Das Verbundprojekt ElektroWirbel hat die Schließung von Prozesskreisläufen in der chemischen Industrie durch Aufbereitung salzhaltiger Prozessabwässer mittels elektrochemischer Wirbelbett-Reaktoren zum Ziel. In vielen industriellen Synthesen fallen erhebliche Mengen Abwässer an, deren Salzkonzentrationen jedoch so gering sind, dass eine Rückführung in die Produktion wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Zudem sind teilweise organische Verunreinigungen vorhanden, die abgetrennt werden müssen, weil sie in der Produktion Probleme verursachen. Die umweltgerechte Entsorgung dieser Wässer ist mit hohen Kosten verbunden. Für die Bewältigung dieser Aufgabe sind elektrochemische Verfahren ideal geeignet. Sowohl die Aufkonzentrierung des Salzes, als auch die Beseitigung organischer Verunreinigungen ist durch elektrochemische Verfahren energieeffizient und sicherheitstechnisch unbedenklich möglich. In dem Verbundprojekt sollen daher zwei neuartige elektrochemische Wirbelbettreaktoren erforscht werden, zur Entfernung von Organika auf der einen Seite und zur Entsalzung und Aufkonzentrierung von Prozessabwässern auf der anderen Seite. In diesem Teilvorhaben soll ein kontinuierliches Flow-Electrode Capacitive Deionization (FCDI)-System erforscht werden, bei dem eine Suspension elektrisch leitender Partikel die Funktion einer elektrochemischen Wirbelbett-Elektrode bei der Entsalzung der Prozessabwässer und der parallel stattfindenden Salzaufkonzentrierung übernimmt. Zu Beginn des Projekts sollen in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern mögliche Prozessabwässer und Anwendungsfälle identifiziert werden, sodass benötigte Eckdaten des Systems ausgearbeitet werden können. Anschließend soll ein Laborsystem aufgebaut werden, anhand dessen der Prozess erforscht werden kann. Im letzten Projektjahr ist ein Upscaling vom Labor- zum Technikumsmaßstab bei den Industriepartnern geplant, sodass Langzeitversuche mit realen Abwässern durchgeführt werden können.
In vielen industriellen Synthesen fallen erhebliche Mengen Abwässer an, deren Salzkonzentrationen jedoch so gering sind, dass eine Rückführung in die Produktion wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Zudem enthalten die Abwässer häufig organische Verunreinigungen, die abgetrennt werden müssen, weil sie in der Produktion Probleme verursachen. Die umweltgerechte Entsorgung dieser Wässer ist mit hohen Kosten verbunden. Darüber hinaus stören salzhaltige Abwässer den biologischen Abbau in Kläranlagen und können Oberflächengewässer belasten. Ziel des Projektes ist daher die Schließung von Prozesskreisläufen in der chemischen Industrie durch Aufbereitung solcher salzhaltiger Prozessabwässer. Für die Bewältigung der Aufgaben sind elektrochemische Verfahren vielversprechend. Sowohl die Aufkonzentrierung des Salzes, als auch die Beseitigung organischer Verunreinigungen könnten durch elektrochemische Verfahren energieeffizient und sicherheitstechnisch unbedenklich ermöglicht werden. Im Projekt sollen zwei neuartige elektrochemische Wirbelreaktoren erforscht werden. Covestro und Evonik stellen spezifizierte Abwasserproben für die Forschungsinstitute bereit, evaluieren die Ergebnisse der Institute und ergänzen sie durch eigene Laboruntersuchungen. DFI, KIT und ISC-IWKS werden gemeinsam die Erforschung der elektro-chemischen magnetischen Wirbelbett-Elektrode durchführen. Die Entwicklung eines kontinuierlichen FCDI-Systems(Flow-Elektrode Kapazitive De-Ionisierung) erfolgt am DWI in Zusammenarbeit mit FuMA-Tech. Die Unternehmen fertigen zwei Demonstratorsysteme an und führen damit Langzeitversuche an jeweils einem Covestro- und einem Evonik-Standort durch. Die Institute und FuMA-Tech unterstützen diese Versuche z.B. durch ergänzende Laboruntersuchungen oder ggf. Schadensfallanalysen. Covestro und Evonik führen federführend unter Einbeziehung von FuMA-Tech und den Instituten eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beider Systeme durch.
In dem Gesamtvorhaben 'Elektrowirbel' sollen' zwei neuartige elektrochemische Wirbelbettreaktoren erforscht werden. Zum einen ein elektrochemischer Wirbelbettreaktor mit magnetischer Fluidisierung zur Entfernung organischer Verunreinigungen , zum anderen ein Flow-Electrode Capacitive Deionization (FCDI)-System zur Entsalzung. Das vorliegende Teilprojekt hat die Auslegung, den Aufbau sowie die Modellierung und Erforschung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Wirbelbettreaktors zum Ziel. In Kooperation mit den Projektpartnern sollen zunächst die Eckdaten des Wirbelbettreaktors hinsichtlich Durchsatz, Elektrodenanordnung, etc. festgelegt werden. Auf Basis der Daten wird eine Modellierung und Berechnung des Fluidisierungsverhaltens des Partikelbetts mit und ohne Magnetfeld sowie der benötigten magnetischen Feldstärken durchgeführt. Ausgehend von der magnetischen Feldstärke und dem berechneten Wärmeanfall erfolgt schließlich das Design der Magnetspulen, einer eventuellen Kühlung sowie der benötigten Netzteile und Signalgeneratoren. Im Verfall des Vorhabens erfolgt eine iterative Verbesserung und Charakterisierung des Wirbelbettreaktors, in deren Verlauf vier Prototypen realisiert werden. Die Bestimmung der optimalen Wirbelbettbedingungen erfolgt unter Variation der Partikelkonzentration, der Stärke und Frequenz des magnetischen Wechselfelds, der Spulenanordnung sowie der Anströmung des Wirbelbetts. Zusätzlich erfolgt parallel eine Verifizierung und Verfeinerung der Modellierung.