnenen Erkenntnisse im Projektverlauf auf die größere Pilotanalage (Abbildung 1) zu übertragen.
Arbeitspakete
Zur Bearbeitung der beschriebenen drei Teilaspekte auf dem Gebiet der Photokatalyseforschung sind folgende Investitionen erforderlich:
- Synthese und Charakterisierung
- Prüfung der photokatalytischen Aktivität und Prozessuntersuchungen
- Effekt der Photokatalysatoren und der generierten Transformationsprodukte auf aquatische Organismen
Ergebnisse
Im Teilbereich Photokatalyse kommt ein modernes durch das EFRE.NRW und die EU gefördertes Photolumineszenzspektrometer vom Typ Flurolog 3 mit zahlreichen Erweiterungen zum Einsatz.