AMO

Wie Nanotechnologie zur Lösung von Wasserknappheitsproblemen beitragen kann

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.

Kläranlage in Aachen-Soers und AFM-Bild der Nanoantennen
Kläranlage in Aachen-Soers (Bild © RWTH Aachen, Vera Kohlgrüber). Im Kasten eine Rasterkraftmikroskop-Aufnahme (AFM) der Nanoantennen. Die Länge der Antennen beträgt etwa 6 µm, ihre Breite und der Abstand zwischen den Antennen liegt unter 1 µm.

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 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 (d.h. tausendmal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares), 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 von PEPcat, einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative “CLIENT II – Internationale Partnerschaften für nachhaltige Innovationen” geförderten Projektes – einer Initiative, die darauf abzielt, neue Märkte für innovative, exportorientierte deutsche Unternehmen (insbesondere kleine und mittlere Unternehmen, KMU) zu erschließen und gleichzeitig einen Beitrag zur Bekämpfung der Umweltzerstörung zu leisten. 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.

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”, so Plachetka, “ist, 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”.

UMEX ist ein kleines Unternehmen, das sich auf die Planung und Herstellung von UV-Systemen, Lampen und Reaktoren für Wasseraufbereitungsanlagen spezialisiert hat. Das Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH ist der Koordinator des PEPcat-Projektes und verfügt über umfangreiche Erfahrungen in allen Aspekten der Abwasserwirtschaft, einschließlich Bau- und Verfahrenstechnik, Umwelttechnik, Biologie und Chemie. Partner des Projekts ist auch HOLINGER Ingenieure GmbH, ein führendes Ingenieurunternehmen, das sich auf nachhaltige Lösungen im Zusammenhang mit Wasser, Bauwerken und Infrastrukturen spezialisiert hat.

“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”.

PEPcat wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 02WCL1519B gefördert.