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BS2, Bioflotation von Sulfiden in Meerwasser

Entfernung von toxischen Schwermetallen aus industriellen Abwässern unter Verwendung immobilisierter Makroalgenbiomasse

Mit dem Projekt wird das Ziel verfolgt, ein wirtschaftlich einsetzbares Verfahren zur Schwermetallentfernung auf der Grundlage von Algenbiomasse zu entwickeln. Die Grundlage für die Antragstellung bilden die Ergebnisse, die zur Abtrennung von Schwermetallen aus der wässrigen Phase im Sonderforschungsbereich 193 der Deutschen Forschungsgemeinschaft 'Biologische Behandlung industrieller und gewerblicher Abwässer' an der Technischen Universität Berlin in der 3. und 4. Förderphase von 1997 bis 2001 unter Verwendung von Mikroalgenbiomasse erreicht wurden. Mit dem Forschungsvorhaben soll versucht werden, dem Problem der Bereitstellung preiswerter Biomasse näher zu kommen. Hierzu können marine Makroalgen, die aus dem Meer gewonnen werden oder die bereits zur Wertstoffgewinnung verwendet werden, dienen. Bisher sind in den Teilprojekten F2 und F3 des Sonderforschungsbereichs 193 der Deutschen Forschungsgemeinschaft 30 verschiedene Mikroalgen aus unterschiedlichen Bezugsquellen eingesetzt worden. Der gegenwärtige Stand der Untersuchungen im Hinblick auf Aufnahmekapazität und -geschwindigkeit der Schadstoffe lässt Rückschlüsse auf eine erfolgversprechende technische Anwendungsmöglichkeit zu. Voraussetzung dafür ist die Lösung des Problems des durch die Kultivierungsbedingungen für die Mikroalgen noch zu hohen Preises für die Biomasse. Zeigen Makroalgen im Vergleich zu den Mikroalgen ähnliche positive Eigenschaften im Hinblick auf die Aufnahmefähigkeit (Kapazität, Selektivität) für Schwermetallionen, so könnten Immobilisate auf der Basis von Makroalgenbiomasse eine Alternative darstellen. Neben den bereits im Sonderforschungsbereich 193 eingesetzten Metallen Blei, Nickel, Cadmium, Zink und Kupfer ist die Ausdehnung der Untersuchungen auf weitere Metalle geplant, die als Kontaminationen in der Abwasseraufbereitung unterschiedlicher Herkunftsquellen eine wichtige Rolle spielen. Vorgesehen ist eine Erweiterung auf die Metalle Chrom (Cr+3) und Arsen (As). Der Schwerpunkt der Untersuchungen sollte auf industriell nutzbaren preiswerten Makroalgen liegen, die in großer Menge als Biomassenquelle vorhanden sind und leicht beschafft werden können.

Leitende Polymermembranen zur selektiven Trennung und Foulingreduktion; Einfluss des Oberflächenpotentials von leitfähigen Polymermembranen (ZETA-Membran) auf das Fouling- und Trennverhalten in der Wasseraufbereitung

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.

Diffusion and advection with sorption of anions, cations and non-polar molecules in organo-clays at varying thermo-chemical conditions - validation by analytical methods and molecular simulation

The sorption of anions in geotechnical multibarrier systems of planned high level waste repositories (HLWR) and of non-ionic and organic pollutants in conventional waste disposals are in the center of recent research. In aquatic systems, persistent radionuclides such as 79Se, 99Tc, 129I exist in a form of anions. There is strongly increasing need to find materials with high sorption capacities for such pollutants. Specific requirements on barrier materials are long-term stability of adsorbent under various conditions such as T > 100 C, varying hydrostatic pressure, and the presence of competing ions. Organo-clays are capable to sorb high amounts of cations, anions and non-polar molecules simultaneously having selectivity for certain ions. This project is proposed to improve the understanding of sorption and desorption processes in organo-clays. Additionally, the modification of material properties under varying chemical and thermal conditions will be determined by performing diffusion and advection experiments. Changes by sorption and diffusion will be analyzed by determining surface charge and contact angles. Molecular simulations on models of organo-clays will be conducted in an accord with experiments with aim to understand and analyze experimental results. The computational part of the project will profit from the collaboration of German partner with the group in Vienna, which has a long standing experience in a modeling of clay minerals.

Evaluierung der Thermolumineszenz als ein sensitives Nachweisinstrument für Herbizide im Wasser

In Zusammenarbeit mit einem französischen Institut in Thonon wird untersucht, ob sich die Thermolumineszenz als ein neues Instrumentarium für die Wasserqualitätsüberwachung einsetzen läßt. Im Vordergrund steht der schnelle und spezifische Nachweis von Herbiziden.

Selenatreduktion durch sulfidiertes nullwertiges Eisen

Selen ist einerseits ein essentieller Nährstoff, andererseits aber in erhöhten Konzentrationen hochtoxisch. Die in Wasser löslichsten Se-Spezies sind Selenit (Se(IV)) und Selenat (Se(VI)). Sobald diese in die aquatische Umwelt gelangen, können sie rasch Konzentrationen erreichen, die für die aquatischen Nahrungsketten toxisch sind. In diesem Antrag wollen wir das Potenzial von sulfidisiertem nullwertigem Eisen (S-ZVI) untersuchen, um Se(VI) zu Se(0) und/oder Se(-II) zu reduzieren. Die Sulfidisierung von ZVI hat in den letzten 3 bis 4 Jahren zunehmende Aufmerksamkeit erfahren als eine Methode zur Verbesserung der Selektivität und Spezifität des Schadstoffabbaus bei der Verwendung von ZVI als abiotischem Reduktionsmittel. Bis heute wurde jedoch noch keine Studie zur Wirkung auf die Entfernung von Selenat durchgeführt. In der vorgeschlagenen Arbeit werden wir in drei Arbeitspaketen die folgende Hypothese untersuchen: i) Das S/Fe-Verhältnis in S-ZVI bestimmt seine Reaktivität gegenüber Se(VI), ii) die Anwesenheit von Sauerstoff und Fe(II) beeinflusst die Wirksamkeit von S-ZVI im Hinblick auf die Reduktion von Se(VI), iii) die Se(VI)-Reduktion durch S-ZVI wird durch den pH-Wert aufgrund elektrostatischer Effekte beeinflusst, und iv) die Anwendung von S-ZVI-Teilchen in Filterbett-Systemen ist eine wirksame Methode zur Entfernung von Selenat. Die Kinetik und Mechanismen der Wechselwirkung zwischen S-ZVI und Selenat werden in Batch-Experimenten in Kombination mit Synchrotron-basierten Methoden in Zusammenarbeit mit der Canadian Light Source untersucht. Zusätzlich werden wir Filterbett-Experimente mit S-ZVI durchführen.

Recycling von Übergangsmetall-Katalysatoren mit Hilfe der Flüssig-flüssig-Zweiphasentechnik durch Temperatursteuerung der Lösungseigenschaften

Die homogene Übergangsmetall-Katalyse hat durch ihre hohe Selektivität und Effizienz zunehmende Bedeutung für die Produktion von Bulk- und Feinchemikalien erreicht. Voraussetzung ist dabei das Recycling der wertvollen Edelmetall-Katalysatoren. Hierfür hat sich die Flüssig-flüssig-Zweiphasentechnik, bei der sich der Katalysator und das Produkt in getrennten flüssigen Phasen befinden, auch im industriellen Einsatz bewährt. Ihre Anwendung erfordert allerdings eine ausreichende Löslichkeit der Edukte in der den Katalysator enthaltenden Phase. Eine universellere Anwendbarkeit soll in diesem Forschungsprojekt erzielt werden durch Methoden, die die Reaktion zunächst in einer gemeinsamen Phase und dann durch Temperatur-Absenkung die Trennung von Produkt und Katalysator ermöglichen. Aus der Literatur ist die 'Thermoregulierte Phasentransferkatalyse' bekannt, bei der die starke Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit eines Katalysators mit speziellen Liganden genutzt wird. Durch eigene Vorarbeiten bestehen Erfahrungen mit Lösungsmittelsystemen, die sich durch Temperaturänderung in zwei Phasen trennen lassen. Ziel ist die Kombination dieser Methoden, um sowohl eine hohe Reaktivität als auch eine gute Abtrennung des Katalysators durch Optimierung der Liganden und des Lösungsmittelsystems zu erreichen. Als Reaktionen sind zunächst Hydroformylierungen, Oligomerisierungen, Hydrierungen und Hydrosilylierungen mit Petrochemikalien sowie mit Fettstoffen als Beispiele für nachwachsende Rohstoffe geplant.

Reduktion von CO mit Übergangsmetall-Katalysatoren

Durch zunehmend steigende Preise für Rohöl und gleichzeitig abnehmenden Quellen werden alternative Methoden zur Darstellung von chemischen Grundstoffen zunehmend interessanter. Eine Möglichkeit bildet die Umsetzung von Synthesegas, einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, zu Alkoholen wie Methanol und zu Kohlenwasserstoffen. Die meisten Verfahren verwenden für die Umsetzung von Synthesegas heterogene Katalysatoren bei hohen Temperaturen und Drücken mit meist geringen Selektivitäten. Ein kontrolliertes Verfahren mit hoher Selektivität zur Darstellung von Methanol aus Synthesegas ist unter Verwendung von homogenen Katalysatoren denkbar. Als Katalysatoren sollen später Übergangsmetallhydridkomplexe mit vierzähnigen Liganden verwendet werden. Diese zeichnen sich durch eine hohe Reaktivität gegenüber CO aus. Gestützt durch mechanistische Studien und quantenchemische Berechnungen sollen neue Katalysatorsysteme für die homogene Hydrierung von CO entwickelt werden.

Heterogene Photokatalyse: NOx-Reduktion und Kohlenwasserstoff-Oxidation an Halbleitern

Im Zusammenhang mit der Reinigung von durch Kohlenwasserstoffe bzw. Stickoxide belasteten Abgasen ist der Einsatz von Halbleitern, wie z.B. TiO2, als Photokatalysatoren vor allem deshalb interessant, weil die Verbrennungs- bzw. Reduktionsreaktionen bei Raumtemperatur ablaufen können. Die praktische Anwendung ist allerdings durch die bisher erreichten, noch zu geringen Katalysatoraktivitäten begrenzt. Im Rahmen des Projektes sollen der Einfluss von Lichtwellenlänge, Lichtintensität und Kristallitgröße auf Geschwindigkeit und Selektivität (z.B. NO2, NO, N2O, N2) der Umsetzung untersucht werden. Es umfasst die Katalyse aus Sicht der Technischen Chemie und das Problem der Herstellung und Charakterisierung nanokristalliner, d.h. grenzflächendominierter Materialien aus Sicht der Festkörper Physikochemie. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es vor allem, am Beispiel ausgewählter Reaktionen die Einflüsse der Eigenschaften des Katalysatormaterials auf den Ablauf von mit Photohalbleitern katalysierten Gasreaktionen herauszuarbeiten und in einem Modell zusammenzuführen.

KlimPro: Vermeidung von klimarelevanten Emissionen in der Grundstoffchemie: Produktion von Ethylen und Essigsäure durch oxidative Dehydrierung von Ethan, Teilprojekt 3: Reaktorentwicklung

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