Innovation & Forschung
Chinesisches Know-how: Abwasser erzeugt Strom und entsalzt gleichzeitig
Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, einen Prozess zu entwickeln, mit dem man Abwasser reinigen und zudem Meerwasser entsalzen kann. An dem Forschungsprojekt haben Forscher der Penn State und von der Tsinghua University in Peking mitgearbeitet. Bis dieser Prozess allerdings komplett praxistauglich und in großem Stil anwendbar ist, wird es noch dauern, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Environmental Science and Technology.
17.08.2009
Foto: Marion Book
Sauberes Trinkwasser, aber auch Wasser für die Landwirtschaft und Industrie ist in immer mehr Weltregionen schwierig zu bekommen. Forscher haben immer wieder darauf hingewiesen, dass sich in Zukunft der Kampf ums Nass noch verschärfen wird. Meerwasserentsalzung könnte eine Lösung sein. Doch die beiden derzeit verwendeten Technologien - die Osmose und die Elektrolyse - sind beide sehr energieaufwändig und daher teuer. "Der neue Forschungsansatz geht nun dahin, mit Hilfe von organischem Material die Entsalzung ohne elektrische Energie oder hohen Wasserdruck durchzuführen und gleichzeitig Energie herzustellen", so Bruce Logan, Professor für Umwelttechnologien an der Penn State. Dazu haben die Forscher mikrobische Brennstoffzellen umgebaut. "Wir wollten zeigen, dass Bakterien genug Spannung produzieren können."
"200 Milliliter Abwasser sind nötig, um drei Milliliter Salzwasser zu entsalzen", so Logan. Das System sei also noch nicht praxistauglich, weil es noch nicht optimiert ist. "Allerdings ist es der Beweis für die Durchführbarkeit des Konzepts", erklärt der Forscher. Eine typische mikrobische Brennstoffzelle besteht aus zwei Kammern - einer, die mit Abwasser oder anderen Nährstoffen gefüllt ist, und einer, die mit Wasser gefüllt ist. In jede der Kammern führt eine Elektrode. Natürlich vorkommende Bakterien im Abwasser ernähren sich vom organischen Material und produzieren Strom. Nun haben chinesische Forscher von der Tsinghua Universität in Peking noch einen weiteren Schritt unternommen und eine dritte Kammer zwischen den beiden bereits existierenden platziert. Dazu wurden spezielle Membrane, die entweder nur positive oder nur negative Ionen durchlassen, eingefügt. In der dritten Kammer befindet sich das Salzwasser, dem das Salz entzogen werden soll.
Typisches Meerwasser enthält rund 35 Gramm Salz pro Liter, Brackwasser in etwa fünf Gramm. Salz löst sich nicht nur in Wasser auf, sondern es zerfällt auch in positive und negative Ionen. Wenn die Bakterien in der Brennstoffzelle das Abwasser "konsumieren", entlassen sie aufgeladene Ionen, Protonen, ins Wasser. Diese Protonen können die anionische Membran nicht passieren, daher bewegen sich die negativen Ionen von der Salzwasserkammer in die Abwasserkammer. An der anderen Elektrode werden die Protonen aufgebraucht und positiv geladene Ionen bewegen sich von der Meerwasserkammer zur anderen Elektrodenkammer und entsalzen das Wasser in der mittleren Kammer.
"Als wir versucht haben, mit den mikrobische Brennstoffzellen Strom herzustellen, war die Leitfähigkeit des Abwassers sehr schwach", so Logan. Mit Salz sei das wesentlich besser gelaufen. "Da es in ohnehin sehr vielen Regionen der Welt Meer- oder Brackwasser gibt, gehen wir davon aus, kein zusätzliches Salz ins Wasser geben zu müssen." Allerdings entsalzt dieses System das Wasser nur zu 90 Prozent. Ein anderes Problem mit den derzeitigen Zellen ist, dass Protone nur an einer Elektrode produziert und an der anderen aufgebraucht werden. Das führt zu einer starken Versauerung der einen und zu einer starken Laugenbildung in der anderen Kammer. Mischt man beide Flüssigkeiten zusammen, entsteht wieder normales Salzwasser. Die Forscher fürchten daher, dass die Bakterien, die die Brennstoffzelle anfeuern, unter diesen widrigen Lebensumständen sterben könnten.
"200 Milliliter Abwasser sind nötig, um drei Milliliter Salzwasser zu entsalzen", so Logan. Das System sei also noch nicht praxistauglich, weil es noch nicht optimiert ist. "Allerdings ist es der Beweis für die Durchführbarkeit des Konzepts", erklärt der Forscher. Eine typische mikrobische Brennstoffzelle besteht aus zwei Kammern - einer, die mit Abwasser oder anderen Nährstoffen gefüllt ist, und einer, die mit Wasser gefüllt ist. In jede der Kammern führt eine Elektrode. Natürlich vorkommende Bakterien im Abwasser ernähren sich vom organischen Material und produzieren Strom. Nun haben chinesische Forscher von der Tsinghua Universität in Peking noch einen weiteren Schritt unternommen und eine dritte Kammer zwischen den beiden bereits existierenden platziert. Dazu wurden spezielle Membrane, die entweder nur positive oder nur negative Ionen durchlassen, eingefügt. In der dritten Kammer befindet sich das Salzwasser, dem das Salz entzogen werden soll.
Typisches Meerwasser enthält rund 35 Gramm Salz pro Liter, Brackwasser in etwa fünf Gramm. Salz löst sich nicht nur in Wasser auf, sondern es zerfällt auch in positive und negative Ionen. Wenn die Bakterien in der Brennstoffzelle das Abwasser "konsumieren", entlassen sie aufgeladene Ionen, Protonen, ins Wasser. Diese Protonen können die anionische Membran nicht passieren, daher bewegen sich die negativen Ionen von der Salzwasserkammer in die Abwasserkammer. An der anderen Elektrode werden die Protonen aufgebraucht und positiv geladene Ionen bewegen sich von der Meerwasserkammer zur anderen Elektrodenkammer und entsalzen das Wasser in der mittleren Kammer.
"Als wir versucht haben, mit den mikrobische Brennstoffzellen Strom herzustellen, war die Leitfähigkeit des Abwassers sehr schwach", so Logan. Mit Salz sei das wesentlich besser gelaufen. "Da es in ohnehin sehr vielen Regionen der Welt Meer- oder Brackwasser gibt, gehen wir davon aus, kein zusätzliches Salz ins Wasser geben zu müssen." Allerdings entsalzt dieses System das Wasser nur zu 90 Prozent. Ein anderes Problem mit den derzeitigen Zellen ist, dass Protone nur an einer Elektrode produziert und an der anderen aufgebraucht werden. Das führt zu einer starken Versauerung der einen und zu einer starken Laugenbildung in der anderen Kammer. Mischt man beide Flüssigkeiten zusammen, entsteht wieder normales Salzwasser. Die Forscher fürchten daher, dass die Bakterien, die die Brennstoffzelle anfeuern, unter diesen widrigen Lebensumständen sterben könnten.
Quelle: UD / pte
