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Sauberes Wasser durch Sonnenlicht

Die Solarforschung des DLR befasst sich neben der Entwicklung solarthermischer Kraftwerke beispielsweise auch mit den Möglichkeiten, Sonnenenergie möglichst direkt mit minimalen Energieumwandlungsverlusten in Prozesse einzukoppeln. Im Rahmen dieser Arbeiten werden seit mehr als 15 Jahren photokatalytische Verfahren zur Wasserreinigung erforscht.
Motor für dieses Arbeitsgebiet ist die Tatsache, dass Trinkwasser trotz der immensen Wasservorkommen eine begrenzte Ressource ist.

Die intensive Nutzung in Produktionsprozessen und nicht zuletzt die wachsende Kenntnis um das Gefährdungspotential nicht natürlicher Inhaltsstoffe führen zu einem stetig steigenden Bedarf an neuen Techniken zur Wasserbehandlung, um die Versorgung mit sauberem Trinkwasser zu gewährleisten. Zur Reinigung gewöhnlicher kommunaler Abwässer genügen in der Regel einfache physikalische und biologische Verfahren. Bei besonders gefährlichen oder persistenten Inhaltsstoffen sind bereits heute spezielle Vorbehandlungen erforderlich, um die biologische Abbaubarkeit zu verbessern oder überhaupt erst zu ermöglichen.

Neben anderen Verfahren können so genannte Fortgeschrittene Oxidationsmethoden eingesetzt werden, um toxische Inhaltsstoffe zu zerstören oder so umzuwandeln, dass sie biologisch abgebaut werden können. Besonders effektiv sind photochemische Verfahren, bei denen das notwendige Licht durch spezielle Lampentechnologien bereitgestellt wird.

Dabei wird im Allgemeinen ultraviolettes Licht (UV-C) benutzt, um zugesetzte Oxidationsmittel wie Ozon, Wasserstoffperoxid oder Caroat durch Lichtspaltung (Photolyse) für Abbau- und Umbauprozesse zu aktivieren.

Je nach Intensität der Anwendung können im Wasser enthaltene Stoffe partiell oder vollständig oxidiert werden. Durch partielle Oxidation können mit minimalem Aufwand ungewünschte Eigenschaften wie bspw. eine spezifische Wirksamkeit enthaltener Stoffe, Giftigkeit, Farbigkeit oder Grenzflächenaktivität beseitigt werden. Durch partielle Oxidation kann auch der Gehalt bestimmter Stoffe vermindert werden, um die Einhaltung von Grenzwerten zu gewährleisten.

Durch den prozessintegrierten Einsatz der photochemischen Verfahren an einer Schadstoffquelle kann der Aufwand für die Wasserbehandlung durch die Vermeidung der Vermischung mit weniger belasteten Wässern vermindert werden. Durch die lokale Eliminierung der Einträge an kritischen Stellen können Wasserkreisläufe durch photochemische Verfahren geschlossen werden.

Die photochemischen Techniken eignen sich zur Vorbehandlung, um den Einsatz sonst nicht anwendbarer biologischer oder physikalischer Verfahren zu ermöglichen. Sie eignen sich auch zur Nachbehandlung, um nicht abgebaute Spurenverunreinigungen bspw. von Wirk- oder Geruchstoffen zu beseitigen, die durch weniger leistungsfähige Standardverfahren nicht eliminiert werden.

Durch den Einsatz von Photokatalysatoren wird die Effizienz der Lampenverfahren stark erhöht. Diese Katalysatoren absorbieren das Licht an Stelle der direkten Lichtaufnahme durch die Schadstoffe oder durch die zugesetzten Oxidationsmittel. Sie setzen Prozesse in Gang, die in der Summe zu einer effizienteren Reinigung führen.

Durch Photokatalyse kann auch energieärmeres Licht wie zum Beispiel Sonnenlicht für diese Behandlungsprozesse genutzt werden. Zudem kann mit Licht-aktivierbaren Katalysatoren häufig Luft die aggressiveren und im Vergleich teuren chemischen Oxidationsmittel ersetzen.

Die an sich bereits umweltfreundliche Technik wird durch die Anpassung an die Sonne als Lichtquelle nicht nur ökologisch durch den Betrieb mit einer regenerativen Energiequelle und den niedrigeren Chemikalienbedarf aufgewertet. Die Betriebskosten der solaren Verfahren sind wegen Einsparungen an Energie-, Chemikalien- und Wartungskosten zudem geringer als die der Lampentechnologie.

Das Projekt
In dem durch das BMBF geförderten Projekt PhoRTex wurde die Photokatalyse mittels Lampentechnologie zur Schließung von Wasserkreisläufen produktionsintegriert in der Textilveredlung erprobt. Insbesondere die bei den Vorbehandlungsschritten in der Textilveredlung anfallenden Präparationsmittel, die häufig auf Mineralölbasis aufgebaut sind, konnten durch das Verfahren aus den Wässern eliminiert und damit die Kohlenwasserstoffgrenzwerte eingehalten werden. Erste Versuche zur Entfärbung zeigten gegenüber der grundsätzlich ebenfalls erfolgreichen Ozonierung zusätzlich eine deutliche Reduktion der organischen Abwasserbelastung.

Die Energiekosten der Behandlung wiesen zugleich die Richtung zur Optimierung der Verfahrenskosten. In dem seit 2005 laufenden Folgeprojekt InProTex wird daher neben Lampen-gestützten Verfahren zur Entfärbung und zur Abluftreinigung in der Textilveredlung auch der Einsatz solarer Reaktoren erprobt werden.

Die Abwässer aus Textilveredlungsprozessen zeichnen sich durch stark wechselnde Zusammensetzung und Konzentration in Abhängigkeit der durchgeführten Veredlungsschritte aus. In diesen Projekten wurden und werden daher auch die Stoffströme bei den beteiligten Textilveredlungsfirmen analysiert, um letztlich über das Konzept der stoffbezogenen Emissionsfaktoren zu einer Anlagensteuerung der photokatalytischen Behandlung in Abhängigkeit der eingesetzten Rezepturen der laufenden Veredlungsprozesse zu gelangen.

Die Projektpartner
Die Projekte werden in enger Kooperation zwischen dem Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Köln als Entwickler photokatalytischer Behandlungsverfahren und der Envirotex GmbH, Augsburg als Experte für die Emissionssituation in Textilveredlungsfirmen sowie potentiellen Anwendern wie der Ferdinand Weskott GmbH, Wuppertal, und der Firma Knopfs Sohn, Helmbrechts, durchgeführt. Die Brückner Trockentechnik GmbH, Leonberg, integriert das Verfahren in Abluftwäscher. Die SETEX GmbH integriert ein von der Envirotex GmbH entwickeltes Emissionsmanagement-Programm zur Erfassung der Emissionsbelastung der textilen Veredlungsrezepte in die Rezept-basierte Anlagensteuerungstechnik. Hierdurch wird eine wichtige Grundlage geschaffen, um die Steuerung der Behandlungsverfahren in Abstimmung mit der zu erwartenden Wasserbelastungssituation zu entwickeln.

Fazit
Photochemische und insbesondere photokatalytische Verfahren können eingesetzt werden, um konventionell schlecht oder nicht zu reinigende Wässer zu behandeln.

In der Textilveredlung können die Verfahren bspw. zur Entfernung von Mineralölen, zur Entfärbung oder zur Kreislaufführung der Prozesswässer in Abluftwäschern eingesetzt werden.

Eine Prozesssteuerung auf Basis der bereits charakterisierten Emissionseigenschaften der textilen Veredlungsrezepte erscheint möglich und wird derzeit entwickelt.

Der Einsatz von Photokatalysatoren eröffnet die Möglichkeit, die bislang eingesetzten Lampentechniken durch Sonnenlicht zu ersetzen. Hierdurch werden die Verfahren nicht nur zusätzlich umweltfreundlicher, sondern auch preisgünstiger durch die Senkung der Betriebskosten.

Die solare Photokatalyse ist darüber hinaus interessant, um in Schwellenländern eine ressourcenschonende Technik anzubieten, die eine nachhaltige Entwicklung dieser Staaten unterstützt.

In den vom BMBF geförderten Projekten entstanden am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt mobile Wasserbehandlungsanlagen mit Lampentechnologie, die für Pilotversuche vor Ort eingesetzt werden können. Sie eignen sich insbesondere auch, um Wasserbelastungen direkt an der Quelle zu eliminieren, wodurch Kreisläufe geschlossen werden können. Solare Reaktoren stehen für vergleichende Untersuchungen zur Verfügung.