Solving challenges in electrochemical water treatment for a circular economy

Erweiterte elektrochemische Oxidationsverfahren (engl.: Electrochemical Advanced Oxidation Processes, EAOP) sind vielversprechende Technologien für die dezentrale Wasseraufbereitung und haben das Potential wichtige Elemente bei der Realisierung einer Kreislaufwirtschaft zu werden. Bislang wurde die Technologie trotz ihrer nahezu konkurrenzlosen Reinigungsleistung, aufgrund der Bildung von Hydroxylradikalen, noch kaum im technischen Maßstab angewendet. Daher wurden innerhalb der vorliegenden Arbeit vier Anwendungsfälle in verschiedenen Bereichen betrachtet und fünf Herausforderungen für EAOPs auf Basis von bordotierten Diamantelektroden (BDD) identifiziert, die eine technische Realisierung bislang erschweren: 1. Nur die Anode wird zur Erzeugung eines direkten Oxidationsmittels verwendet 2. Die kathodische Wasserstoffentwicklung trägt zu einem höheren Energieverbrauch und zur Schaumbildung bei 3. Hohe Betriebskosten aufgrund preisintensiver BDDs mit begrenzter Lebensdauer 4. Die Kathodenoberfläche wird während der Elektrolyse alkalisch. Dies führt beim Vorliegen von Härtebildnern in der Wassermatrix zu einer Verkalkung der Kathode, bis hin zur Isolierung der aktiven Oberfläche 5. Chlorierung von organischen Verbindungen wenn Chloridionen im zu behandelnden Wasser vorliegen. Diese Herausforderungen wurden durch zwei neuartige Reaktorsysteme und Prozessführungen gelöst. Durch die Verwendung eines Reaktors auf Grundlage einer BDD der nächsten Generation (auf Basis von Tantal anstatt Niob) in Kombination mit einer Wasserstoffperoxid-bildenden Gasdiffusionselektrode (BDD-GDE-System) wurden die Herausforderungen eins bis drei gelöst. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Reaktor bei der Behandlung von künstlichen pharmazeutischen Abwässern eine wesentlich höhere Abbaueffizienz (135 %) bei einem wesentlich geringeren Energieverbrauch (75 %) gewährleistet als dem Stand der Technik entsprechende Zellkonzepte und die konkurrierenden Technologien Ozonierung und Perozonierung. Daneben ermöglichen BDD-GDE-Systeme einen nahezu 100 %-igen Abbau. Die neue Ta-basierte BDD zeigt eine deutlich reduzierte Degradation während des Betriebes auf und es wird eine erhöhte Lebensdauer von 18 Jahren anstelle von 2 Jahren (Nb-basierte BDD-Anoden) erwartet. Dies führt zu einer Reduzierung der Betriebskosten um bis zu 80 %. Dieses System stößt an seine Grenzen, wenn Härtebildner in hohen Konzentrationen im Wasser vorhanden sind (Ca2+, Mg2+). Diese Herausforderung wurde durch die Entwicklung eines neuartigen Zellendesigns auf der Grundlage einer in-situ bewegten Graphit-Polymer-Compound Kathode (BDD-GPC-System) gelöst. Ein Test (120 Stunden) mit künstlichem Zugtoilettenabwasser zeigte die Langzeitstabilität des BDD-GPC-Systems auf und demonstrierte, dass die periodisch magnetisch induzierte Bewegung der GPC-Kathode in-situ Ablagerungen auf ihrer Oberfläche entfernt und den wartungsarmen Betrieb des Systems ermöglicht. Neben der Abwasserreinigung ermöglicht die BDD-GPC-Kombination die elektrochemische Fällung von anorganischen Stoffen und eröffnet neue Anwendungsbereiche wie die elektrochemische Wasserenthärtung (Enthärtungsgrade bis > 90 %) und Metallfällung (Fällungsgrade bis > 98 %). Die fünfte Herausforderung wurde durch die Identifizierung eines neuartigen Betriebspunktes gelöst, der den Abbau organischer Verbindungen ohne die Bildung von Chloremissionen an BDD-Anoden und damit ohne die Bildung chlorierter Kohlenwasserstoffe und Produkte ermöglicht. Um diese chlorfreie Abwasserbehandlung an der BDD zu nutzen, muss der pH-Wert des Anolyts während der Behandlung bei über 14,2 gehalten werden. Mit diesen Entwicklungen kann die Kreislaufwirtschaft in der pharmazeutischen Industrie und in der metallverarbeitenden Industrie, insbesondere zur Wiederverwendung von Wasser, erreicht werden. Die chlorfreie Reinigung von organisch belasteten NaCl-haltigen Prozesswässern aus der Kunststoffproduktion ermöglicht die Wiederverwendung beispielsweise in der Chlor-Alkali-Industrie. Durch den Einsatz in Zügen kann das durchschnittliche Frischwassertankintervall deutlich verlängert werden, da das Abwasser im Zug aufbereitet und als Spülwasser wiederverwendet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht ein Wasserenthärtungsreaktor weitere erhebliche Einsparpotentiale - lokale Frischwasserversorgungen der Züge werden von der Wasserhärte entkoppelt.