Mikroverunreinigungen stellen bereits in geringen Konzentrationen (ng/L) ein ernsthaftes Risiko für die Wasserfauna und -flora und die öffentliche Gesundheit dar. Eine effiziente Behandlung der Mikroverunreinigungen bei der Wiederverwendung von Wasser ist entscheidend für die Sicherheit der Wasserversorgung nach der Aufbereitung. Der entworfene elektrochemische Membranreaktor (EMR) mit einer Membran aus „carbon nanotubes“ (CNT), die gleichzeitig Adsorption, Membrantrennung und elektrochemische Reaktionen ermöglicht, ist dafür gut geeignet. (Förderkennzeichen: 02WIL1555)
Das Ausmaß der Wasserverschmutzung und die zunehmende Knappheit einer sicheren Trinkwasserversorgung auf globaler Ebene sind allgemein anerkannt. Schätzungen zufolge hat ein Viertel der Weltbevölkerung keinen Zugang zu einer sicheren Trinkwasserversorgung und fast die Hälfte keinen Zugang zu einer angemessenen Abwasserentsorgung. In diesem Zusammenhang ist die Wiederverwendung von Wasser von entscheidender Bedeutung, um dem gravierenden Wassermangel zu begegnen, mit dem die Menschheit konfrontiert ist. Die Entfernung von Mikroverunreinigungen, die in ihren Spurenkonzentrationen ein erhebliches Risiko für die Wasserfauna und -flora und die öffentliche Gesundheit darstellen, ist für die sichere Wiederverwendung von Wasser von entscheidender Bedeutung. Die vollständige oder auch nur teilweise Beseitigung von Mikroverunreinigungen im Spurenbereich durch herkömmliche kommunale Kläranlagen ist schwierig oder unerreichbar. Viele dieser widerspenstigen Verbindungen passieren den Klärprozess und gelangen in die aquatische Umwelt, wo sie schließlich Oberflächenwasser, Grundwasser und sogar Trinkwasser verunreinigen.
Der elektrochemische Membranreaktor (EMR) hat das Potenzial, diese Herausforderung zu meistern. Beim EMR-Verfahren dient eine leitfähige Membran als Arbeitselektrode, wobei die Verunreinigungen durch die Porenkanäle der Membran fließen, deren elektrochemisches Potenzial von außen gesteuert wird, wodurch gleichzeitig Elektroadsorption, Membrantrennung und elektrochemische Strategien erreicht werden. Ein EMR mit einer Membran aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) wurde im Rahmen des NEMWARE-Projekts (aus dem Call von 2019) entwickelt und für die Behandlung von Mikroverunreinigungen durch Steroidhormone (SH) in Wasser in umweltrelevanter Konzentration (100 ng/L) untersucht. Insbesondere konnte der EMR bei energieeffizienten Betriebsbedingungen (niedrige Zellspannung von 2 V und niedriger Druck von 1 bar bei 600 L/m2h*bar) eine SH-Entfernung von über 95 % erreichen. Die hohe Effizienz des EMR wird auf die Synergien des durch Advektion verstärkten Stofftransfers und die Auswirkungen des elektrischen Feldes im Rahmen des räumlichen Einschlusses in nanoskaligen intraporösen Strukturen zurückgeführt, die zur Beschleunigung der Reaktionskinetik beitragen.
