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Advanced Oxidation Processes
In der Forschungsgruppe werden verschiedene Advanced Oxidation Processes erforscht und (weiter)entwickelt. Dies umfasst die Nutzung der akustischen und hydrodynamischen Kavitation, elektrochemischer Verfahren, Pyro- bzw. Piezoelektrokatalyse, Photo(kata)lyse, Fentonreaktion, Wasserstoffperoxid, Ozonung und nichtthermisches Plasma sowie deren gezielter Kombination.
Für die Entwicklung neuer bzw. Optimierung konventioneller Advanced Oxidation Processes ist die Detektion und Quantifizierung der gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies essentiell. Im Arbeitsbereich werden hierfür verschiedene chemische Dosimetrien anwendungsfallspezifisch eingesetzt und weiterentwickelt.
Detektion und Quantifizierung der reaktiven Hydroxylradikalkonzentration mit Hilfe der Salicylsäuredosimetrie (P. Braeutigam, Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, Springer, (2016))
Im Arbeitsbereich werden unter anderem auch die Verfahren der Pyro- bzw. Piezoelektrokatalyse weiterentwickelt. Ziel ist die Nutzung von Abwärme und / oder Schall als Initiator für die Produktion von Wasserstoff sowie die oxidative Entfernung organischer Schadstoffe in Wasser.
Pyroelektrokatalytische Wasserstoffproduktion sowie Oxidation unter Bildung eines Fluoreszenzfarbstoffes (J. Schlechtweg et.al, Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 23009-23016, S. Raufeisen et al., Plos One, eingereicht)
Durch eine gezielte Kombination von Kavitationsprozessen mit anderen Advanced Oxidation Processes ergeben sich Synergieeffekte, die auf physikalisch-chemischen Effekten beim Blasenkollaps basieren. Innerhalb des Arbeitsbereiches werden z.B. sonoelektrochemische und sonophotokatalytische Verfahren sowie Kombinationen aus Kavitation und Ozonung für unterschiedliche Anwendungen entwickelt.
Neben der Entwicklung und Optimierung entsprechender Reaktordesigns für verschiedene (Kombinations-)Verfahren werden Aspekte wie Maßstabvergrößerung und Steuerung bearbeitet sowie entsprechende technisch-ökonomische Analysen durchgeführt.
Synergieeffekte bei der Kombination von Kavitation mit elektrochemischer Oxidation (links) und Ozonung (rechts) am Beispiel der Spurenstoffe Bisphenol A und Benzotriazol in Wasser sowie Abbildung eines Kombinationsreaktors (Mitte)
Membranverfahren
Im Arbeitsbereich werden die Mikro-, Ultra- und Nanofiltration mit Hilfe keramischer Membranen z.B. zur Trennung von (Mineral-)Öl-Wasser-Emulsionen wie z.B. Kühlschmierstoff-Emulsionen in der metallverarbeitenden Industrie oder zur Abtrennung von (Mikro-)Schadstoffen aus Wasser eingesetzt. Neben der verfahrenstechnischen Optimierung spielt die Oberflächenmodifikation der trennaktiven Schicht eine zentrale Rolle. Typischerweise werden dazu (perfluorierte) Silane eingesetzt, die verschiedene umweltrelevante, funktionelle und ökonomische Problemfelder aufweisen. In der Arbeitsgruppe wurden neue umweltfreundliche Beschichtungen entwickelt, die stabiler und günstiger zum Stand der Technik sind sowie aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können. Darüber hinaus können über diese Beschichtungen verschiedene Funktionalitäten wie Oberflächenpolarität oder Schwermetallkomplexierung integriert werden.
R&I-Schema einer Membrantrennanlage, hydrophobierte tubulare Keramikmembran und Vergleich von feed und Permeat bei der Trennung von Kühlschmierstoff-Emulsionen bzw. bei der Wasserabtrennung von Ölen
Adsorption
Zur Entfernung von (Mikro-)Schadstoffen werden am Arbeitsbereich auch Sorptionsverfahren untersucht und (weiter-)entwickelt. Die Forschung bezieht sich dabei auf die Synthese und Charakterisierung kohlenstoff-basierter Adsorbermaterialien (z.B. Graphenoxid) sowie die verfahrenstechnische (Weiter-)Entwicklung des Sorptionsprozesses (z.B. ultraschall-assistiert). Darüber hinaus werden oberflächenmodifizierte Formkörper als Adsorber entwickelt sowie Adsorbermaterialien auf verschiedene Trägermaterialien immobilisiert und in entsprechende Module integriert.
R&I-Schema einer Festbettadsorption (links), modifizierter bzw. unmodifizierter keramischer Formkörper als Adsorbermaterial (Mitte) sowie Charakterisierung anhand von Sauerstoff-Gruppen (rechts)
Sensorik
Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein Summenparameter und findet sich in zahlreichen deutschen und europäischen Gesetze und Richtlinien (AbwV, AbwAG, GrwV, OGewV, WRRL) wieder. Er eignet sich für die Bewertung und Regulierung der Gesamtheit der organischen Wasserschadstoffe. Daneben kommt dem CSB eine wichtige Funktion als Steuerparameter in der Prozessoptimierung (Energieeinsparungen, Kostenreduktion) kommunaler und industrieller Kläranlagen sowie in Biomasse-anlagen zu. Aufgrund der vielfältigen Unzulänglichkeiten der Dichromatmethode wird im Arbeitsbereich ein neuartiges elektrochemisches Messsystem entwickelt, welches die (sono-)elektrochemisch in-situ generierten Hydroxylradikalen und die Menge abgebauter organischer (Schad-)Stoffe in einem Messsignal (z.B. Stromstärke, Spannung) in Verbindung bringt. Neben der Weiterentwicklung des kontinuierlich arbeitenden, chemikalienfreien und nachhaltigen Messverfahrens und des Designs werden insbesondere die Ausweitung des linearen Arbeitsbereiches und eine Verringerung der Nachweisgrenze fokussiert. Weitere Ansätze finden sich in der Verbesserung der TOC-Messung.
Elektrochemische Messzelle zur kontinuierlichen Bestimmung des CSB (links), Messsignal (Mitte links), Zusammenhang von Messsignal und CSB (Mitte rechts) sowie der Einfluss des Ultraschalleintrages auf das Messsignal der Messzelle (rechts)
QSPR (Quantitative Structure Property Relationship) für Advanced Oxidation Processes
Bei Abbauverfahren hängt die Abbaugeschwindigkeit und Mineralisierbarkeit stark von der chemischen Struktur und dem eingesetzten Verfahren ab. Bisherige Ansätze verfolgen eher einen trial-and-error-Ansatz, um Mikroschadstoffe möglichst schnell und effizient zu entfernen. Am Arbeitsbereich wird diesbezüglich ein neuer Ansatz verfolgt - eine Kopplung von chemischer Struktur und dem jeweiligen standardisierten Abbauverfahren sowie die Entwicklung eines prädiktiven Modells. Insbesondere wird mit diesem Ansatz ermöglicht, ausgehend von der bekannten chemischen Struktur einer Verbindung (Strukturformel oder spezifische Molekülstrukturen bzw. funktionelle Gruppen) die Abbaubarkeit dieser mit verschiedenen Verfahren z.B. aus dem Bereich der Advanced Oxidation Processes vorherzusagen. Dazu werden Strukturelemente und molekulare Deskriptoren, die das Molekül beschreiben, über Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens verknüpft mit dem real gemessenen, chemischen Verhalten und der Reaktionskinetik einer großen Zahl von real gemessenen Proben (Testdatensatz) verknüpft. Mit Hilfe eines solchen (universalen) prädiktiven Modells kann das Abbauverhalten auch neuer, noch unbekannter Substanzen prognostiziert werden, inklusive optimierter Vorschläge zu Art und Betriebsparametern der AOP-Prozesse, die eingesetzt werden können. Mit solchen Modellen und Daten ist es weiterhin möglich, in der Wasserbehandlungstechnik Auslegungskriterien für die dann bereitzustellenden Reaktoren zu ermitteln. Darüber hinaus erlaubt das Modell auch die Möglichkeit - bspw. für Umweltbehörden - Alternativen für bisher eingesetzte Chemikalien zu empfehlen, die unter den regional vorherrschenden Reinigungstechniken zu geringen Umweltauswirkungen führen. Eine entsprechende high-thoughput Anlage zur Erzeugung entsprechender großer Datenmengen steht ebenfalls zur Verfügung.
Übersicht und Ranking der kinetischen Konstanten für den Abbau mit unterschiedlichen AOPs (links) und Vergleich der experimentell bestimmten Geschwindigkeitskonstanten mit der über das Modell berechnete Geschwindigkeitskonstanten am Beispiel von Bisphenol-Analoga (rechts)
Anthropogene Mikroschadstoffe
Anthropogene Mikroschadstoffe im Wasserkreislauf rücken verstärkt in das wissenschaftliche und gesellschaftliche Interesse. Zu den in Konzentrationsbereichen von einigen ng L-1 bis µg L-1 in Wasser vorkommenden Verbindungen zählen bspw. Rückstände von Arzneimitteln oder Industriechemikalien. Die Detektion und Quantifizierung dieser sowie die bei oxidativen/reduktiven Behandlungsverfahren entstehenden Transformationsprodukte ist Teil der Forschung des Arbeitsbereichs. Weiterhin verläuft der oxidative/reduktive Abbau von Schadstoffen in Wasser über verschiedene Pfade und mehrere Zwischenschritte unter Bildung verschiedener Transformationsprodukte. Die Zusammensetzung und zeitliche Entwicklung der Konzentrationen dieser Verbindungen ist von Bedeutung für die Ökotoxizität als auch für die Auslegung entsprechender Verfahren. Hierfür ist die Kenntnis der Abbaumechanismen und der Kinetik relevant.
Transformationsprodukte bei oxidativen Abbau von Carbamazepin (links), Zeitlicher Verlauf der Edukt/Transformations-produkt-Konzentrationen beim Abbau von Carbamazepin (Mitte) und Initialschritt beim Hydroxylradikal-induzierten Abbau von Carbamazepin (rechts) (P. Braeutigam et al., Water Research, 46, 2469, (2012)
Mikroplastik
Mikroplastik wird direkt (primäres Mikroplastik) oder indirekt (sekundäres Mikroplastik) über verschiedene Degradationsmechanismen makroskopischen Plastiks in den Wasserkreislauf eingetragen. Mikroplastik umfasst Kunststoffteilchen einer Größe von < 5 mm. Der Einfluss verschiedener Alterungseffekte (photochemisch, mechanisch) auf das Sorptionsverhalten der (gealterten) Polymere bzgl. verschiedener Mikroschadstoffe (Polarität, Größe) sowie die Freisetzung unterschiedlicher Komponenten der Polymere ist Teil von Untersuchungen der Forschungsgruppe.
Einfluss der Polarität auf das Sorptionsverhalten von Mikroschadstoffen an Mikroplastik am Beispiel des HDPE (links), Umweltmikroplastik (Mitte) und Einfluss der Alterung auf das Sorptionsverhalten von Diphenylamin an HDPE (rechts)
Wertstoffrückgewinnung aus Abwasser
Die Rückgewinnung verschiedener Wertstoffe aus kommunalen und industriellen Abwasser ist Teil der Forschung. Hierbei wird beispielsweise die Kapazitative Deionisation zur Entfernung und/oder Rückgewinnung von Phosphaten und Nitraten erforscht. Weiterhin wird beispielsweise die Rückgewinnung und Recyclierung von Inhaltstoffen aus Kühlschmierstoffen oder aber die Nutzung von Ölen aus zuvor aufgeschlossenen (Mikro-)Algen für unterschiedliche Anwendungen untersucht.