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Wasseraufbereitung Diamantenelektroden: 15.06.2015

Eine blitzsaubere Sache

Um Wasser von Pestiziden, Bakterien und anderen persistenten Schadstoffen zu befreien, gibt es bereits verschiedene Methoden. Ein innovatives Verfahren nutzt Diamanten zur Reinigung.

Autor: Redaktion

Bilder: Frauenhofer IST, Fotolila

Elektroden mit einer mikrokristalinen Diamantschicht können Wasser effektiv von Schadstoffen reinigen (Diamantschicht bei 5000-fache Vergrösserung)

Wasser ist ein wichtiges Lebensmittel, auf das wir nicht verzichten können. Als Grundlage jeglichen Lebens muss dieses kostbare Gut im sauberen Zustand zur Verfügung stehen. Doch Verschmutzungen durch den Menschen und andere Verunreinigungen machen eine Reinigung nötig. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) haben zusammen mit Partnern aus der Industrie ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Wasser in industriellen Prozessen mithilfe von Diamantelektroden desinfizieren und reinigen können.

Schweizer Ursprung.

Die Idee, Wasser mit Diamanten zu reinigen, kam in den 90er -Jahren aus der Schweiz, wie Lothar Schäfer, Abteilungsleiter Diamanttechnologie beim IST erklärt: «Unsere Schweizer Partner vom Centre Suisse d'Electronique et Microtechnique CSEM waren ehemals für die Schweizer Uhrenindustrie tätig und haben schon Vorversuche mit der Diamanttechnik gemacht. In einem Gespräch kamen sie auf den Gedanken, dieses Material elektrochemisch einzusetzen. Daraus entwickelten die beiden Forschungseinrichtungen, die bereits auf dem Gebiet der Diamanttechnologie zusammenarbeiteten, im Laufe der Zeit die Technik die wir heute nutzen.»

Einfaches Prinzip – grosse Wirkung.

Die Funktionsweise ist recht einfach. Es genügt, zwischen einer Diamantelektrode und einer anderen Elektrode eine Spannung anzulegen. Ab einem bestimmten Wert zersetzt sich dann das Wasser. Mit Diamantelektroden lässt sich die Spannung so anlegen, dass nicht Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, sondern sich aus den Wassermolekülen andere Stoffe gewinnen lassen. Zu diesen gehören Ozon, Wasserstoffperoxid und das reaktive OH. Auch wenn das OH-Radikal nur kurz stabil bleibt, ist es extrem aggressiv und bezüglich der Oxidation das stärkste Reaktionsmittel, wie der Experte sagt: «Mit der richtigen Spannung können wir im Wasser OH produzieren und haben damit ein starkes Oxidations- oder Bleichmittel erhalten. Dieses reagiert mit den Schadstoffen im Wasser und oxidiert diese. Wir erzeugen mit den Elektroden auch reaktiven Sauerstoff in Form von Ozon und Wasserstoffperoxid. Gemeinsam können diese Oxidationsmittel so lange reagieren, bis am Ende alle Keime abgetötet oder die Schadstoffe unschädlich sind. Wenn nötig, lassen sich kohlenstoffhaltige Schadstoffe bis zu CO2 oxidieren, das als Gas in die Luft entweicht. Dabei ist es unerheblich ob es Pestizide, Bakterien, Pharmaka oder andere kohlenstoffhaltige Verunreinigungen sind.»

Lupenreine Diamanten.

Für die Diamantelektrode sind jedoch Schmuckdiamanten ungeeignet. Stattdessen verwenden die Wissenschaftler mikrokristalline Diamanten, die sie zu einer Schicht zusammenwachsen lassen. «Wir können eine Diamantschicht auf einem halben Quadratmeter mit einer Art Aufdampfung erzeugen. Dazu nutzen wir einen Reaktor mit heissen Drähten, die wir auf bis zu 2500 Grad aufheizen. In den evakuierten Reaktor leiten wir ein Gasgemisch ein. Da wir für die Diamantschicht Kohlenstoff benötigen, verwenden wir Methangas (CH4), das mit Wasserstoff verdünnt ist. Die heissen Drähte aktivieren das Gas und es findet eine Reaktion in der Gasphase statt. Bei dieser Reaktion entstehen Zwischenmoleküle oder auch Radikale wie CH3. Wenn das auf die Oberfläche und auf ein anderes Kohlenstoffatom trifft, dann lagert es sich dort an. Den für den Anfang notwendigen Kohlenstoff bringen wir in Form winziger Diamanten in einem Bekeimungsverfahren auf», so der Forscher. Durch die Anlagerung von CH3 und die anschlies- sende Abspaltung des überschüssigen Wasserstoffs wachsen die nur wenige Nanometer grossen Keime zu mehreren Mikrometer grossen Kristallen, die zu einer geschlossenen Schicht zusammenwachsen. Das komplette Verfahren nennt sich aktivierte chemische Gasphasenabscheidung und ist die Grundlage für die Wasserreinigung mit Diamanten.

Diamanten versus UV und Chemie.

Zum Reinigen von Wasser gibt es verschiedene Methoden. So können UV-Systeme ebenfalls Radikale erzeugen, die Schadstoffe eliminieren. Auch die chemische Desinfektion beziehungsweise Sanitisierung beispielsweise mit Chlor ist eine gängige Methode. Doch diese haben ihre Nachteile. UV-Lampen brauchen viel Energie, und Unternehmen müssen – je nach Anwendungshäufigkeit  – meist nach einem Jahr die Lampen austauschen. Auch die chemische Reinigung ist nicht ganz ohne, da besonders in Betrieben aus der Ernährungswirtschaft oder Pharmabranche Chlor stört, diese Unternehmen viel Wasser zum Nachspülen brauchen oder Chlor überhaupt nicht einsetzen können. Bei der Diamantelek-trode sieht das ganze anders aus.

Für Reinigungswirkung läuft Strom durch die Elektroden, doch die benötigte Energie ist relativ gering. «Für unser System ist Hochspannung unnötig. Wir sind immer unter 30 Volt. Dieser Aspekt ist wichtig, denn das bedeutet, dass wir für den benötigen Strom auch eine Solaranlage nutzen können. Wir brauchen keinen Wechselstrom, sondern Gleichstrom, und den können wir direkt aus den Solarmodulen beziehen. Das ist recht einfach zu bedienen», erläutert der Fachmann.

Auch die Kosten für die Reinigung mit Diamanten sind gering. In einem System für Reinstwasser in Laboratorien kostet dieses unter 1000 EUR. Die jährlichen Wartungskosten belaufen sich auf höchstens 25 EUR. Die Kosten hängen natürlich von der Grösse des Systems ab. Reinigungssysteme mit Diamantelektroden gibt es für Durchflussmengen von 50 l/h bis zu den grössten Systemen für die Desinfektion mit bis zu 500 m3/h.

Praktische Anwendung.

Der Einsatz der Diamantelektroden ist sehr vielfältig. Aufgrund der einfachen Handhabung und der Nutzung von Solarenergie lassen sich kostengünstige Systeme für kleine Gemeinden zum Beispiel in ländlichen Gegenden Afrikas entwickeln. Das Fraunhofer-Isntitut hat solche Projekte in Zusammenarbeit mit Afrikanischen Partnern bei der EU beantragt.

Das Verfahren wird aber auch bereits für industrielle Zwecke genutzt, wie etwa in der Bierherstellung oder der Pharmakaproduktion. «Hier ist reines Wasser Grundvoraussetzung für ein hochwertiges Produkt. Wasser, Rohrleitungen und Anlagen mit Chlor zu reinigen ist ungeeignet, da es keine Chlorrückstände geben darf. Entweder müssen Brauereien viel heisses Wasser zur Reinigung verwenden oder brauchen viel Nachspülwasser. Mit Diamanten gereinigtes Wasser ist frei von Keimen und chemischen Substanzen. Nachspülgänge mit viel Wasser oder hohen Temperaturen sind ebenfalls nicht erforderlich.

Nahezu grenzenlos nutzbar.

Wie jedes System haben auch die Diamantelektroden einen optimalen Einsatzbereich. So können Anwender alle kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen im Wasser oxidieren. Doch bei einer hohen organischen Fracht wäre viel Strom nötig. Ausfiltern und Verbrennen oder eine biologische Abwasserbehandlung sind in solchen Fällen sinnvoller.

Doch für alle persistenten Schadstoffe wie Pestizide oder Pharmaka ist die Methode mit Diamanten optimal geeignet. Da sich mit diesem System die starken Oxidationsmittel direkt im Wasser und aus den Wassermolekülen erzeugen lassen, ist zusätzliche Chemie nicht nötig. Damit ist die Wasserreinigung mit Diamanten eine umweltfreundliche, zeit- und energiesparende Methode.

Reines Wasser ist selbst ein Lebensmittel und die Grundlage für hochwertige Produkte


Weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Schicht- und
Oberflächentechnik IST
www.ist.fraunhofer.de



Elektroden mit einer mikrokristalinen Diamantschicht können Wasser effektiv von Schadstoffen reinigen (Diamantschicht bei 5000-fache Vergrösserung)


Reines Wasser ist selbst ein Lebensmittel und die Grundlage für hochwertige Produkte