ElektroPapier: Entwicklung papierbasierter Elektroden für die mikrobielle, elektrochemische Abwasserreinigung

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 Systeme (MES) dar. Dabei wird die organische Schmutzfracht im Abwasser durch Mikroorganismen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Im Projekt werden MES dahingehend weiter entwickelt, dass eine wirtschaftliche Betriebsführung ermöglicht wird. Dabei sind die Entwicklung eines neuartigen papierbasierten Werkstoffs zur Herstellung von dreidimensionalen Flächenelektroden und die Optimierung kohlenwasserstoffbasierter Kationentauscher-Membranen (KAM) entscheidend.

Ziel

Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von MES werden leitfähige papierbasierte Werkstoffe entwickelt und weiter zu dreidimensionalen Bioelektroden konfiguriert. Auch KAM werden für diesen Einsatz optimiert und erstmalig in MES erprobt. So werden gleichzeitig die Kosten für den Einsatz von MES gesenkt, wodurch eine ökologische und ökonomische Lösung zur Abwasserbehandlung geschaffen wird.

Zur Bewertung des neuen Konzepts kommen neben Strömungssimulationen und experimenteller Erprobung auch innovative molekularbiologische Methoden wie die Durchflusszytometrie zum Einsatz.

Arbeitsschwerpunkte

Die Entwicklung papierbasierter Elektroden schließt die Optimierung des graphitischen Füllstoffs und des papiertechnologischen Herstellungsverfahrens ein. Der neue Werkstoff muss eine hohe Leitfähigkeit und Nassfestigkeit aufweisen und zudem kostengünstig herstellbar sein. Das Elektrodenmaterial soll in unterschiedlichen Geometrien angefertigt werden, was z.B. durch Faltung erfolgen kann.

Zur Anpassung der KAM wird eine Modifizierung des Funktionalisierungsgrades durchgeführt werden.

Die Überprüfung der Raum-Flächen-Leistung und des Strömungsverhalten in den Moduleinheiten erfolgt durch Flusssimulationen und experimenteller Erprobung. Auch soll die Interaktion der Mikroorganismen mit der Elektroden- bzw. Membranoberfläche untersucht und daraus Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet werden.

Der praktische Funktionsnachweis wird im Demonstratorbetrieb mit kommunalem und industriellem Abwasser erbracht.