IFAT 2014

Sauberes Trinkwasser mit optimierten Separationsprozessen

Auf der diesjährigen IFAT, vom 5. bis 9. Mai 2014 Messe München, stellt das Oberhausener Forschungsinstitut Fraunhofer UMSICHT als Beispiele zu Entwicklungen in der Prozessintensivierung beschichtete Mikrosiebe und cellulosebasierte, chemisch modifizierte Adsorbenzien als neue Trennmaterialien in den Fokus seines Messeauftritts.

Modifizierte biogene Materialien adsorbieren PFT aus kontaminierten Wässern. (Bild: Fraunhofer UMSICHT)

Ebenfalls werden Aktivitäten zu nachwachsenden Rohstoffen vorgestellt: Einerseits thermo-katalytisches Reforming zur Energiewandlung und -speicherung, andererseits neue Verwertungskonzepte zur stofflichen und energetischen Nutzung von Biomasse im Rahmen des Innovationsclusters Bioenergy.

Hygienisch und toxikologisch unbedenkliches Trinkwasser ist in vielen Teilen der Welt eine ebenso kostbare wie endliche Ressource. Filtrationsverfahren können durch die gezielte Trennung von Stoffströmen in einzelne, wiederverwertbare Komponenten Wasserkreisläufe schließen, Abwasser reinigen und Wasser in Trinkwasserqualität überführen.

Bei Fraunhofer UMSICHT werden Filtrationsprozesse optimiert und Mikrofilter für die Wassertechnik hergestellt. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts nanoEfficiency wurde ein Beschichtungsverfahren für Mikrofilter entwickelt, das Schichten erzeugt, die eine Antifoulingwirkung besitzen. Sie sind nicht dicker als 100 nm, antikorrosiv und dauerhaft haltend. Auch nach längerem Gebrauch bilden sich keine nennenswerten Deckschichten (Fouling), die die Filtrationsleistung negativ beeinflussen.

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Umweltfreundliche Rückgewinnung strategischer Metalle
Die Nachfrage nach Seltenerdmetallen (SEM) oder Platingruppenelementen (PGE) steigt kontinuierlich. Die Verknappung dieser strategischen Rohstoffe, die teilweise hohe Importabhängigkeit und unzureichende Recyclingraten waren Motivation für S-Sieve, ein Kooperationsprojekt (gefördert durch die AiF) von Fraunhofer UMSICHT mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Institut für Verfahrens-, Umwelt- und Bergbauforschung IVUB e. V.

Zur Rückgewinnung von gelösten Metallen aus wässrigen Systemen wurde ein Bioverbundmaterial, bestehend aus Surface-Layern (S-Layer, Proteinschichten) und neuartigen Mikrosieben, entwickelt. Mikrosiebe werden mit bakteriell erzeugten Proteinen (S-Layer-Proteine) beschichtet, die Metalle wie Platin, Palladium oder Gold binden können. Erwartet werden auch gute Bindungseigenschaften für verschiedene Vertreter der Seltenerdmetalle. Die beschichteten Mikrosiebe können mehrfach verwendet werden, denn sie sind mittels pH-Shift oder verschiedene Spülverfahren regenerierbar.

Dementsprechend komplexe Mikrosiebe werden bei Fraunhofer UMSICHT mittels eines Ultrakurzpulslasers hergestellt, der kleinste Mikrostrukturen bis 1 µm fertigt. Der Laser kann nahezu alle Werkstoffe verarbeiten, auch ist das Porenmuster beliebig einstellbar.

Abtrennung von kürzerkettigen perfluorierte Tensiden
Ein weiteres neues Trennmaterial sind cellulosebasierte, chemisch modifizierte Adsorbenzien, die perfluorierte Tenside (PFT) aus Wasser abtrennen. PFT werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, etwa in wasser- und schmutzabweisenden Beschichtungen für Textilien sowie als Netz- und Antischleiermittel in der Galvanik. Sie sind persistent, das heißt sie werden auf natürlichem Wege nicht abgebaut und lassen sich auch nicht mit den üblichen Verfahren zerstören. Längerkettige PFT wie Perfluoroctansulfonat (PFOS) lassen sich relativ gut mit herkömmlicher Aktivkohle entfernen und sind mittlerweile in der Mehrzahl verboten.

Die Forscher von Fraunhofer UMSICHT haben sich daher auf die kürzerkettigen, hydrophilen Vertreter konzentriert. Hierzu zählt zum Beispiel Perfluorbutansulfonsäure (PFBS). Die bereits patentierten Adsorbenzien, die in Zusammenarbeit mit der Cornelsen Umwelttechnologie GmbH entwickelt wurden, basieren auf Hanfschäben und Holzspänen. Nach Beladung sollen die Adsorbenzien künftig bei hohen Temperaturen verbrannt werden, wodurch auch die PFT in ihre Elemente zerlegt werden und somit keine Belastung mehr für die Umwelt darstellen.

Neue Verwertungskonzepte zur stofflichen und energetischen Nutzung von Biomasse
Die stoffliche und energetische Biomassennutzung wird künftig einen wichtigen Beitrag zur Deckung des weltweiten Rohstoff- und Energiebedarfs einnehmen. Der Fraunhofer-Innovationscluster Bioenergy betrachtet neben der Behandlung trockener vor allem nasse und lignocellulosehaltige Biomasse. Es sollen mobil und dezentral einsetzbare Technologien bereitgestellt werden, um aus lignocellulosehaltiger und/oder feuchter Biomasse sowie entsprechenden Reststoffen lager- und transportfähige Zwischenprodukte wie Pflanzenkohlen, Pyrolyseöl, getrocknete bzw. entwässerte Biomasse als Energieträger oder zur weiteren stofflichen Nutzung herzustellen. Mögliche Einsatzstoffe sind Stroh, Bio- und Grünabfälle oder Produktionsreste aus der Lebensmittelindustrie.

Der Innovationscluster befindet sich mit seinem Standort in NRW in einer Region, die durch Landwirtschaft, energie- und (petro-)chemische Industrie geprägt ist. Viele namhafte Firmen haben hier ihren Hauptsitz oder eine Vertretung. Außerdem bietet das dichte Netz an Universitäten und universitären Einrichtungen beste Zugangsmöglichkeiten für innovative Forschung. Die Region kann sich somit als Schwerpunktregion für den Bereich Bioenergie präsentieren. Der Cluster wird gefördert vom Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen (MIWF) aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und mit Mitteln der Fraunhofer-Gesellschaft.

Energieumwandlung auf Basis von organischen Reststoffen
Einen umweltfreundlichen Beitrag zur Energiewende kann thermo-katalytisches Reforming (TCR) leisten, entwickelt von Fraunhofer UMSICHT beim Institutsteil in Sulzbach-Rosenberg. Durch ein mehrstufiges thermo-chemisches Verfahren werden verschiedenste organische Abfälle wie Agrarrückstände, Klärschlämme und Recyclingabfälle aus der Papierindustrie in Öl, Gas und Biokoks umgewandelt. Die TCR-Anlagen wandeln in einem robusten und kontinuierlichen Prozess über 75 % des Energieeinsatzes in qualitativ hochwertige Energieträger um. Für den produzierten Biokoks ist eine stoffliche Nutzung als Bodenverbesserer vorstellbar. Durch eine hohe Kapitaleffizienz ist der dezentrale Einsatz von semimobilen Einheiten möglich. Die große Flexibilität hinsichtlich der möglichen Einsatzstoffe und Verwertungswege für die Produkte verspricht eine hohe Investitionssicherheit.

Ein erstes großes Potenzial für den TCR-Prozess in Deutschland stellen die zahlreichen Biogasanlagen dar. Die Gärreste aus der anaeroben Fermentation können umgesetzt und in flüssige, feste und gasförmige Produkte überführt werden. Durch die folgende Phasentrennung wird die flüssige Phase im Anschluss in eine wässrige und eine Ölphase aufgeteilt. Das abgeschiedene Prozesswasser, welches einen hohen Bestandteil an kurzkettigen, biologisch abbaubaren Kohlenstoffverbindungen aufweist, kann in die Biogasanlage zurückgeführt werden und zur Steigerung der Methanausbeute beitragen. Das produzierte und aufbereitete Reformer-Öl sowie das Gas werden in einem Blockheizkraftwerk zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt, der feste Rückstand eignet sich beispielsweise für landwirtschaftliche Zwecke als Bodenverbesserer.

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