Forschung

Emerging pollutants bzw. anthropogene Mikroschadstoffe im Wasserkreislauf rücken verstärkt in das wissenschaftliche und gesellschaftliche Interesse. Zu den in Konzentrationsbereichen von einigen ng pro Liter bis µg pro Liter in Wasser vorkommenden Verbindungen zählen bspw. Rückstände von Arzneimitteln, Pestizide, Inhaltstoffe von Körperpflegeprodukten oder Industriechemikalien. Die Detektion und Quantifizierung dieser sowie findet in einer sehr komplexen Matrix statt und ist deshalb herausfordernd. Die Bestimmung bei oxidativen/reduktiven Behandlungsverfahren entstehenden Transformationsprodukte ist Teil unserer Forschung. 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.

Neben gelösten Wasserschadstoffen sind auch ungelöste organische Schadstoffe wie Mikroplastik relevant. Mikroplastik wird direkt (primäres Mikroplastik) oder indirekt (sekundäres Mikroplastik) in den Wasserkreislauf eingetragen. Sekundäres Mikroplastik entsteht bspw. durch verschiedene Degradationsmechanismen makroskopischen Plastiks (auch in der Natur – z.B. photochemische Alterung). Mikroplastik umfasst Kunststoffpartikel einer Größe < 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 der Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe.

Kavitation beschreibt die Bildung, das Wachstum und den Kollaps gas- oder dampfgefüllten Blasen in Flüssigkeiten. Die mit dem Blasenkollaps verbundenen physikalischen (Mikrojets, hydrodynamische Scherkräfte, Schockwellen, microstreaming) und chemischen (homolytische Bindungsbrüche, Hydroxlradikale) Effekten können in verschiedener Weise für die Wassertechnologie fruchtbar gemacht werden. Kavitationseffekte können verfahrenstechnisch durch akustische Wellen (Ultraschall) bzw. hydrodynamische Strömungen aber auch in Kombination erzeugt werden.

Durch Kavitation können verschiedene Prozesse initiiert, aktiviert oder intensiviert werden. Zur Weiterentwicklung von Kavitationsverfahren oder kavitationsassistierten Verfahren wird die Kavitationsfeldanalyse durchgeführt. Diese nutzt optische oder akustische Informationen und liefert einen Einblick in die qualitative und quantitative Verteilung der Kavitationsfelder in einem Reaktor. Weiterhin werden Methoden zur Bestimmung der zeitlich und örtlich aufgelösten Blasenfelder eingesetzt. Mit diesen Informationen können Blasenfeld und Kavitationsfeld mit dem entsprechenden Ergebnis (Abbaukinetik von Mikroschadstoffen, Mineralisierung usw.) korreliert werden und für das Reaktordesign als auch der verfahrenstechnischen Auslegung genutzt werden.

In der AG werden Kavitationsreaktoren für verschiedene Anwendungsbereiche konzipiert, gebaut und getestet sowie optimiert und weiterentwickelt. Dies umfasst auch die Integration von Sensorik und wenn möglich eine grundlegende Steuerung und Regelung der Anlagen. Weiterhin werden auf Basis der Laborversuche auch industrielle Anlagen gemeinsam mit entsprechenden Unternehmen ausgelegt und angepasst.

In unserer AG werden verschiedene Advanced Oxidation Processes erforscht und (weiter)entwickelt. Advanced Oxidation Processes bilden aus Wasser direkt und vor Ort (meist) ohne Zugabe externer Chemikalien sehr starke Oxidationsmittel (reaktive Sauerstoffspezies, z.B. Hydroxalradikale). Diese Oxidationmittel sind in der Lage nahezu alle organischen Wasserschadstoffe zu entfernen.

Die in unserer Arbeitsgruppe untersuchten Advanced Oxidation Processes umfassen die Nutzung der Kavitation, elektrochemischer Verfahren, Photo(kata)lyse, Fentonreaktion, Wasserstoffperoxid, Ozonung und nichtthermisches Plasma sowie deren gezielter Kombination. Im Arbeitsbereich werden unter anderem auch die sehr neuen Verfahren der Pyro- bzw. Piezoelektrokatalyse erforscht. Ziel ist die Nutzung von Abwärme und/oder Schall als Initiator für die oxidative Entfernung organischer Schadstoffe in Wasser durch pyro- bzw. piezoelektrischen Materialen.Für die Entwicklung neuer bzw. Optimierung konventioneller Advance Oxidation Processes ist die Detektion und Quantifizierung der gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies (z.B. Hydroxylradikale) essentiell. Im Arbeitsbereich werden hierfür ESR und verschiedene chemische Dosimetrien anwendungsfallspezifisch eingesetzt und weiterentwickelt.

Durch eine gezielte Kombination von Kavitationsprozessen mit anderen Verfahren ergeben sich Synergieeffekte, die auf physikalisch-chemischen Effekten beim Blasenkollaps basieren. Innerhalb des Arbeitsbereiches werden z.B. sonoelektrochemische oder sonophotokatalytische Verfahren und Kombinationen aus Kavitation und Ozonung für unterschiedliche Anwendungen weiterentwickelt. Neben der Entwicklung und Optimierung entsprechender Reaktordesigns für verschiedene (Kombinations-)Verfahren werden Aspekte wie Maßstabvergrößerung und Regelung bearbeitet sowie entsprechende Analysen durchgeführt.

Zur Entfernung von anthropogenen (Mikro-)Schadstoffen werden in unserer Arbeitsgruppe auch Sorptionsverfahren untersucht und (weiter-)entwickelt. Die Forschung bezieht sich dabei zum einen 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 (schaltbare) keramische Adsorber entwickelt. Das sind Materialien, die (meist) aus einem anorganischen Träger (z.B. Al₂O₃) bestehen, an dessen Oberfläche über verschiedene Ankergruppen organische Moleküle angebunden sind, welche die eigentliche Funktion (Entfernung von Einzelsubstanzen, Substanzgruppen nach bspw. Polarität) übernehmen. Die Funktion kann über verschiedene externe Mechanismen (Licht, pH, Temperatur) an- oder abgeschaltet werden. Die wesentlichen Vorteile dieser Systeme sind, dass diese strombetrieben regeneriert und für verschiedene Anwendungsfälle maßgeschneidert werden können. Die dann entwickelten Adsorbermaterialien sollen auf verschiedene Trägermaterialien immobilisiert und in entsprechende Module integriert werden.

In der TUC 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 unserer Arbeitsgruppe werden neue umweltfreundliche Beschichtungen entwickelt, die stabiler und günstiger im Vergleich 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 und somit für verschiedenen Prozesse

Die Bestimmung der Wasserqualität erfolgt aktuell meist zentral über instrumentelle analytische Methoden. In unserer Arbeitsgruppe sollen dezentral einsetzbare, digital vernetzte und kostengünstige Sensoren erforscht und entwickelt werden, die die Gesamtverschmutzung, aber auch Einzelstoffe bzw. Stoffgruppen (anorganisch und organisch) in Echtzeit in einer komplexen Matrix bestimmen. 
Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein Summenparameter und findet sich in zahlreichen deutschen und europäischen Gesetzen 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 der Bioökonomie zu.
Aufgrund der vielfältigen Unzulänglichkeiten der Dichromatmethode wird in der Arbeitsgruppe Bräutigam 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 kontinuierlichen Bestimmung organischer Spurenstoffe mit elektrochemischen und optischen Verfahren.

Bei verschiedenen technologischen Lösungsansätzen kommen Methoden der künstlichen Intelligenz zum Einsatz. In der Prognostik werden u.a. substanzspezifische Vorhersagemodelle zur Entfernbarkeit von Schadstoffen in technischen Systemen erforscht. Bei technischen 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.
In unserer Arbeitsgruppe wird 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 über Methoden 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 z.B. abgeleitet werden, welches Entfernungsverfahren für einen Schadstoff am geeignetsten ist, wie schnell, bei welchen Betriebspunkten und zu welchen Kosten dies stattfindet. Dies kann auch für zukünftige, kommerziell noch nicht verfügbare Substanzen (z.B. neu entwickelte Arzneimittel) erfolgen. Auch eine Rückrechnung von chemischen Strukturen aus den Modellen kann für die Entwicklung „optimaler“ Chemikalien, die mit geringstem Aufwand entfernbar sind, eingesetzt werden. 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. Ein high-thoughput System zur Erzeugung von Daten zum Abbau von (Mikro-)Schadstoffen mit verschiedenen technischen Verfahren steht ebenfalls zur Verfügung.