Elektrischer Strom und Wasser - eine prickelnde Mischung

Elektrochemische Verfahren bieten im Vergleich zu chemischen Verfahren zwei wesentliche Vorteile: Es werden keine Oxidations- oder Reduktionsmittel benötigt, die transportiert, gelagert und deren Reaktionsprodukte entsorgt werden müssen, und die Selektivität und Reaktionsgeschwindigkeit können über die angelegte Spannung, bzw. den Strom kontrolliert werden. Die Elektrochemie ist eine „grüne“ oder nachhaltige Methode.


Die Elektrochemie ist bereits in viele Bereiche der Wasserbehandlung vertreten: Enthärtung und Entsalzung (Elektrodialyse, kapazitive Entionisierung), Desinfektion von Anlagen, z. B. in der Lebensmittelproduktion, oder Behandlung des Ballastwassers von Hochseeschiffen (elektrochemische Herstellung von Hypochlorit oder Ozon), Gewinnung von Energie aus Abwasser (Biobrennstoffzelle) und elektrochemische Sensoren (Sauerstoffgehalt, pH). In diesem Beitrag soll das Potenzial elektrochemischer Verfahren beispielhaft an zwei neuen Entwicklungen vorgestellt werden.


Sanierung von Grundwasser

Altlasten sind Flächen, bei denen Grundwasser und Boden durch eine frühere Nutzung mit Schadstoffen verunreinigt wurden. Dabei kann es sich um ehemalige Industriestandorte oder Deponien handeln. In Deutschland sind mehr als 300.000 Verdachtsfälle bekannt (Quelle: Umweltbundesamt). Eine typische Gruppe von Schadstoffen sind chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW), die als Lösungs- oder Reinigungsmittel vor allem in der metallbearbeitenden Industrie und in chemischen Reinigungen verwendet wurden. Sie gelangten in Erdreich und Grundwasser. Die CKW-Menge kann je nach Standort von einigen Kilogramm bis zu mehr als 100 Tonnen reichen (Quelle: Umweltbundesamt). Bedenkt man, dass der Flächenneubedarf im Jahr 2012 bundesweit ca. 74 Hektar pro Tag betrug (Quelle: Umweltbundesamt), wird klar, dass die Altlasten aktiv beseitigt werden müssen, um diese Flächen wieder nutzen zu können (Flächenrecycling). Bakterien können die leichtflüchtigen Chlorkohlenwasserstoffe (LCKW), z.B. Perchlorethen (Cl2C=CCl2), vollständig abbauen. Dieser Abbau verläuft zunächst anaerob, d.h. unter Ausschluss von Sauerstoff. Die Bakterien spalten die Chloratome aus Perchlorethen ab. Schließlich entsteht z. B. Vinylchlorid (H2C=CHCl), das anschließend unter aeroben Bedingungen von anderen Bakterien vollständig zu Kohlendioxid abgebaut wird. Dieser natürliche mikrobielle Abbau kann durch Zugabe von Wasserstoff für die anaeroben Reaktionsschritte und Sauerstoff für den aeroben beschleunigt werden. Hier kommt die Elektrochemie zum Einsatz: Durch elektrolytische Wasserspaltung wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff gebildet:

Kathode:   4 H2O + 4 e-  ⇒  2 H2 + 4 OH-
Anode:   2 H2O  ⇒  O2 + 4 H+ + 4 e-

Die Dosierung an Wasserstoff und Sauerstoff kann über die angelegte Stromstärke geregelt werden. Im Boden platziert man die Elektroden so, dass das kontaminierte Grundwasser zuerst die Kathode passiert. Dort spalten die Bakterien mit Hilfe des Wasserstoffs Chloratome aus den LCKW ab (siehe Abbildung 1). Dem schließt sich der Bereich um die Anode an. Dort bauen andere Bakterien in Gegenwart Sauerstoff die LCKW vollständig zu Kohlendioxid ab. Die schadstoffabbauenden Bakterien sind in der Regel im kontaminierten Boden bereits vorhanden. Die Wirksamkeit dieses Prinzips konnte an Modellsystemen durch einen nahezu 100%-igen Abbau der LCKW gezeigt werden (Säulenversuch am DVGW-Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe). Dieses System eröffnet neue Perspektiven in der Boden- und Grundwassersanierung.

Abbildung 1: Schema der elektrochemischen Sanierung von LCKW-Altlasten.

Spurenstoffe im Abwasser

Spurenstoffe sind Chemikalien, die vom Menschen in die Umwelt gebracht wurden, z.B. Korrosionsschutz-, Pflanzenschutz- oder Arzneimittel. Diese Stoffe sind mit moderner Analytik in geringen Konzentrationen (Mikrogramm pro Liter und weniger) im Abwasser, Oberflächen- und Grundwasser nachweisbar. Die meisten Stoffe werden in der Kläranlage nur unzureichend abgebaut. Die ökotoxikologische Wirkung dieser Stoffe ist nur wenig untersucht. Der kontinuierliche Eintrag in die Umwelt ist hoch, wie das Beispiel Arzneimittel zeigt (Quelle: Bundesverband der Pharmazeutischen Industrie; Stand: 2006): In Deutschland sind ca. 9000 Arzneimittel mit ca. 3000 Wirkstoffen für die Anwendung beim Menschen zugelassen. Der jährliche Wirkstoffumsatz beträgt ca. 31.000 t. Arzneimittel werden im Körper durch Stoffwechselprozesse umgewandelt, wobei der Grad der Umwandlung von der unveränderten Ausscheidung bis zur vollständigen Mineralisierung reichen kann. Der Haupteintrag der Arzneimittel in die Umwelt erfolgt über das Abwasser in die Oberflächengewässer. Hinzu kommen die Tierarzneimittel, vor allem Antibiotika, die über den Wirtschaftsdünger in die Umwelt gelangen. Transportwege und Abbauverhalten in der Umwelt sind nur für wenige Arzneimittel bekannt. Auch die Langzeitwirkungen und das Zusammenspiel mehrerer Wirkstoffe sind meist unbekannt. Trotz der geringen Konzentration können diese Stoffe durchaus Wirkung zeigen. Das prominenteste Beispiel ist der Wirkstoff der Anti-Baby-Pille (Ethinylestradiol), ein synthetisches Hormon, das die Fortpflanzungsfähigkeit von Fischen beeinträchtigt. Eine völlige Vermeidung des Eintrags in die Umwelt ist nicht möglich. Allerdings kann ein bewusstes Verbraucherverhalten den Eintrag verringern. Ein anderer Ansatz sind Arzneimittel, die in der aquatischen Umwelt leicht abbaubar sind. Diese Entwicklung steht jedoch noch am Anfang.

Wie können Spurenstoffe wieder aus dem Abwasser entfernt werden? Die vorwiegend erprobten Verfahren sind die Zugabe von Ozon oder Aktivkohle. Ozon baut Spurenstoffe durch Oxidation ab. Allerdings gibt es Stoffe, z. B. Röntgenkontrastmittel, die mit Ozon schlecht abgebaut werden. Aktivkohle bindet die Spurenstoffe (Sorption). Ist die Aktivkohle vollständig beladen, wird sie ausgetauscht und thermisch behandelt. Ein neues, zweistufiges Verfahren, das sich derzeit in der Entwicklung befindet, kombiniert die Sorption an Aktivkohle mit einer elektrochemischen Oxidation (siehe Abbildung 2). Im ersten Schritt (Aufkonzentrierung der Spurenstoffe) erfolgt die Sorption der Spurenstoffe an Aktivkohle. Dabei wird das Modul vom Abwasser kontinuierlich durchströmt. Im zweiten Schritt (Abbau der Spurenstoffe) wird an die Aktivkohle ein negatives elektrisches Potenzial angelegt. Dies bewirkt, dass die Spurenstoffe wieder in Lösung gehen und dort elektrochemisch abgebaut werden. Das Modul wird im zweiten Schritt vom Abwasserstrom getrennt, so dass nur ein kleines Wasservolumen anfällt, das die „Spurenstoffe“ in hohen Konzentrationen enthält. Die Aktivkohle wird elektrochemisch regeneriert und kann somit für viele Behandlungszyklen genutzt werden, bevor sie ausgetauscht werden muss. Dieses Verfahren reduziert den Verbrauch und den Transport von Aktivkohle. Für die elektrochemische Oxidation werden spezielle Elektroden, bordotierten Diamant-Elektroden, eingesetzt. An diesen Elektroden erfolgt der Abbau effizienter als mit Ozon. Auch die Abbauraten für Röntgenkontrastmittel sind hoch. Die gute Wirksamkeit dieser Elektroden beruht auf die Bildung der sehr reaktiven Hydroxyl-Radikale (OH•). Ein nach diesem Prinzip arbeitender Demonstrator soll in den kommenden Jahren in einem Klärwerk getestet werden.

<br />Abbildung 2: Verfahrensschema des elektrochemischen Spurenstoff-Abbaus.

Die Beispiele beleuchten nur einen kleinen Ausschnitt der vielfältigen Aktivitäten auf dem Gebiet der elektrochemischen Wasserbehandlung. Das Anwendungspotenzial, das sich aus der Kombination aus elektrischem Strom und Wasser ergibt, ist viel versprechend. Elektrochemische Wasserbehandlung ist eine interdisziplinäre Herausforderung für Elektrochemiker, Chemiker, Limnologen, Biologen, Hydrologen und Ingenieure und somit auch ein gemeinsames Betätigungsfeld für die Fachgruppe Elektrochemie und die Wasserchemische Gesellschaft. Eine prickelnde Mischung eben.