Reduktive Verfahren

Seit Anfang der 1990er Jahre metallisches Eisen als Reduktionsmittel auch für Umweltanwendungen „wieder“entdeckt wurde, gelten durchströmte Reinigungswände als wirksame und kostengünstige Alternative zu Pump&Treat-Maßnahmen für die Sanierung kontaminierter Aquifere. Metallisches Eisen erwies sich als geeignet, halogenorganische Verbindungen effektiv zu zerstören. Nur knapp ein Jahrzehnt später gingen weltweit die Aktivitäten zur in-situ-Erzeugung reaktiver Barrieren durch injizierbare Suspensionen nanoskaliger Eisenpartikel (nano-Eisen) über. Nano-Eisen hat ein riesiges Potenzial für die Grundwasserreinigung, zeigt aber aufgrund bestimmter anderer Eigenschaften Limitierungen für die in-situ-Anwendung. Mit Carbo-Iron ®, einem am UFZ entwickelten kolloidalen Kompositmaterial aus Eisen und Aktivkohle, sollen diese Limitierungen gezielt überwunden werden.

Das Department Technische Umweltchemie des UFZ baut deshalb auch auf die katalytische Dehalogenierung mit Palladiumkatalysatoren , die auch die aromatischen Verbindungen zerstören kann. Allerdings steht bei diesen Katalysatoren einer extrem hohen Reaktivität eine geringe Standzeit unter Umweltbedingungen gegenüber. Aufgabe der Forschung im Bereich katalytische Wasserreinigung ist es, effiziente und kostengünstige Katalysatoren und Verfahren bereitzustellen, die an die Besonderheiten der Umwelt optimal angepasst sind. Im Department verfolgen wir mehrere Wege, um dieses Ziel zu erreichen, die man mit folgenden Stichpunkten umreißen kann:

Erhöhung der Lebensdauer der Pd-Katalysatoren durch hydrophobe Schutzhüllen, die den Katalysator resistenter gegenüber Wasserinhaltsstoffe machen und die das Ausbluten von Palladium auch über lange Betriebszeiten vollständig verhindern.

Gezielte Anreicherung von Schadstoffen durch Adsorption an Katalysatorträgern und chemische Umwandlung der Kontaminanten im adsorbierten Zustand.

In weiteren Arbeiten des Departments wurde zu Nanokatalysatoren übergegangen, die im ersten Schritt für die Abwasserreinigung eingesetzt werden sollen. Auf der Basis ferromagnetischer Trägerkolloide lassen sich extrem aktive Katalysatoren herstellen, die für den zyklischen Batcheinsatz geeignet sein sollten. Mit Hilfe der Magnetoseparation sind diese ferromagnetischen reaktiven Katalysatorpartikel leicht aus den behandelten Wässern abtrennbar.

Ein anderer Weg zur Verbesserung der Bedingungen für katalytische Reaktionen besteht in der Überführung der hochverdünnten flüchtigen Schadstoffe aus der "ungünstigen" Wasserphase in die "günstige" Gasphase. Viele organische Verbindungen werden beim Strippen in der Gasphase um mehrere Größenordnungen (auf Massenstrombasis) angereichert, wodurch eine Behandlung der beladenen Gasströme bei erhöhten Temperaturen (>100°C) ökonomisch vertretbar wird. Die Kombination von Strippen mit heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen (z.B. die Totaloxidation im Luftstrom) erweitert den Anwendungsbereich der Katalyse für die Wasserreinigung beträchtlich. Ein site-angepasstes Ex-situ-Mehrstufenverfahren, dessen Kernstück ein Katalyseschritt ist, wurde an mehreren Standorten erfolgreich getestet. Hier konnten Grundwässer, die mit CKW und bromierten Kohlenwasserstoffen hochgradig belastet sind (AOX > 150 mg/l), im Pilotmaßstab bis unter die jeweiligen Einleitergrenzwerte von 1 bzw. 3 mg/l AOX dekontaminiert werden. Die nebenstehenden Bilder zeigen den Praxiseinsatz in der Pilotanlage.

Die Bereitstellung von Wasserstoff für katalytische Reduktionsreaktionen in Wasser ist durch seine geringe Löslichkeit limitiert. Mit Hilfe alternativer wasserlöslicher H-Donatoren lässt sich diese Limitation überwinden.