Nanokohlenstoffe verwandeln Abwärme in Strom und reinigen Abwässer ohne Chemie
Saarbrücken – Um Salze und Schwermetalle aus Abwässern zu entfernen, werden diese über chemische Reaktionen gereinigt oder aufwändigen Filtermethoden unterzogen. Wissenschaftler aus Saarbrücken arbeiten an einer Methode, mit der man Abwässer ohne Chemikalien und zudem energie-effizient entsalzen kann: Bei der sogenannten elektrosorptiven Entionisierung (CDI) werden die Ionen über Elektroden aus dem Wasser entfernt und an den Elektroden gesammelt. Zurück bleiben sauberes Wasser und die an den Elektroden angereicherten Ionen. Dieser umweltverträgliche Prozess lässt sich sogar zur Stromerzeugung nutzen: Auch Abgase, wie zum Beispiel Kohlendioxid, eignen sich dann, in Wasser als Ionen gelöst, um elektrische Energie zu erzeugen.
Auf einer internationalen Tagung in Saarbrücken tauschen über hundert Experten aus 20 Ländern vom 26. bis 28. Oktober ihr Wissen aus, um die Materialien und Prozesse, die dieser Methode zugrunde liegen, weiter zu verstehen und zu verbessern. Veranstalter auf dem Saarbrücker Campus ist das INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien.
Das Prinzip der Entionisierung funktioniert nicht nur, um unerwünschte Ionen aus dem Wasser zu entfernen. „Die Stromerzeugung kann auch der gewünschte Haupteffekt sein, um zum Beispiel anfallende Abgase aus Kraftwerken für die Energiegewinnung zu nutzen“, erklärt Volker Presser, Gruppenleiter für Energie-Materialien am INM. Dazu müssten lediglich die Abgase als Ionen im Wasser vorliegen. „Kohlendioxid eignet sich zum Beispiel sehr gut dafür“, meint der Materialforscher und ergänzt: „Besonders spannend ist für uns, dass wir dank Elektrosorption sogar Abwärme verstromen können“. Dies funktioniere, weil die Elektroden bei niedriger Temperatur geladen und bei höherer Temperatur entladen werden. Durch die Temperaturerhöhung steigt die elektrische Spannung, sodass beim Entladen direkt elektrische Energie gewonnen werden kann.
Das Grundprinzip dieser Methode funktioniert ohne chemische Reaktionen dank Ionen-Elektrosorption: Das zu reinigende Wasser fließt zwischen zwei Elektroden aus porösem Kohlenstoff, an die eine Spannung angelegt wird. Die positiv geladene Elektrode zieht dabei die negativ geladenen Ionen aus dem Wasser, die gegenüberliegende negativ geladene Elektrode zieht die positiv geladenen Teilchen aus dem Wasser. Die Ionen werden in den Nanoporen des Elektrodenmaterials gespeichert, am Ende fließt gereinigtes Wasser heraus.
„Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad genügt es nicht, einfach nur poröse Aktivkohle als Elektrodenmaterial zu verwenden“, sagt der junge Saar-Forscher Presser. Ein Schwerpunkt seiner Arbeit und wichtiger Diskussionspunkt der Konferenz sind deshalb die Synthese und Charakterisierung von neuen Kohlenstoffnanomaterialien wie Graphen oder sogenannte Kohlenstoffnanozwiebeln.
Die CDI&E International Conference on Capacitive Deionization and Electrosorption findet vom 26. bis 28. Oktober in der Aula auf dem Campus der Universität des Saarlandes statt. Die wissenschaftliche Leitung hat das deutsch-israelische Team aus Professor Volker Presser und Professor Matthew Suss vom Technion – Israel Institute of Technology.
Viele Teilnehmer kommen aus dem asiatischen und arabischen Raum, denn Länder mit ausgeprägter Wasserknappheit forschen intensiv an der Technologie. Auch für die Aufbereitung von Grubenwasser aus dem Bergbau ist CDI attraktiv: man erhält nicht nur sauberes Abwasser; die zurückgehaltenen Ionen oder Edelmetalle können als hochangereicherte Flüssigkeit als wertvoller Rohstoff der Industrie dienen.
In zehn Programmeinheiten und an ergänzenden Postern diskutieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Ergebnisse und Erkenntnisse zu möglichen Materialien und Mechanismen der Elektroden in CDI, zur Energieerzeugung, Ionenentfernung und zu ionischen Prozessen. Als Ehrengast ist Professor emeritus Bertel Kastening geladen, ein bekannter Pionier der Elektrochemie.
Quelle: Leibniz-Institut für Neue Materialien
