Für die Wirksamkeit der Abwasserbehandlung mittels eines bioelektrochemischen Systems ist die elektrisch leitfähige Ausstattung der papierbasierten, dreidimensionalen Elektroden von wesentlicher Bedeutung. Die resultierende maximale elektrische Stromdichte bzw. elektrische Leistung ist von den verwendeten Elektroden abhängig, die biokompatibel, mechanisch stabil in Wasser und gut elektrisch leitfähig ausgerüstet sein müssen. Herkömmliche kommerzielle Graphitprodukte haben jedoch Limitierungen der Verwendung als Füllstoff für Elektroden. So tritt Perkolation normalerweise erst bei hohen Füllgraden auf. Zudem schwächt die Einbringung des hydrophoben Graphits bei hohen Massenprozenten die strukturelle Integrität der Papiermatrix. Aus diesen Gründen ist das Ziel des Teilvorhabens, optimierte Graphittypen zu entwickeln, die eine möglichst gute Leitfähigkeit schon bei geringen Füllgraden bieten und/oder eine besser an die Papierfaser anbinden, um eine höhere mechanische Stabilität zu erreichen. Als zusätzliche Aufgabenstellung sollen mit den untersuchten Graphittypen sedimentationsstabile Dispersionen erzeugt werden, um für eine möglichst einfache Handhabung beim Papierproduzenten zu sorgen. Für die papierbasierte Elektrode sollen spezielle, optimierte Graphite eingesetzt werden. Von GK werden im AP 3 verschiedene Dispergierhilfsmittel sowie Dispergiermethoden eingesetzt. Dazu gehören: - Dispergierung mit starken Scherkräften (Ultraturrax, Mikrofluidizer) - Ultraschallunterstützte Dispergierung - Verwendung von Netzmitteln und Rheologieveränderern Im weiteren Verlauf des AP 3 soll durch eine Aufbringung funktioneller Gruppen auf dem Graphit oder durch Coating die Hydrophilie des Graphits erhöht und damit seine Anbindung an Papier verbessert werden. Dazu sollen verschiedene Methoden zum Einsatz kommen: - Partielle nasschemische Oxidation - Polarisierung durch Oberflächenbeschichtung mit Alkalimolybdaten und Phosphaten. - Plasma-Behandlung (Fa. Haydale als Unterauftrag).
Die FUMATECH wird in diesem Projekt zunächst im Labormaßstab die Funktionalisierungsreaktionen der Monomere und Polymere untersuchen. Aus diesen Basismaterialien werden Polymerlösungen entwickelt und hergestellt und auf einer Labortechnischen Ziehanlage zu Membranen verarbeitet. Diese Membranen werden bezüglich wichtiger Grundparameter wie Leitfähigkeit, Ionenaustauschkapazität (IEC) und mechanischer Stabilität analysiert und basierend auf diesen Ergebnissen weitergehend verbessert. Mit ausgefeilten Lösungen können dann bereits Versuche mit den Polymerlösungen auf der kleinen Produktionsanlage durchgeführt werden. Versuchsmuster aus dieser Laborphase werden auch an die Projektpartner gesendet, um diese mit den dortigen Analysemethoden untersuchen zu lassen. Dazu gehören auch wichtige Versuche zum Fouling-Verhalten der Materialien. In der zweiten Projektphase werden die Funktionalisierungsreaktionen und Herstellungsmethoden in den Technikumsmaßstab überführt und weiteren Optimierungsarbeiten unterzogen. Membranen werden in dieser Phase auf den Produktionslinien der FUMATECH gefertigt, um einheitliche Qualitätsmerkmale wie kontinuierliche Dicke und Homogenität der Membranmatrix zu erzielen. Auch diese Membranmuster werden einer eingehenden Analyse und Qualitätskontrolle unterzogen und den Partnern für weitere Messroutinen zur Verfügung gestellt. Die bis dahin vorliegenden Ergebnisse werden zur weiteren Adaption des Membranmaterials genutzt. Schließlich wird FUMATECH die für den Bau des Demonstrator-Moduls benötigte Membranmenge herstellen und an den Partner EnviroChemie zwecks Bestückung des Moduls liefern.
Für die nachhaltige Nutzung der Ressource Wasser spielen neu entwickelte Materialien sowie alternative technologische Konzepte eine zentrale Rolle. Innovative Verfahren im Bereich der nachhaltigen Abwasserbehandlung stellen sogenannte mikrobielle elektrochemische Technologien (MET) dar. Dabei wird die organische Schmutzfracht im Abwasser durch Mikroorganismen direkt in elektrische Energie oder chemische Energieträger umgewandelt. Im Projekt 'ElektroPapier' werden MET dahingehend weiter entwickelt, dass eine wirtschaftliche Betriebsführung ermöglicht wird. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von MET werden leitfähige, stabile und formbare Bioelektroden auf Basis von Graphit-gefüllten Spezialpapieren entwickelt. Dafür werden spezielle optimierte Graphite eingesetzt, welche unter anderem eine hohe Einbindung in das Papier aufweisen und eine stabile Dispersion bilden. Die damit produzierten Papiere werden auf ihre physikalisch-mechanischen Eigenschaften hin untersucht und bezüglich ihrer Formbarkeit getestet, da durch eine 3-dimensionale Elektrodenanordnung hohe Oberfläche-zu-Kammervolumen Verhältnisse erreicht und Materialkosten eingespart werden können. Die geeignetsten Papierrezepturen werden danach im Technikum auf die kontinuierliche Papierherstellung mit Papiermaschinen übertragen. Dies gibt wichtige Hinweise bezüglich der Produzierbarkeit, der Kosten und der möglichen herstellbaren Mengen an gefülltem Papier. Zur Trennung der Anoden- und Kathodenkammer werden Ionenaustauscher-Membranen optimiert und in MET erprobt. Die Membranen werden hinsichtlich ihrer mechanischen und chemischen Stabilität sowie der Antifouling-Eigenschaften durch eine Modifizierung des Funktionalisierungsgrades, der Membrandicke an die speziellen Anforderungen angepasst. Weiterhin wird eine hohe Ionenleitfähigkeit gewährleistet. Ein weiteres Ziel ist es, eine skalenübergreifende Analytik der mikrobiellen Gemeinschaften zu schaffen. Dafür werden die Interaktion der Mikroorganismen mit der Elektroden- bzw. Membranoberfläche untersucht und daraus Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet. Dabei soll vor allem die Durchflusszytometrie zum Einsatz kommen und durch bioinformatische sowie mikroskopische und elektrochemische Methoden ergänzt werden. Die Überprüfung und Bewertung der Eigenschaften verschiedener Anoden, Membranen und Elektrodengeometrien erfolgt durch Experimente in Laborreaktoren und im MES-Prototyp mit verschiedenen Betriebsweisen. Der praxisrelevante Funktionsnachweis im Bereich der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung wird durch den Einsatz aller optimierten Einzelkomponenten in einem Demonstrator erbracht. Dieser zeichnet sich durch seinen flexiblen modularen Aufbau aus und kann in Parallel- und Serienschaltung eingesetzt werden. Zur kritischen Bewertung des neuen Konzepts kommen neben Strömungssimulationen und experimenteller Erprobungen auch ökonomische, ökologische und betriebsbezogene Aspekte in Betracht.
Um die Sicherheit unseres Trinkwassers zu gewährleisten, soll es auf eine Vielzahl von Pathogenen und Toxinen hin untersucht werden. Mittels magnetischer Detektion von Nanosonden, die spezifisch an Pathogene oder Toxine binden, sollen möglichst viele verschiedene Kontaminationen in einem Analyseschritt erfasst werden (Multiplex-Magnetdetektion). Die Erforschung dieser multiparametrischen magnetischen Immunodetektionstechnik und ihre praktische Nutzbarmachung ist das zentrale Ziel dieses Teilvorhabens. Nach magnetischer Separation aus dem Probenvolumen sollen die Nanosonden innerhalb eines Detektionskompartiments analysiert werden. Dabei dienen die an Pathogene oder Toxine gebundenen magnetischen Nanosonden einerseits als magnetische Handgriffe zur Aufkonzentration, d.h. zum Herausfischen einer kleinen Menge von markierten Verunreinigungen aus einem großen Wasservolumen mit einem Magneten, und andererseits als charakteristische Marker für den Verunreinigungstyp. Es sollen verschiedene Typen magnetischer Nanopartikel identifiziert werden, die gut magnetisch separierbar sind und sich leicht mittels magnetischer Frequenzmischung detektieren lassen. Für die multiparametrische Magnetdetektion wird das Verfahren der magnetischen Frequenzmischung so erweitert, dass sich innerhalb eines Messschrittes mehrere Pathogene und Toxine parallel detektieren und unterscheiden lassen. Mögliche Unterscheidungsmerkmale der Partikelsorten wie Phasen der Frequenzmischungskomponenten, Spektren der Intermodulationsprodukte und Feldskalenkonstanten werden analysiert. Mehrparametrische magnetische Assays sollen realisiert werden, indem die Frequenzmischsignale der jeweils an verschiedene Pathogene gebundenen Magnetpartikelsorten unterschieden werden. Die Magnetspulen werden angepasst, um die neue Detektionstechnik in eine kompakte Analyseeinheit zu überführen. Schließlich soll der Aufbau eines mobilen Analysesystems erfolgen und die neuen Techniken evaluiert werden.
Die Bioelektrochemie ist ein relativ junges Forschungsgebiet mit großem Zukunftspotenzial. Sie kann einen signifikanten Beitrag zur Verbesserung der Ressourceneffizienz liefern. Die überproportionale Zunahme an Erkenntnissen und Aktivitäten der letzten Jahre, die Ankündigung erster Anwendungen insbesondere im internationalen Raum lässt die Anwendbarkeit solcher Systeme in naher Zukunft erwarten und erfordert hierzulande eine frühzeitige vertiefte Auseinandersetzung mit dem Thema, auch um deutsche Wirtschaftsinteressen zu wahren. Im Rahmen einer Konzeptstudie sollen deshalb die Möglichkeiten und Potenziale für die Umsetzung von bioelektrochemischen Systemen in der Abwasser- und Abfallaufbereitung herausgearbeitet werden. Diese betreffen nicht nur die Energieeinsparung bzw. -gewinnung bei der Abwasseraufbereitung, sondern auch die Möglichkeiten zur Gewinnung von Rohstoffen wie z.B. Wasserstoff, Methanol, Phosphor und Metalle. Hierzu werden thematisch relevante Literaturrecherchen sowohl in Bezug auf die technologischen Ansätze dieser Systeme als auch auf die Anwendbarkeit verschiedener Stoffströme durchgeführt, zusammengefasst und bewertet. Ergänzend werden bisherige Erfahrungen von Forschungseinrichtungen und Wissenschaftlern, aber auch von in entsprechenden Projekten beteiligten Wirtschaftsunternehmen recherchiert und verwertet. Aus der Zusammenfassung dieser Erkenntnisse heraus könnten Vorschläge für zukünftige Handlungsmöglichkeiten im Rahmen der Landesstrategie 'Nachhaltige Bioökonomie' abgeleitet werden.
Durch die kurze Zeitreihen von Abflusszeitreihen und die wenige darin enthaltenen Extremereignissen ergeben sich große Unsicherheiten bei der Abschätzung von Hochwasserereignissen mit einem Wiederkehrintervall größer als 100 Jahren. Für die Ermittlung von seltenen Hochwässern sollte die lokale Hochwasserstatistik an einem Pegel daher durch zusätzliche Informationen gestützt werden. Eine Variante besteht in der Ermittlung von zusätzlichen Stützstellen im Extrapolationsbereich. Diese Stützstellen können durch obere Grenzen von bislang in vergleichbaren Klimaregionen beobachteten Hochwasserabflüssen bereitgestellt werden. Die Regionalisierung von Hochwasserkenngrößen ist eine weitere Methode, um zusätzliche Informationen zu erhalten. Nach dem Prinzip 'trading space for time wird bei einer Hochwasserregionalisierung die limitierte Abflussmessreihe an einem Pegel durch die Hinzunahme von Zeitreihen von benachbarten Pegeln aus einer vergleichbaren hydrologischen Region erweitert. Mit der Methode der Hochwasserregionalisierung können ausgewählte Hochwasserquantile auf unbeobachtete Gebiete übertragen werden. Forschungsziele: Abschätzung von oberen Grenzen durch die Anwendung von empirischen und probabilistischen Hüllkurven; Integration der oberen Grenzen in die Hochwasserstatistik; Entwicklung und Anwendung eines Regionalisierungsansatzes basierend auf Prozesstypen; Ermittlung von ausgewählten Hochwasserquantilen für alle Gemeinden in Sachsen.
Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung, Untersuchung und Bewertung der bioelektrochemischen Brennstoffzelle (BioBZ) im Pilotmaßstab. Neben den Untersuchungen zum Leistungsvermögen der BioBZ für die Energie- bzw. Wasserstoffgewinnung aus Abwasser wird auch der Frage nachgegangen werden, ob mit der gleichzeitigen Elimination von Mikroschadstoffen ein Mehrwert dieser innovativen Technologie erzielt werden kann. Der Projektpartner TUBS wird sich innerhalb des Verbundprojektes deshalb folgenden Arbeitsschwerpunkten widmen: (i) der Kathodischen Wasserstofferzeugung; (ii) der Entwicklung bioelektrochemischer Methoden und (iii) der Mikroschadstoffelimination. Durch den Projektpartner TUBS sollen maßgeschneiderte Wasserstoff-Reduktionskathoden entwickelt werden, welche explizit für einen Einsatz in einer Pilotanlage geeignet sind. Dabei spielen niedrige Materialkosten, eine möglichst niedrige Überspannung der Wasserstoffreduktion, eine hohe Langzeitstabilität, und eine Skalierbarkeit in den erforderlichen Flächenmaßstab eine essentielle Rolle. Die Entwicklung bioelektrochemischer Methoden umfasst die Entwicklung von Methoden zur Konditionierung und zur elektrochemischen Charakterisierung von Biofilm-Elektroden sowie das Screening von Elektrodenmaterialien. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit der BioBZ im Labormaßstab und der Pilotanlage zur Mikroschadstoffelimination mit besonderer Berücksichtigung auftretender Transformationsprodukte untersucht.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuen bioelektrischen Verfahrens zur fermentativen Herstellung von Bernsteinsäure. Der biochemische Prozess wird hierbei mit einem elektrochemischen verknüpft, wobei in einer bioelektrochemischen Zelle kathodenseitig zusätzliche Elektronen für die biochemische Synthese von Bernsteinsäure aus organischen Substraten bereitgestellt werden. Die Ausbeute an Bernsteinsäure soll mit diesem Prozess erhöht und die Bildung oxidierter Nebenprodukte wie Essigsäure minimiert werden. Der aktuelle Kenntnisstand zur bioelektrischen Herstellung von organischen Säuren wird im Rahmen von Literatur- und Patentrecherchen ermittelt. Zur potenziellen Plattformchemikalie Bernsteinsäure wird eine Marktrecherche durchgeführt und das Optimierungspotenzial der fermentativen Produktion mit Hilfe der Elektrobiosynthese herausgearbeitet. Aufbauend auf den Rechercheergebnissen werden eine Fermentationsanlage und eine elektrochemische Zelle im Labormaßstab aufgebaut. Die Laboranlage wird zur Erprobung der bioelektrischen Herstellung von Bernsteinsäure mit dem anaeroben Bakterium Anaerobiospirillum succiniciproducens eingesetzt. Auf der Anodenseite der Zelle werden Elektronen mittels einer elektrolytischen Wasserspaltung freigesetzt. Auf der Kathodenseite wird die fermentative Produktion der Bernsteinsäure aus organischen Substraten durchgeführt, wobei eine Aufnahme der Elektronen durch die Bakterien erfolgen soll. Zur Unterstützung der Elektronenübertragung auf die Bakterien wird zusätzlich der Einsatz von Mediatoren untersucht. Die Ausbeute und das Spektrum der produzierten Säuren werden mit einer konventionellen Fermentation ohne Elektronenzufuhr verglichen. Die Ergebnisse werden einem noch auszuwählenden Expertengremium vorgestellt, um Partner für die weitere Entwicklung des Verfahrens in der Machbarkeitsphase zu gewinnen.
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