Mit Nanotechnologie zur Lösung von Wasserknappheit


Quelle: AMO GmbH
02.07.2020

Nanotechnologie kann die Energiekosten von Abwasserreinigung senken und die direkte Wasserwiederverwendung technisch und wirtschaftlich machbar machen - ein Ziel, das AMO gemeinsam mit Partnern im BMBF-Projekt PEPcat verfolgt.

Nanotechnologie gegen hartnäckige Wasser-Verunreinigungen

Die Wasserversorgung von Städten und Gemeinden ist in vielen Teilen der Welt zu einem immer ernsteren Problem geworden. In vielen Fällen müssen langfristige Lösungen notwendigerweise die Wiederverwendung von Abwasser einschließen. Der Aufbau eines geschlossenen Wasserversorgungssystems ist aber ein äußerst schwieriges Problem, das eine Menge politischer, wirtschaftlicher und technologischer Herausforderungen mit sich bringt. Eines der Hauptprobleme sind die Kosten für die Verfahren, die zur Entfernung hartnäckiger organischer Verunreinigungen aus dem Wasser erforderlich sind. Und genau hier kann die Nanotechnologie helfen.  

Hochenergetisches UV-Licht energieeffizienter nutzen

Eine der effektivsten Methoden zur Beseitigung organischer Verunreinigungen sind derzeit Behandlungen, bei denen mit hochenergetischem UV-Licht hochreaktive Hydroxyl-Radikale (•OH), erzeugt werden, die wiederum organische Verunreinigungen in unschädliche Stoffe zersetzen. Der größte Nachteil dieses Ansatzes sind die Energiekosten, die derzeit für die kommunale Abwasserbehandlung viel zu hoch sind.  "Die Situation lässt sich drastisch ändern, wenn wir Nanotechnologie - genauer gesagt plasmonische Nano-Antennen - einsetzen, um Licht effizienter zu nutzen", sagt Ulrich Plachetka, Leiter der Gruppe Sensorik bei der AMO GmbH. 

Tatsächlich hängt der größte Teil der Kosten mit der Erzeugung der hochenergetischen UV-Photonen zusammen, die für die Behandlung benötigt werden. Plasmonische Nanoantennen sind metallische Strukturen mit typischen Abmessungen von einigen zehn oder hundert Nanometern, die es ermöglichen, die auf eine Oberfläche auftreffende optische Strahlung in sehr intensive, lokale Felder auf der Oberfläche selbst umzuwandeln. "Mit plasmonischen Antennen, die mit einer dünnen Schicht eines Photokatalysators wie Titandioxid (TiO2) bedeckt sind, sollten wir in der Lage sein, die Produktion von Hydroxylradikalen zu erhöhen und die Energiekosten des Prozesses deutlich zu senken", erklärt Plachetka. "Darüber hinaus sollte es durch die Optimierung der Geometrie der Antennen und der TiO2-Schicht auch möglich sein, eine gute Photokatalysator-Aktivität mit Sonnenlicht zu erreichen". 

Diese Ideen stehen im Mittelpunkt des Förderprojektes: PEPcat ist ein Akronym für "Energieeffiziente fortgeschrittene Oxidation zur Entfernung organischer Substanzen im Abwasser durch plasmonisch verstärkte Photokatalyse", und ist ein Projekt der AMO GmbH zusammen mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, der Coatema Coating Machinery GmbH, der UMEX GmbH Dresden und der HOLINGER Ingenieure GmbH.

Problem der Wasserknappheit im Raum Peking 

Ziel des Projekts ist es, eine praktische Lösung für das Problem der Wasserwiederverwendung im Raum Peking zu finden, wo Wasserknappheit bereits eine dramatische Realität ist (2018 fehlen rund 470 Millionen m3 Wasser). "Unser Projekt konzentriert sich auf die Region Peking, aber die Lösungen, die wir entwickeln, können auch auf andere Ballungsräume in anderen Teilen der Welt angepasst und ausgeweitet werden", sagt der Projektkoordinator Prof. Thomas Wintgens, Direktor des Instituts für Umwelttechnik der RWTH. "Wir wollen zeigen, dass die direkte Wasserwiederverwendung technisch machbar ist und dass eine hohe Wasserqualität erreichbar ist". 

"Was ich an diesem Projekt sehr spannend finde ist", so Plachetka, "dass es alle Fachkenntnisse zusammenbringt, die nötig sind, um von einer abstrakten Idee zur Lösung eines konkreten Problems zu gelangen. Als AMO bringen wir unsere Erfahrung im Plasmonen-Engineering und in der Nanostrukturierung für die Entwicklung der plasmonisch verstärkten photokatalytischen Elemente ein, die den Kernaspekt der PEPcat-Technologie bilden. Anschließend entwickeln wir gemeinsam mit Coatema - einem Familienunternehmen, das sich auf Beschichtungs-, Druck- und Laminieranlagen spezialisiert hat - eine Pilotanlage zur Übertragung der in unserem Reinraum entwickelten Nanostrukturen in den Großmaßstab. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass unsere Technologie skalierbar und wirtschaftlich tragfähig ist. Darüber hinaus arbeiten wir gemeinsam mit UMEX und dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen an der Entwicklung von Prototypreaktoren, um die Abbauleistung der neuen photokatalytischen Elemente zu testen und zu optimieren". 

Nanotechnologie als Schlüsselfaktor für globale Herausforderungen

"Die Nanotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie zur Lösung globaler Herausforderungen", sagt Prof. Max Lemme, Direktor der AMO GmbH. "Dieses Projekt ist ein gutes Beispiel für eine Lösung, die mit herkömmlichen Ansätzen nicht realisierbar ist. Bei AMO entwickeln wir seit Jahren Nanostrukturierungstechniken. Es ist äußerst spannend und ermutigend zu sehen, wie sich die Ergebnisse unserer langfristigen Forschung jetzt die Grundlage für dieses sehr anwendungsorientierte Forschungsprojekt bilden, das weit reichende Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit der „Stadt der Zukunft“ haben kann".

Kontakt: amo@amo.de