Reinstwasser/Wasseranalytik

Abwässer reinigen mit Kavitation

Etablierte Verfahren zur Reinigung der Abwässer sind in der Regel kompliziert und teuer. Doch es geht auch anders: Chemiker der Universität Jena um Prof. Dr. Bernd Ondruschka haben jetzt gemeinsam mit Fachkollegen aus Nanjing in China ein Verfahren entwickelt, bei dem sie sich eines Phänomens bedienen, das Bootsbauern regelmäßig Kopfzerbrechen bereitet: Die von Dr. Zhilin Wu geleitete Arbeitsgruppe macht sich die Kavitation zunutze, die Entstehung winziger Gasblasen in Flüssigkeiten.
Bild: Die Chemiker Dr. Zhilin Wu (r.) aus China und der Doktorand Marcus Franke erzeugen bei einem Experiment in einem mit Flüssigkeit gefüllten Plexiglas-Zylinder winzige Gasbläschen (Foto: Jan-Peter Kasper/FSU).


Solche Gasbläschen entstehen zum Beispiel an rotierenden Körpern in Flüssigkeiten. Sie sind ungeheuer energiereich und bergen deshalb ein großes Zerstörungspotenzial in sich. Speziell an Schiffsschrauben kann Kavitation starke Schäden hervorrufen. Die Gasbläschen implodieren in Bruchteilen von Mikrosekunden wieder und setzen dabei Temperaturen bis zu 5000 Kelvin frei – das entspricht der Oberflächentemperatur der Sonne. Außerdem wirken enorme Drücke um die 500 bar, was sonst erst in einer Wassertiefe von 5000 Metern erreicht wird. Im Moment des Kollapses wird das umgebende Wasser homolytisch gespalten und es werden Hydroxylradikale gebildet, die organische Verbindungen oxidieren und abbauen können. Des Weiteren werden durch die extremen Bedingungen Pyrolysereaktionen ausgelöst.

Ozon kombiniert mit Kavitation
„Diese Energie im Moment des Kollabierens der Gasbläschen nutzen wir aus“, sagt Dr. Wu. Den Jenaer Forschern ist es gelungen, eine phenolhaltige Lösung mit Hilfe der Kavitation zu reinigen. Bei den Versuchen der Arbeitsgruppe Kavitations-Chemie wurde die Reaktionslösung außerdem mit Ozon versetzt. „Durch die Kavitation sind wir in der Lage, das eingeleitete Ozon viel besser zu nutzen. Und das hohe Oxidationspotenzial beschleunigt die Abbaureaktionen deutlich“, erläutert Dr. Wu.

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Die Kavitation lasse sich auf verschiedenen Wegen in Gang setzen, erklärt Marcus Franke von der Arbeitsgruppe Kavitations-Chemie. Eine Möglichkeit sind Rohrsysteme mit Lochplatten als künstliche Verengungen. An diesen Platten herrschen unterschiedliche Druckverhältnisse, wodurch Kavitation erzeugt wird. Eine andere Quelle für Kavitation stellt der Ultraschall dar. Dadurch können ebenfalls sehr hohe Abbauraten mit guten Energieeffizienzen generiert werden, jedoch ist die Vergrößerung solcher Ultraschallanlagen sehr kompliziert und stellt die Wissenschaftler vor große Herausforderungen.
Prof. Dr. Bernd Ondruschka, der die Arbeitsgruppe Kavitations-Chemie 1997 gegründet hat, verweist auf die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens. In Nanjing haben die Chemiker mit Hilfe des neuen Verfahrens eine Methode entwickelt, um Gewässer von Mikroalgen zu befreien. Auf einfachem Weg lassen sich so beispielsweise Stadtseen reinigen, ohne Chemikalien zusetzen zu müssen.

Ihre Ergebnisse haben die Jenaer Chemiker gemeinsam mit den Fachkollegen aus China im „Journal of Hazardous Materials“ veröffentlicht. Weitere Informationen finden Sie in der Original-Publikation (siehe unten) sowie im Internet unter www.uni-jena.de (Institut für Technische Chemie und Umweltchemie).

Original-Publikation

Z. Wu et. al.: „Enhanced effect of suction-cavitation on the ozonation of phenol, J. Hazard. Mater. (2011), doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.03.054

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