Gelangt UV-Strahlung auf photokatalytisch aktive Oberflächen, werden Radikale erzeugt, welche Schadstoffe im Wasser abbauen können. Das Bild zeigt eine photokatalytisch beschichtete Probe unter Wasser. Durch die Photokatalyse wird Wasser in Sauerstoff u

Abwässer reinigen mit kalten Plasmen

Plasmen sind vielseitig einsetzbar: So flackern sie beispielsweise in jeder Neonröhre oder leuchten im Flachbildschirm. Weil diese ionisierten Gase aber auch Molekülbindungen aufbrechen können, will der Physiker Michael Haupt vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik in Stuttgart sie künftig zur Abwasserreinigung nutzen. Nicola Wettmarshausen besuchte den Physiker in seinem Labor und schaute sich die ersten Versuchsreaktoren an.

Zyanide sind gängige Reagenzien, im Labor ebenso wie in der chemischen Industrie. Die Salze des Zyanwasserstoffs, besser bekannt als Blausäure, werden auch im Bergbau in großen Mengen eingesetzt, um Edelmetalle wie Gold und Silber aus dem Roherz herauszulösen. Immer wieder kommt es dabei zu schweren Umweltschäden, etwa wenn austretende Zyanidlauge Flüsse, Trinkwasser und Böden vergiftet, wie im Jahr 2000 im rumänischen Baia Mare oder 2011 in der Türkei.

Foto von Michael Haupt
Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaften. Gruppenleiter Plasmatechnik und dünne Schichten am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Michael Haupt

Zyanide entstehen aber auch als Abfallprodukt in der Metallverarbeitung, bei der Herstellung von Stahl, und bei der Produktion von Farbstoffen, Lacken, Arzneimitteln, Textilien und Kunststoffen. So sind Industrieabwässer häufig zyanidhaltig. Das ist ein großes Problem, denn die Salze des Zyanwasserstoffs sind außerordentlich giftig und im Wasser nur schwer abbaubar. Der Physiker Michael Haupt will dieses Problem mithilfe der Plasmatechnologie lösen. Ein Plasma ist ein Gas, das freie Ladungsträger enthält und dadurch vielfältig reagieren kann. Diese Reaktionsfähigkeit will sich Michael Haupt zunutze machen. Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik hat der Wissenschaftler gerade das Projekt „Wasserplasmax“ gestartet.

Michael Haupt: „Wir sind jetzt in einem von unseren vielen Labors. Hier bauen wir neue Plasmareaktoren auf. Und speziell sind wir in dem Labor, in dem wir die Wasserplasmabehandlung machen. Sie sehen jetzt einen Reaktor, der neu aufgebaut wird. Im Prinzip sind wir ständig dabei, Reaktoren zu konfigurieren, zu konstruieren, zu testen. Dieses neue Modell hier ist deutlich größer als das ältere Modell.”

Mit dem „älteren Modell“ meint Michael Haupt einen Minireaktor. Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe „Plasmatechnologie und dünne Schichten“ hat er diesen Prototyp im Vorgängerprojekt konstruiert und getestet – mit Erfolg. Mit einem zylindrischen Fuß aus Keramik und einer Hülle aus Glas sieht der etwa dreißig Zentimeter hohe Reaktor wie ein Springbrunnen für den Wohnzimmertisch aus. Innerhalb der Glashülle befindet sich ein Metallzylinder, in dem das zu reinigende Wasser von innen aufsteigt, dann über den Rand schwappt und in einem dünnen Wasserfilm an der metallenen Zylinderwand nach unten läuft. Das wichtigste aber fehlt noch: das Plasma. Durch das Anlegen einer Hochspannung lässt es sich zünden.

Wie in einer Leuchtstoffröhre

„Das kann man bei Niederdruck machen, man kann aber auch bei Atmosphärendruck ein Plasma zünden. Man muss allerdings immer von außen Energie zuführen, um diesen Zustand aufrechtzuerhalten. Letzten Endes ist es so wie in einer Leuchtstoffröhre, in der auch ein Plasma brennt. Dort müssen sie auch Energie zuführen, um das Leuchten aufrechtzuerhalten.”

In einer Plasmakammer wird Stickstoffgas ionisiert und leuchtet dadurch rosa
Wasserreinigung mit Plasma

Während in der Leuchtstoffröhre Edelgase leuchten, sind es in der Luft Stickstoff- und Sauerstoffgase. Zündet der Physiker darin sein Plasma, werden die Elektronen in den Stickstoffmolekülen in einen angeregten, energiereicheren Zustand versetzt. Fallen diese dann wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, senden sie Licht einer bestimmten Wellenlänge aus. Dieses Licht können wir sehen: Das Stickstoffplasma leuchtet rosa. In diesem Plasma werden die Elektronen aber nicht nur angeregt, sie werden auch aus den Atomen herausgeschlagen. Dabei entstehen positiv geladene Ionen aus zwei, drei oder sogar vier Stickstoffatomen. Außerdem werden sogenannte Radikale gebildet, das sind besonders reaktionsfreudige Teilchen.

„Ich habe aber auch eine gewisse Menge an Sauerstoff mit dabei und kann den Sauerstoff ionisieren und anregen. Es entsteht Ozon dabei. Allerdings nur in der Kammer. Dieser ganze Teilchenzoo wirkt dann auf das Wasser ein. In der Gasphase erzeugen wir dort auch Radikale. Die reagieren dann mit dem Wasser und erzeugen dann wiederum zum Beispiel Hydroxidradikale. Diese Hydroxidradikale greifen dann direkt das Zyanid an. Sie sind hoch reaktiv und suchen einen Bindungspartner, wie jedes Radikal, und da kommt dann so ein Zyanid genau richtig: Das Zyanid wird aufgebrochen, oxidiert und dann abgebaut und dadurch letzten Endes unschädlich gemacht.”

Michael Haupt arbeitet mit einem sogenannten kalten Plasma. Um es herzustellen, legt der Physiker eine Wechselspannung an und erzeugt ein elektrisches Feld, das tausend- bis milliardenmal in der Sekunde seine Richtung ändert. Durch die Wechselspannung im Kilohertz- bis Gigahertzbereich kann er die freien Elektronen in der Luft in schnelle Schwingungen versetzen. Während die Elektronen dabei beschleunigt werden, sind die Ionen zu massereich und träge, um den schnellen Richtungswechseln folgen zu können. Weil bei diesen Frequenzen nur die Elektronen und nicht die Ionen beschleunigt werden, erwärmt sich das Gas insgesamt nicht. Das entstehende Plasma hat Raumtemperatur. Diese Eigenschaft macht kalte Plasmen für viele Anwendungen interessant. Nicht nur für die Abwasserreinigung, auch für medizinische Anwendungen – Desinfektion von Wunden direkt auf der menschlichen Haut etwa.

Schadstoffe unschädlich machen

Für die Anwendung in der Abwasserreinigung hingegen sind die beschleunigten Elektronen wichtig. Michael Haupt und seine Kollegen nutzen diesen Effekt und seine Folgereaktionen, um Bindungen innerhalb komplexer Moleküle zu spalten. So können sie Zyanide und andere Schadstoffe in kleinere Moleküleinheiten zerlegen und damit unschädlich machen. Welche Bruchstücke genau entstehen, ist ebenfalls Gegenstand der Forschung.

In einer durchsichtigen PET-Flasche leuchtet ein Stickstoffplasma. Die Flasche kann man so innen beschichten und damit zum Beispiel den Austritt von Kohlendioxid aus dem Getränk minimieren.
Plasma in einer PET-Flasche

„Wir schauen, was passiert in der Gasphase. Wir schauen uns das Licht genau an, also spektroskopisch: Was leuchtet denn jetzt eigentlich im Plasma? Wir schauen uns das Wasser an: Was hab ich denn im Wasser für Radikale? Das machen wir zum Beispiel mit der Elektronenspinresonanz. Damit kann man sehr genau Radikale messen und deren Mengen bestimmen. Und wir messen dann natürlich auch den Abbau von verschiedenen Substanzen im Wasser. Das haben wir hier alles vor Ort, die ganze Analytik.”

Das neue Verfahren eignet sich nicht nur für Zyanide, sondern auch für Pestizide oder fluorierte Tenside.

„Wir zielen darauf hin, eine Systemlösung für den Kunden zu bieten und es ist gut möglich, dass es eine Kombination aus verschiedenen Verfahren ist. Jedes Verfahren hat seine Stärken und seine Schwächen. Durch die Kombination von verschiedenen Verfahren, also biologischer Abwasserreinigung oder Filtration oder UV-Behandlung oder Wasserplasma, können wir das Wasser quasi in einem sehr breiten Bereich angreifen.”

Michael Haupt ist fasziniert vom Plasma, diesem vierten Aggregatzustand. Denn kalte Plasmen können nicht nur Abwasser reinigen, sie können auch ätzen oder beschichten – glasartige, teflonartige Schichten lassen sich erzeugen, amorphe oder diamantähnliche Kohlenwasserstoffschichten herstellen. Brillen können beschichtet, Windräder mit einer Anti-Eisschicht benetzt und sogar Papier behandelt werden: Das alles ist bisher möglich. Und vielleicht in Zukunft noch viel mehr.