Problemstellung: Membranfiltrationsverfahren erlebten in der Aufbereitungstechnik von Wässern in den vergangenen 20 Jahren einen starken Zuwachs. Trotz des steigenden Einsatzes bleibt ein Problemfeld kommerzieller Membranen die Anhaftung und die Adsorption deckschichtbildender Substanzen (sogenanntes Fouling). Das Fouling wird im Niederdruckbereich (Mikro- bzw. Ultrafiltation) vornehmlich durch Partikeln und Kolloide (kolloidales Fouling), sowie organische Makromoleküle (organisches Fouling) und Mikroorganismen (Biofouling) verursacht. Bei Hochdruckfiltrationsverfahren wie der Nanofiltration kommt es vornehmlich zur Adsorption gelöster organischer Substanzen sowie zu Biofouling. Maßnahmen zur Fouling Kontrolle reichen von der Vorbehandlung von Wässern, über die hydrodynamische Optimierung der Strömung im Membranmodul bis zur physico-chemischen Anpassung der Oberflächeneigenschaften der eingesetzten Materialien (größtenteils Polymere). Im letzteren Handlungsfeld möchte vorliegendes Forschungsvorhaben offene Fragestellungen zu Wirkzusammenhängen zwischen Ladungseigenschaften der Membranoberfläche, den resultierenden Fouling und Rückhalteverhalten aufklären. Vorgehensweise: Mittels ionengestützter Beschichtung, Plasma Immersions Ionenimplantation und Beschichtung (PBII&D) genannt, wird die Oberflächenleitfähigkeit herkömmlicher Polymermembranen gezielt erhöht. Entsprechend behandelte Membranen werden in verschiedenen wässrigen Lösungen durch definiertes Anlegen eines elektrischen Potentials (- 1,5 V bis 1,5 V) auf das resultierende Fouling- und Rückhalteverhalten hin untersucht. Die Versuchsergebnisse werden mit bekannten Transportmodellen (elektrokinetische Modelle) verglichen und ggf. werden Modellanpassungen durchgeführt. Diese Erkenntnisse werden dazu genutzt, ein Modell zu erstellen, das zur Simulation des Trennverhaltens bei verschiedenen Betriebsbedingungen genutzt werden kann. Ein besseres, umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenladung der Membran (Zetapotential) und resultierendem Fouling- bzw. Rückhalteverhalten könnte zur gezielten 'potentialgesteuerten Funktionalisierung' von Membranoberflächen eingesetzt werden.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen zwei innovative Technologien zur Abwasserbehandlung und die sich daraus ergebenen verfahrenstechnischen Möglichkeiten untersucht werden. Die israelischen Partner fokussieren hierbei auf eine anaerobe Behandlung mit immobilisierten Bakterien, das KIT und Vogelsang auf eine Technologie zur elektrokinetischen Desintegration. TE- Engineering hat drei verschiedene verfahrenstechnische Varianten vorgeschlagen, bei denen diese Technologien zum Einsatz kommen können. Ziel des Projektes ist es, Daten zur Analyse bestehender Anlagen zu erheben und anhand der Ergebnisse der Partner Prognosen zu treffen, welche Prozesse sich als ökologisch und/oder ökonomisch vorteilhaft darstellen. Grundlage für diese Prognosen sind Masse- und Energiebilanzen. Als Musterkläranlage für die Betrachtungen in Israel dient die Kläranlage in Karmiel. In Deutschland werden zwei Musteranlagen im Raum Karlsruhe untersucht, eine Anlage im SBR- Verfahren, eine im Johannesburg Verfahren. Die Anlagen sollen hinsichtlich ihrer Größe vergleichbar mit der Kläranlage Karmiel sein, um so Daten für die Bilanzierung sowie Schlammproben für die Untersuchungen zur elektrokinetischen Desintegration am KIT zu liefern. TE- Engineering wird Massen- und Energiebilanzen der Anlagen im aktuellen Zustand erstellen. Danach werden anhand der Ergebnisse der Partner für die drei vorgeschlagenen Prozessvarianten Prognosen zur Wirtschaftlichkeit erstellt.
Die Sanierung von Schadensfaellen ist mittlerweile eines der wichtigsten Aufgabengebiete der Geowissenschaften und Umwelttechnik. Erhebliche Schwierigkeiten ergeben sich fuer Altlasten auf Deponie- und Gewerbeflaechen bei tiefreichenden Kontaminationen des tonigen Untergrundes durch toxische Kohlenwasserstoffgemische sowie bei Untergruenden aus einer Wechselfolge von tonigen fein- und sandig-kiesigen grobklastischen Sedimenten. Das hohe Schadstoffbindevermoegen und die geringe Durchlaessigkeit der tonigen Gesteine fuehrt zu einer massiven Anreicherung der Schadstoffe im Untergrund, die entsprechend der Umgebungsparameter im Anschluss an die Kontamination zu einer langanhaltenden Freisetzung grosser Schadstoffmengen durch Gleichgewichtsprozesse fuehren kann. Dem Stand der Technik entsprechend sind hydraulische sowie mikrobielle Sanierungsverfahren im gering durchlaessigen Untergrund nicht einsetzbar. Im vorliegenden Projektantrag steht die Entwicklung eines neuen, bisher nur unzureichend begleiteten Sanierungskonzeptes fuer gering durchlaessige Gesteine im Vordergrund. Durch den Einsatz von Strom ermoeglichen elektroosmotische und elektrolytische Prozesse eine gezielte Wanderung der Schadstoffe (Schwermetalle, polare organische Verbindungen) im Boden. Zudem scheint der in-situ Abbau von organischen Verbindungen aufgrund von elektrooxidativen Prozessen denkbar, die Sanierung auch gering durchlaessiger Gesteine somit durch die Kombination dieser zeitgleich ablaufenden Prozesse moeglich. Die theoretisch und in Laborversuchen gewonnenen Erkenntnisse werden in der Spaetphase des Projektes die Entwicklung der Sanierungstechnik an einem konkreten Modellschadensfall bestimmen.
Ziel des Projektes ist die Verbesserung einer mikrobiologischen in situ Bodensanierung durch die Nutzung elektrokinetischer Transportprozesse zur Erhöhung der Dispersion von Nährstoffen und mikrobiologisch interessanten Elektronenakzeptoren in kontaminierten Böden. Sulfate, Nitrate oder Nährstoffe wie Phosphate und Ammoniumionen können mit Hilfe der elektrokinetischen Transportprozesse, besonders der Migration, gezielt in Regionen transportiert werden, die an diesen Substanzen verarmt sind. Gleichzeitig kann ein Transport von Schadstoffen und Mikroorganismen induziert werden, was ebenfalls eine bessere Durchmischung und Steigerung der Abbauleistung zur Folge hat. Es besteht an dieser Stelle ein erhebliches Potential zur Überwindung dieser stofftransportlimitierenden Faktoren des mikrobiologischen Abbaus. Damit könnten deutliche Verkürzungen der Schadstofffahnen erzielt werden. Der elektrokinetische Transport von Modellsubstanzen in verschiedenen Böden, z.B. Sand und Ton, konnte u.a. durch Farbmarkierung der Substanzen gezeigt werden. Es wurden eine Reihe möglicher Elektrodenmaterialien untersucht. Dabei zeigten Bor-dotierte Diamantelektroden die höchste Stabilität und geringe Nebenreaktionen. Weitere Versuchsreihen vor allem zu Langzeiteffekten laufen derzeit. Die begleitenden mikrobiologischen Untersuchungen werden am Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe durchgeführt.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die Kühlung Wärme erzeugender elektronischer Baugruppen in Computern oder anderen Bürogeräten(Fax, Kopierer) erfolgt heute in der Mehrheit der Fälle direkt durch Nutzung von Umgebungsluft. Dabei ist eine Belastung dieser Kühlluft mit innerhalb der Geräte emittierten Schadstoffen unvermeidlich. Dies führt zur Beeinträchtigung des Arbeitsklimas und vermehrtem Lüftungs- und damit Heizungsbedarf .Eine Alternative besteht im Einsatz eines geschlossenen Zweiphasen-Kühlkreislaufes bestehend aus Pumpe, Mikroverdampfer und Kondensator, wobei die Umgebungskühlluft - separat geführt - nur mit dem Kondensator in Kontakt kommt und das Gerät ohne Schadstoffbelastung wieder verlassen kann.
Fazit
Die im Rahmen dieses Projektes bearbeiteten Problemstellungen dienten dem Ziel, thermodynamisch effektive, geschlossene Kühlsysteme für Wärme erzeugende elektronische Bauteile zu entwickeln. Deren Vorteil liegt bei massenhaftem Einsatz in einer Senkung des Energieverbrauches für das Kühlsystem und einer Verbesserung der Arbeitsbedingungen in Gegenwart von Bürogeräten. Zur Erreichung beider Ziele konnten wesentliche Schritte getan werden, eine Fortführung der Arbeiten ist aufgrund der Komplexität der Materie unerlässlich. Besonders erfreulich ist, dass die Qualifizierung wissenschaftlichen Nachwuchses mit dem Projekt erfolgreich befördert werden konnte.