Abwasser mittels Strom und Licht reinigen
Die meisten europäischen Abwasseraufbereitungsanlagen sind bereits hochentwickelt, doch neu auftretende Schadstoffe, die sich mit herkömmlichen biologischen Verfahren nur schwer entfernen lassen, rufen verstärkt Bedenken hervor. Hierzu zählen neu auftretende Schadstoffe wie per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, PFAS, Arzneimittel und antimikrobielle Resistenzgene. Bismutvanadat (BiVO4) ist ein einzigartiger Stoff, der vielversprechende Möglichkeiten zur Entfernung solcher Schadstoffe aus dem Wasser bietet. Bei Kontakt mit Licht und Strom baut BiVO4 Schadstoffe durch einen als photoelektrochemische (PEC) Oxidation bezeichneten Vorgang ab. „Bismutvanadat ist ein äußerst attraktiver Stoff für die solarbetriebene Wasseraufbereitung, da er sichtbares Licht absorbiert“, erklärt Sanjeeb Mohapatra, Marie-Skłodowska-Curie(öffnet in neuem Fenster) –Stipendiat an der TU Delft(öffnet in neuem Fenster) (technischen Universität Delft). Wenn Licht auf BiVO4 trifft, werden in dem Material negativ geladene Elektronen und positiv geladene „Löcher“ erzeugt. Diese Löcher müssen für die Reaktion mit Schadstoffen die Grenzfläche zwischen Elektrode und Wasser erreichen, doch ein erheblicher Teil davon wird einfach von Elektronen angezogen und geht eine erneute Verbindung mit ihnen ein, bevor sie ihre Aufgabe erfüllen können. „Die grundlegende Herausforderung besteht in einer besseren Nutzung der BiVO4-absorbierten Sonnenenergie durch Optimierung von Ladungstrennung, Ladungstransport und Oberflächenreaktionen“, fügt Mohapatra hinzu. Im Rahmen des EU-finanzierten SOLUTION-Projekts arbeitete Mohapatra an einer Lösung für dieses Problem und entwickelte eine Beschichtung für die BiVO4-Oberfläche, die den Ladungsfluss der gesamten „Photoanode“ – also des lichtaktivierten Materials in Kombination mit der Beschichtung – verbessert. „Mein Ansatz bestand darin, die Photoanode für eine effizientere Trennung und Übertragung der lichtgenerierten Ladungen auszulegen, während gleichzeitig die an der Oberfläche ablaufenden Reaktionen verbessert werden“, erklärt er.
Ein neuartiges Photoanodenmaterial für eine höhere Effizienz in der Abwasseraufbereitung entwickeln
Mohapatra und sein Team entwickelten und optimierten die Photoanode im Rahmen des Projekts mithilfe einer Kombination aus Materialsynthese, elektrochemischer Charakterisierung und Leistungsversuchen. „Wir haben systematisch untersucht, wie sich die Zusammensetzung und Struktur des Materials auf den Ladungstransfer und auf Schadstoffe – wie beispielsweise den Abbau von Arzneimitteln – auswirken, und nutzten diese Informationen zur Optimierung der Elektrode“, bemerkt Mohapatra. Das Forschungsteam ging außerdem vom Labor auf eine Erprobung der Technologie mit echtem Abwasser, einschließlich Klärschlamm, über. „Das war wichtig, da echtes Abwasser viele verschiedene organische und anorganische Bestandteile enthält, die um die an der Photoanode erzeugten reaktiven Spezies konkurrieren können“, sagt Mohapatra.
Die Leistungsverbesserung bei der Entfernung von Arzneimitteln nachweisen
Das wichtigste Ergebnis war der Nachweis einer verbesserten Leistung des photoelektrochemischen Systems durch die Beseitigung der grundlegenden Einschränkungen der Photoanode selbst. „Wir konnten den Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften und der Entfernung von Arzneimitteln demonstrieren“, bemerkt Mohapatra. „Das ist in wissenschaftlicher Hinsicht wichtig, da wir weitaus besser verstehen, warum das Material eine bessere Leistung zeigt und wie es weiter optimiert werden kann.“ Mohapatra hebt zudem die immense Bedeutung der Erprobung der Technologie unter realen Abwasserbedingungen hervor, da dies ein weitaus komplexeres Versuchsszenario als das Labor darstellt. „Der Nachweis der Leistungsfähigkeit unter realistischen Bedingungen bringt die Technologie der praktischen Anwendung einen Schritt näher“, fügt er hinzu.
Eine verbesserte Abwasseraufbereitung in der EU erreichen
Diese Technologie bietet vor allem die Chance, die herkömmliche Abwasseraufbereitung zu ergänzen, anstatt sie sofort zu ersetzen. Unsere Arbeit trägt zu diesem längerfristigen Ziel bei, da wir effizientere Photoanodenmaterialien entwickeln, die den Energie- und Betriebsbedarf der solarbetriebenen Aufbereitung potenziell senken können. „Das Projekt hat das Potenzial der solarbetriebenen photoelektrochemischen Aufbereitung als ergänzende Technologie für die Arzneimittelentfernung aus dem Abwasser unter Beweis gestellt“, sagt Mohapatra.
