Ein Messgerät bei der Arbeit.

Umwelttechnik

Ein Messgerät bei der Arbeit.

Im dritten Forschungsbereich des CEEC Jena, der Umwelttechnik, stehen vor allem verschiedene Membrantechnologien im Fokus. Unter anderem werden polymerbasierte Membranen untersucht, die beispielsweise über die Kombination von Blockcopolymeren erhalten werden.

Zusätzlich spielen Keramikmembranen – eine Kernkompetenz des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf – eine wichtige Rolle. Beispielsweise werden nanopörose Keramikmaterialien zur Stofftrennung und Membranen für die Hochtemperaturseparation untersucht. Ein weiterer Forschungsaspekt sind Wassertechnologien.

Kavitation Inhalt einblenden
Grafische Darstellung von Messergebnissen in blau.

Kavitation beschreibt die Bildung, das Wachstum und den implosiven Kollaps von Gas- oder Dampfblasen in Flüssigkeiten und erzeugt sowohl chemische als auch physikalische Effekte, die für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt werden können. Zu den chemischen Effekten gehören die sogenannten Hot-Spots, die sich im Zentrum der kollabierenden Blase bilden und Temperaturen von bis zu 5000 K und extrem hohe Drücke aufweisen. Dadurch kommt es zum einen zum pyrolytischen Abbau volatiler organischer Verbindungen in der Blase als auch zur homolytischen Spaltung von Wassermolekülen. Die dabei gebildeten Hydroxylradikale sind in der Lage Mikroschadstoffe, wie Pharmazeutika und Hormone, effektiv abzubauen. Damit gehört die Kavitation auch zu den Advanced Oxidation Processes (AOP). Die physikalischen Effekte basieren im Wesentlichen auf Scherkräften und Mikroströmungen, die an Phasengrenzflächen als sogenannte Mikrojets auftreten. Dadurch eignet sich die Kavitation besonders für Misch- und Reinigungsprozesse, kann aber auch bei massetransportlimitierten Reaktionen maßgeblich zur Beschleunigung dieser beitragen.

Innerhalb des Arbeitsbereiches werden sowohl hydrodynamische als auch akustische Kavitation sowie deren Kombination in verschiedenen Forschungsbereichen eingesetzt. Grundlage bildet dabei unter anderem die akustische bzw. optische Kavitationsfeldanalyse mittels Hydrophon bzw. Chemilumineszenz sowie die Reaktorentwicklung und Optimierung für entsprechende Anwendungen.

Kavitationsverfahren werden am CEEC Jena aber auch in der Prozessintensivierung verschiedener transportlimitierter Reaktionen oder mehrphasigen Systemen eingesetzt. Die Synthese von Nanopartikeln oder das Beschichten verschiedener Oberflächenmaterialien ist ebenso Bestandteil der Forschungsaktivitäten wie der Aufschluss und die Vorbehandlung von Biomassesubstraten zur Steigerung der Gasausbeuten und Reduzierung der Reststoffen.

Nachwachsende Rohstoffe Inhalt einblenden
Grafik zu nachwachsenden Rohstoffen

Im Arbeitsfeld Nachwachsende Rohstoffe werden stoffstromabhängig energetisch-stoffliche Verwertungsoptionen geprüft und technisch umgesetzt.

Zur Prozessintensivierung der Biogaserzeugung werden Verfahren eingesetzt, welche den geschwindigkeitslimitierenden Prozessschritt der Hydrolyse verbessern. Hierfür können Kavitationsverfahren eingesetzt werden, da diese den Aufschluss der Biomasse unterstützen und neben der Steigerung der Biogasausbeute, die Gärrestmenge verringern und zu deutlichen Verbesserungen der nachgeschalteten Verfahren führen, weshalb Vorbehandlungsverfahren auch als Schlüssel für eine effiziente stoffliche und / oder energetische Nutzung von Biomasse angesehen werden.

Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen liefern einen Beitrag zur Sicherstellung der Mobilität, verbunden mit verschiedenen inhärenten Vor- und Nachteilen. Im Arbeitsbereich werden neue Konzepte zur Herstellung von Biokraftstoffen entwickelt, die u.a. biogene Reststoffe und alternative Energieeinträge nutzen.

Für die Entwicklung effizienter und ressourcenschonender Verfahren werden innerhalb der Projekte auch verschiedene Ansätze für neuartige Regelungs- und Steuerungskonzepte integriert. Dadurch soll z.B. der Energieeintrag (Desintegration/Biokraftstoffsynthese) dynamisch an die äußeren Randbedingungen wie z. B. die Kosten und Eigenschaften der Edukte, den aktuellen Strompreis, die Jahreszeit/Saison angepasst und stets am optimalen (ökonomisch/ökologisch) Betriebspunkt gehalten werden.

Wassertechnologie Inhalt einblenden
Injektionsfläschchen

Die Entwicklung neuer, innovativer Technologien zur Behandlung industrieller und kommunaler Abwässer sowie die Beseitigung von Kontaminationen (u. a. Mikroschadstoffe, Pharmazeutika) in verschiedenen aquatischen Systemen rücken immer mehr in den Fokus der Öffentlichkeit und Wissenschaft. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf Verfahren im Bereich der Advanced Oxidation Processes (AOP), bei denen hochreaktive Sauerstoffspezies mit hohem Oxidationspotenzial gebildet und für den Abbau verschiedener organischer Schadstoffe genutzt werden. Hierbei kommen verschiedene Technologien wie Photo(kata)lyse, Ultraschall, hydrodynamische Kavitation, elektrochemische und pyro- sowie piezoelektrische Methoden zu Einsatz. Diese entwickelten Verfahren werden stoffstromabhängig u.a. beim oxidativen Abbau anthropogener (Mikro-)Schadstoffe wie Pharmazeutika oder Industriechemikalien eingesetzt. Dafür werden weiterhin sensitive analytische Messverfahren zur Detektion und Quantifizierung der oxidativen Spezies, der untersuchten Schadstoffe und deren Transformationsprodukte etabliert und Messmethoden entwickelt oder optimiert. Neben oxidativen Verfahren werden auch neuartige kohlenstoffbasierte Sorbentien für die adsorptive Abtrennung verschiedener Schadstoffe entwickelt.

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Wertstoffrückgewinnung aus Abwässern. Phosphor als endliche Ressource und essentieller Makronährstoff ist dabei von besonderem Interesse und eng verknüpft mit der Sicherstellung der Ernährung. Um die Phosphorversorgung auch zukünftig sicherzustellen, werden verschiedene Möglichkeiten der Phosphatrückgewinnung aus Abwasserströmen erforscht. Am CEEC Jena werden darüber hinaus auch Membranverfahren und hierbei speziell Modifikationen der trennaktiven Schichten für die Behandlung von Öl/Wasser-Emulsionen erforscht und weiterentwickelt.

Das Thema Mikroplastik und dessen Auswirkungen und Langzeiteffekte auf verschiedene Ökosysteme sind in den letzten Jahren stark in das öffentliche Interesse gerückt. Die Schadwirkung auf die Fauna durch Ingestion ist bereits bekannt, Langzeiteffekte können bisher nur abgeschätzt werden. Ein weiterer, bisher wenig untersuchter Effekt ist das (De-)Sorptionsverhalten von Mikroplastik mit Bezug zu photochemischen/mechanischen Alterungsprozessen. Die hydrophoben Oberflächen der Polymerpartikel können insbesondere hydrophobe organische Verbindungen (Industriechemikalien, Pharmazeutika) sorbieren und anreichern bzw. wieder freisetzen. Die Forschungsaktivitäten im Bereich Mikroplastik zielen u.a. auf ein besseres Verständnis des Sorptionsverhaltens unter Umweltbedingungen und der Entwicklung eines entsprechenden Modells zur Abschätzung von Schadstoffbeladungen.

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