Projekt 21114/01

SOWARLA: Solare Wasserreinigungsanlage für das DLR Zentrum Lampoldshausen

Projektträger

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Institut für Technische Thermodynamik Solarforschung
Linder Höhe
51147 Köln
Telefon: 02203/601-2940

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Abwasser, das aufgrund spezieller Kontaminationen biologisch nicht geklärt werden kann, bedarf häufig einer chemisch-physikalischen Vorbehandlung. Die hierbei angewendeten Verfahren können erhebliche Mengen an Energie und Chemikalien erfordern und technisch relativ aufwändig sein. Eine solar betriebene photokatalytische Reinigung würde eine Ressourcen schonende Vorbehandlung ermöglichen.
Um dies zu erreichen, soll eine praxistaugliche Solartechnik am Beispiel einer Abwasserbehandlungsaufgabe des DLR entwickelt werden. Das DLR unterhält am Standort Lampoldshausen Teststände für Raumfahrtantriebe. Die im Betrieb anfallenden Abwässer enthalten u. a. Hydrazinderivate und Cyanide. Vor der Einleitung des Wassers in den natürlichen Kreislauf werden die Schadstoffe bisher mit einem photolytischen Verfahren entfernt. Hierzu werden leistungsstarke UV-Vis-Lichtquellen in Kombination mit Oxidationsmitteln eingesetzt.
Im Zuge von drei Projektphasen soll die photolytische Behandlung durch das solare photokatalytische Verfahren ersetzt werden, um elektrische Energie und Chemikalien weitgehend einzusparen. Das hier dargestellte Projekt umfasst die erste Phase.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Zuge der ersten Projektphase soll ein Solarreaktor in Form eines leicht installierbaren Moduls für die photochemische Wasserbehandlung entwickelt werden. Hierzu werden Reaktorkonzepte zunächst im Labormaßstab entwickelt und mittels photochemischer Reaktionen unter Einsatz künstlicher Lichtquellen bewertet. Danach soll die Konstruktion von Prototypen und anhand des photokatalytischen Abbaus von Cyanid mittels Sonnenlicht die Bewertung erfolgen.
Mögliche Einflüsse auf die Katalysatoraktivität durch im Wasser enthaltene Salze wurden in Laborversu-chen ermittelt und das Abbauverhalten von Cyanid, Hydrazin und Nitrit untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Zunächst wurden Reaktormodule in Laborreaktorgröße gebaut und mittels chemischer Aktinometrie sowie einer photochemischen Modellreaktion (Entfärbung von Methylenblau mittels Titandioxid-Photokatalyse in Gegenwart von Sauerstoff) unter Einsatz künstlicher Lichtquellen (UV-A-B-Strahler) be-wertet.
Erste Konzepte für Strömungsverteiler/-sammler wurden konstruiert, getestet und die Daten anhand em-pirischer Berechnungsansätze nachvollzogen.
Eine erste Photokatalysatorbeschichtung wurde im Labormaßstab erprobt und den Tests mit Katalysatorsuspensionen gegenübergestellt.
Die Abbaubarkeit von Cyanid zu Cyanat, von Nitrit zu Nitrat und von Hydrazinderivaten bis unter die jeweiligen Ausleitegrenzwerte wurde nachgewiesen und die Machbarkeit in Gegenwart von Anionen wie Chlorid, Sulfat und Nitrat bestätigt. Zusätzlich wurden relevante Brauchwasserproben beschafft und do-tiert, auch mit diesen Proben wurde die erfolgreiche Eliminierbarkeit mittels Titandioxidphotokatalyse bestätigt.
Ein Modulkonzept wurde entwickelt ebenso wie Verteiler/Sammler und eine Aufständerung. Eine mobile Anlagensteuerung und Pumpstation für Kollektortests wurde konstruiert.
Verschiedene Prototypen wurden erstellt und mittels solarer photokatalytischer Oxidation von Cyanidlösungen vergleichend zur bereits verfügbaren CPC-Solarreaktortechnik getestet.
Es wurde festgestellt, dass die neuen SOWARLA-Reaktorkonzepte ohne Spiegel mindestens so effizient das Sonnenlicht ausnutzen wie die CPC-Technik. Da die Spiegel einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen, wird die SOWARLA-Technik im Vergleich preisgünstiger und voraussichtlich auch besonders wartungsfreundlich sein.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Unter https://www.sowarla.de wurde eine Projekthomepage eingerichtet.
Vorträge und Poster wurden bei verschiedenen Anlässen präsentiert:
- SOWARLA - Solar Water Treatment for DLR Lampoldshausen, European Space-Technology-Transfer-Forum, Brüssel, 26.-27.04.2005
- H. Bigus, V. Dietrich, D. Graf, Ch. Jung, T. Olbrich, L. Oliveira, J. Säck, Ch. Sattler, SOWARLA - Solare Wasserreinigungsanlage für das DLR-Zentrum Lampoldshausen, 9. Kölner Sonnenkolloquium, Köln, 19.10.2006
- Solare Wasserreinigung, 5. Bonner Wissenschaftsnacht - Wasserfest, Bonn, 7. Juli 2006
- H. Bigus, V. Dietrich, D. Graf, Ch. Jung, T. Olbrich, L. de Oliveira, R. Olwig, J.-P. Säck, Ch. Sattler, Solare Wasserbehandlung mittels SOWARLA-Technik.10. Kölner Sonnenkolloquium, Köln, 21.06.2007


Fazit

In dem ersten Teilprojekt ‚SOWARLA 1 wurden Prototypen für einen solaren Kapillarreceiver-Reaktor und einen Rohrreceiver-Reaktor erstellt.
Die technische Machbarkeit wurde für beide Konzepte demonstriert. Für den neuen Rohrreceiver-Reaktor ohne Spiegel wurden bei der Anwendung auf die Halbleiterphotokatalyse mit Titandioxid vergleichbar gute oder auch bessere Abbauleistungen erzielt als mit der bereits verfügbaren solaren Rohre-aktortechnik mit CPC-Spiegeln.
Die prinzipiell breite Anwendbarkeit der Halbleiterphotokatalyse zur Eliminierung oxidierbarer Stoffe ist bekannt und auf die geringe Selektivität und das große Oxidationspotenzial zurückzuführen.
Die Elimination von Cyanid, Nitrit und Hydrazinderivaten bis unter die einzuhaltenden Ausleitegrenzwerte wurde in Gegenwart der wichtigsten Nebenbestandteile sowie in dotierten Brauchwasserproben nachge-wiesen.

Übersicht

Fördersumme

198.942,00 €

Förderzeitraum

23.12.2004 - 13.08.2008

Internet

www.dlr.de/et

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik