Ingenieure verraten, wie Prozesse zur Umwandlung von Abwasserschwefel in Wertstoffe optimiert werden können

Das Abwasser des einen ist der Schatz des anderen. Eine neue Studie der Stanford University ebnet den Weg zum Abbau von Abwasser für wertvolle Materialien, die in Düngemitteln und Batterien verwendet werden, die eines Tages Smartphones und Flugzeuge antreiben könnten. Die kürzlich veröffentlichte Analyse in ACS ES&T Engineeringzeigt, wie elektrische Prozesse zur Umwandlung von Schwefelverschmutzung optimiert werden können, und könnte dazu beitragen, zu einer erschwinglichen, mit erneuerbarer Energie betriebenen Abwasserbehandlung zu führen, die trinkbares Wasser erzeugt.

„Wir suchen immer nach Möglichkeiten, den Kreislauf chemischer Herstellungsprozesse zu schließen“, sagte der leitende Autor der Studie, Will Tarpeh, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen in Stanford. „Schwefel ist ein wichtiger Elementkreislauf mit Raum für Verbesserungen bei der effizienten Umwandlung von Schwefelschadstoffen in Produkte wie Düngemittel und Batteriekomponenten.“

Eine bessere Lösung

Da die Süßwasservorräte vor allem in trockenen Regionen schwinden, hat sich der Fokus auf die Entwicklung von Technologien zur Umwandlung von Abwasser in trinkbares Wasser verstärkt. Membranverfahren, die anaerobe oder sauerstofffreie Umgebungen zum Filtern von Abwasser nutzen, sind besonders vielversprechend, da sie relativ wenig Energie benötigen. Bei diesen Verfahren entsteht jedoch Sulfid, eine Verbindung, die giftig, ätzend und übelriechend sein kann. Strategien zur Bewältigung dieses Problems, wie chemische Oxidation oder die Verwendung bestimmter Chemikalien zur Umwandlung des Schwefels in trennbare Feststoffe, können Nebenprodukte erzeugen und chemische Reaktionen antreiben, die Rohre korrodieren und die Desinfektion des Wassers erschweren.

Eine verlockende Lösung für den Umgang mit dem Sulfidausstoß der anaeroben Filtration liegt in der Umwandlung des Sulfids in Chemikalien, die in Düngemitteln und Kathodenmaterial für Lithium-Schwefel-Batterien verwendet werden, aber die Mechanismen dafür sind noch nicht gut verstanden. Also machten sich Tarpeh und seine Kollegen daran, einen kostengünstigen Ansatz zu erarbeiten, der keine chemischen Nebenprodukte erzeugen würde.

Die Forscher konzentrierten sich auf die elektrochemische Schwefeloxidation, die einen geringen Energieeinsatz erfordert und eine fein abgestimmte Kontrolle der endgültigen Schwefelprodukte ermöglicht. Während sich einige Produkte wie elementarer Schwefel auf Elektroden ablagern und chemische Reaktionen verlangsamen können, können andere wie Sulfat leicht aufgefangen und wiederverwendet werden. Wenn es effektiv funktioniert, könnte das Verfahren mit erneuerbarer Energie betrieben und an die Behandlung von Abwasser angepasst werden, das von einzelnen Gebäuden oder ganzen Städten gesammelt wird.

Unter neuartigem Einsatz der elektrochemischen Rastermikroskopie – einer Technik, die mikroskopische Schnappschüsse von Elektrodenoberflächen während des Reaktorbetriebs erleichtert – quantifizierten die Forscher die Raten jedes Schritts der elektrochemischen Schwefeloxidation zusammen mit den Arten und Mengen der gebildeten Produkte. Sie identifizierten die wichtigsten chemischen Barrieren für die Schwefelrückgewinnung, einschließlich Elektrodenfouling, und welche Zwischenprodukte am schwierigsten umzuwandeln sind. Sie fanden unter anderem heraus, dass unterschiedliche Betriebsparameter wie die Reaktorspannung eine energiearme Schwefelrückgewinnung aus Abwasser erleichtern könnten.

Diese und andere Erkenntnisse verdeutlichten Kompromisse zwischen Energieeffizienz, Sulfidentfernung, Sulfatproduktion und Zeit. Mit ihnen skizzierten die Forscher einen Rahmen, um das Design zukünftiger elektrochemischer Sulfidoxidationsverfahren zu informieren, die Energiezufuhr, Schadstoffentfernung und Ressourcenrückgewinnung ausbalancieren. Mit Blick auf die Zukunft könnte die Schwefelrückgewinnungstechnologie auch mit anderen Techniken kombiniert werden, wie z. B. der Rückgewinnung von Stickstoff aus Abwasser zur Herstellung von Ammoniumsulfatdünger. Das Codiga Resource Recovery Center, eine Aufbereitungsanlage im Pilotmaßstab auf dem Campus von Stanford, wird wahrscheinlich eine große Rolle bei der Beschleunigung des zukünftigen Entwurfs und der Umsetzung dieser Ansätze spielen.

„Hoffentlich wird diese Studie dazu beitragen, die Einführung von Technologien zu beschleunigen, die die Umweltverschmutzung mindern, wertvolle Ressourcen zurückgewinnen und gleichzeitig Trinkwasser erzeugen“, sagte der Hauptautor der Studie Xiaohan Shao, ein Ph.D. Student in Bau- und Umweltingenieurwesen in Stanford.

Tarpeh ist außerdem Assistenzprofessor (mit freundlicher Genehmigung) für Bau- und Umweltingenieurwesen, Center Fellow (mit freundlicher Genehmigung) des Stanford Woods Institute for the Environment, ein assoziierter Wissenschaftler des Stanford-Programms für Wasser, Gesundheit und Entwicklung und Mitglied von Stanford Bio-X. Die zusätzliche Autorin Sydney Johnson war zum Zeitpunkt der Recherche Studentin des Chemieingenieurwesens in Stanford.