CatMemReac – CO2-Reduktion in der Oxidation von Mikroverunreinigungen – energieintensive Prozesse ersetzt durch neue Sonnenlicht-basierte Prozesse

Ziel des deutsch-israelischen Wassertechnologie-Kooperationsprojekts ist die Verringerung des CO2-Fußabdrucks in der Wasseraufbereitung. Dabei werden bei der Oxidation von Mikroverunreinigungen energieintensive Prozesse durch neue Sonnenlicht-basierte Prozesse ersetzt.

Prof. Hadas Mamane bei der Arbeit im Labor mit dem LED-System.
© Tel-Aviv University
Prof. Hadas Mamane bei der Arbeit im Labor mit dem LED-System.
Dipl.-Ing. Christiane Chaumette im Labor.
© Fraunhofer IGB
Dr. Benjamin Wriedt bei der Probennahme am Vorratsgefäß eines Photoreaktors.
© Fraunhofer IGB
Christiane Chaumette (oben) und Dr. Benjamin Wriedt (unten) bei der Probennahme am Vorratsgefäß eines Photoreaktors.

Vorhaben

Im Rahmen dieses Projekts wird eine Wassertechnologie zur Entfernung von organischen Spurenstoffen oder Mikroverunreinigungen (OMPs) aus Wasser (Abwasser/Grundwasser) durch einen solar-photokatalytischen Membranreaktor (CatMemReac) weiterentwickelt und demonstriert.

Es handelt sich um ein Hybridsystem, das sowohl Photokatalyse als auch Niederdruck-Membranfiltration in einem kompakten Design kombiniert. Der auf Photokatalyse basierende, erweiterte Oxidationsprozess (engl. Advanced Oxidation Process, AOP) wird durch Solar- und solarbetriebene Leuchtdioden (LEDs) katalysiert. So können schädliche Spurenstoffe wie das Arzneimittel Carbamazepin rückstandsfrei eliminiert werden.

Neuartige Materialien, heterogene Nanokatalysatoren und Metallschaum mit niedrigen Lebenszykluskosten werden in ökoeffizienten Prozessen mit geringem Energiebedarf eingesetzt und tragen dazu bei, den Kohlenstoff-Fußabdruck herkömmlicher energieintensiver Wasseraufbereitungsprozesse zu verringern.

Nach der gemeinsamen Festlegung der Zielparameter werden die Katalysatoren hergestellt und charakterisiert, um anschließend die neue Aufbereitungsmethode zu konzipieren und zu erproben. Auf der Grundlage der ersten Ergebnisse werden die Treibhausgasemissionen (gemessen in CO2-Äquivalenten) im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse geschätzt.

 

Unser neuer Ansatz

Zu den innovativen und einzigartigen Aspekten gehören:

  • Abbau von OMPs durch den Einsatz von solar-katalytischen Membranen, die den Energiebedarf minimieren und einer ökoeffizienten Prozessführung für die Membranreinigung und die Wiederverwendung des Abwassers folgen.
  • Entwicklung und Anwendung eines neuen Instruments zur Bewertung des Kohlenstoff-Fußabdrucks über den Lebenszyklus neuer Wasseraufbereitungstechnologien in frühen Stadien der technologischen Entwicklung.

Publikationen

V. Kumar, D. Avisar, V.L. Prasanna, Y. Betzalel, H. Mamane (2020): Rapid visible-light degradation of EE2 and its estrogenicity in hospital wastewater by crystalline promoted g-C3N4, Journal of Hazardous Materials, p.122880.

I. Horovitz, V. Gitis, D. Avisar, H. Mamane (2020): Ceramic-based photocatalytic membrane reactors for water treatment–where to next?, Reviews in Chemical Engineering. https://doi.org/10.1515/revce-2018-0036.

T. Peng, J. Pulpytel, I. Horovitz, A.K. Jaiswal, D. Avisar, H. Mamane, J.A. Lalman, F. Arefi-Khonsari (2019): One‐step deposition of nano‐Ag‐TiO2 coatings by atmospheric pressure plasma jet for water treatment: Application to trace pharmaceutical removal using solar photocatalysis, Plasma Processes and Polymers, 16 (6), 1800213.

I. Horovitz, D. Avisar, E. Luster, L. Lozzi, T. Luxbacher, H. Mamane (2018): MS2 bacteriophage inactivation using a N-doped TiO2-coated photocatalytic membrane reactor: Influence of water-quality parameters, Chemical Engineering Journal, 354, 995-1006.

A. Dandapat, I. Horovitz, H. Gnayem, Y. Sasson, D. Avisar, T. Luxbacher, H. Mamane (2018): Solar Photocatalytic Degradation of Trace Organic Pollutants in Water by Bi (0)-Doped Bismuth Oxyhalide Thin Films, ACS omega, 3(9), 10858-10865.

E. Luster, D. Avisar, I. Horovitz, L. Lozzi, M.A. Baker, R. Grilli, H. Mamane (2017): N-Doped TiO2-Coated Ceramic Membrane for Carbamazepine Degradation in Different Water Qualities, Nanomaterials, 31, 7(8). E206. doi: 10.3390/nano7080206.

I. Horovitz, D. Avisar, R. Grilli, A.D. Enevoldsen, D. Di Camillo, M.A. Baker, L. Lozzi, H. Mamane (2016): Carbamazepine degradation using a N-doped TiO2 coated photocatalytic membrane reactor: influence of physical parameters, Journal of Hazardous Materials, 310, 98–107.

N. Meorn, V. Blass, Y. Garb, Y. Kahane, G. Thoma (2016): Why Going beyond Standard LCI Databases is Important: Lessons From A Meta-Analysis of Potable Water Supply System LCAs, International Journal of Life Cycle Assessment, 21(8); 1134–1147.

N. Meorn, V. Blass, G. Thoma (2020): Selection of the Most Appropriate Life-cycle Inventory Dataset: New Selection Proxy Methodology and Case Study Application, Journal of Life Cycle Assessment 25: 771–783.

N. Meorn, V. Blass, G. Thoma (2020): A National Level LCA of a Water Supply System in a Mediterranean-Semi-Arid Climate – Israel as a Case Study, International Journal of Life Cycle Assessment 25: 1133–1144.

I. Reim, B. Wriedt, Ü. Tastan, D. Ziegenbalg, M. Karnahl (2018): Impact of the Type of Reactor and the Catalytic Conditions on the Photocatalytic Production of Hydrogen Using a Fully Noble‐Metal‐Free System, ChemistrySelect 3, 2905–2911.

B. Wriedt, D. Kowalczyk, D. Ziegenbalg (2018): Experimental Determination of Photon Fluxes in Multilayer Capillary Photoreactors, ChemPhotoChem 2 (10).

B. Wriedt, D. Ziegenbalg (2020): Common Pitfalls in Chemical Actinometry, Journal of Flow Chemistry 10, 295–306.

S. Triemer, M. Schulze, B. Wriedt, R. Schenkendorf, D. Ziegenbalg, U. Krewer, A. Seidel-Morgenstern (2021): Kinetic analysis of the partial synthesis of artemisinin: Photooxygenation to the intermediate hydroperoxide, Journal of Flow Chemistry 11, 641–659.

Projektinformationen

Projekttitel

CatMemReac – CO2-Reduktion in der Oxidation von Mikroverunreinigungen – energieintensive Prozesse ersetzt durch neue Sonnenlicht-basierte Prozesse

 

Projektlaufzeit

Juli 2021 – Juni 2024

 

Kooperationspartner

  • Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart (Koordinator)
  • Tel-Aviv University (School of Environmental Engineering und The Porter School of the Environment and Earth Studies), Tel-Aviv, Israel (Koordinator)

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »CatMemReac«, Förderkennzeichen 02WIL1605.

Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Dies erfolgt im Rahmen des Förderprogramms zur Deutsch-Israelischen Technologie-Kooperation Cogeril als Teil der BMBF-Strategie »Forschung für Nachhaltigkeit (FONA)«.