Übersichtsbeitrag
Elektrochemische Reaktoren für die Wasserbehandlung
Electrochemical Reactors for Wastewater Treatment
Thorben Muddemann,
Dennis Haupt,
Michael Sievers,
Ulrich Kunz,
Corresponding Author
Thorben Muddemann
Technische Universität Clausthal, Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik, Leibnizstraße 17, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Deutschland
Correspondence: Thorben Muddemann ([email protected]), Technische Universität Clausthal, Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik, Leibnizstraße 17, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Deutschland.Search for more papers by this authorDennis Haupt
Technische Universität Clausthal, Clausthaler Umwelttechnik Forschungszentrum, Leibnizstraße 23, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Deutschland
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deBei der Aufbereitung von (Ab-)Wasser haben elektrochemische Verfahren verschiedene Vorteile gegenüber anderen Aufbereitungsmethoden. Sie sind robust, einfach in der Betriebsführung und flexibel bei Schwankungen der Abwasserfracht. Zudem kann ein relativ breites Spektrum an organischen und anorganischen Verunreinigungen entfernt werden. Dieser Beitrag gibt eine Übersicht zu den elektrochemischen Reaktoren, die in der Aufbereitung von Wasser, Prozesswasser und Abwasser bereits eingesetzt oder beforscht werden. Es werden zunächst einige wesentliche Grundlagen der elektrochemischen Verfahren zur Behandlung von Wasser vorgestellt und Beispiele für Anwendungen gegeben. Daran schließt sich die Beschreibung der verwendeten Reaktoren an.
Abstract
enRegarding the treatment of (waste)water, electrochemical processes have various advantages over other methods. They are robust, easy to operate and flexible in case of fluctuating wastewater load. In addition, a relatively broad spectrum of organic and inorganic impurities can be removed. This contribution provides an overview of electrochemical reactors for water, process water and wastewater treatment, which are already in technical-scale operation or subject of research. Some essential basics of electrochemical processes for the treatment of water are presented and examples for applications are given. This is followed by a description of the reactors.
References
- 1
G. Wehinger, U. Kunz, T. Turek, in Handbuch Chemische Reaktoren (Ed: W. Reschetilowski), Springer Spektrum, Berlin
2018. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-56444-8_37-1
10.1007/978-3-662-56444-8_37-1 Google Scholar
- 2
Electrochemical Water Treatment Methods (Eds: M. Sillanpää, M. Shestakova), Butterworth-Heinemann, Oxford
2017.
10.1016/B978-0-12-811462-9.00002-5 Google Scholar
- 3
Process Technologies for Water Treatment (Ed: S. Stucki), 1st ed., Springer-Verlag US, New York
1988.
10.1007/978-1-4684-8556-1 Google Scholar
- 4
Electrochemistry of Carbon Electrodes (Eds: R. C. Alkire, P.p N. Bartlett, J. Lipkowski), 1st ed., Vol. 16, Wiley-VCH, Weinheim
2015.
10.1002/9783527697489 Google Scholar
- 5 H. Särkkä, A. Bhatnagar, M. Sillanpää, J. Electroanal. Chem. 2015, 754, 46 – 56. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.06.016
- 6 T. Junker, R. Alexy, T. Knacker, K. Kümmerer, Environ. Sci. Technol. 2006, 40 (1), 318 – 324. DOI: https://doi.org/10.1021/es051321j
- 7 G. Thompson, J. Swain, M. Kay, C. F. Forster, Bioresource Technol. 2001, 77, 275 – 286. DOI: https://doi.org/10.1016/S0960-8524(00)00060-2
- 8 M. Pizzichini, C. Russo, C. Di Meo, Desalination 2005, 178 (1 – 3), 351 – 359. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2004.11.045
- 9 Z. Beril Gönder, S. Arayici, H. Barlas, Sep. Purif. Technol. 2011, 76 (3), 292 – 302. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2010.10.018
- 10 A. C. Rodrigues, M. Boroski, N. S. Shimada, J. C. Garcia, J. Nozaki, N. Hioka, J. Photochem. Photobiol., A 2008, 194 (1), 1 – 10. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2007.07.007
- 11 Q. Zhang, K. T. Chuang, Adv. Environ. Res. 2001, 5 (3), 251 – 258. DOI: https://doi.org/10.1016/S1093-0191(00)00059-9
- 12 M. Mänttäri, M. Kuosa, J. Kallas, M. Nyström, J. Membr. Sci. 2008, 309 (1 – 2), 112 – 119. DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2007.10.019
- 13 I. A. Balcioğlu, E. Tarlan, C. Kivilcimdan, M. T. Saçan, J. Environ. Manage. 2007, 85 (4), 918 – 926. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2006.10.020
- 14 S. Garcia-Segura, M. M. S. G. Eiband, J. V. de Melo, C. A. Martínez-Huitle, J. Electroanal. Chem. 2017, 801, 267 – 299. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2017.07.047
- 15 L. Alexandrova, T. Nedialkova, I. Nishkov, Int. J. Miner. Process. 1994, 41 (3 – 4), 285 – 294. DOI: https://doi.org/10.1016/0301-7516(94)90034-5
- 16 T. Melin, R. Rautenbach, Membranverfahren: Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, 3rd ed., Springer, Berlin 2007.
- 17 A. Chagnes, WEEE Recycling: Research, development, and policies, 1st ed., Elsevier, Waltham, MA 2016.
- 18 H.-R. Marfurt, A. Zürer, Patent , 1980. US4439290A
- 19 T. Tzedakis, Y. Assouan, Chem. Eng. J. 2014, 253, 427 – 437. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.05.001
- 20 H. Strathmann, Desalination 2010, 264 (3), 268 – 288. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.04.069
- 21 J. Morillo, J. Usero, D. Rosado, H. El Bakouri, A. Riaza, F.-J. Bernaola, Desalination 2014, 336, 32 – 49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2013.12.038
- 22 A. Ante et al., Trends und Perspektiven in der industriellen Wassertechnik: Rohwasser – Prozess – Abwasser, Positionspapier der ProcessNet-Fachgruppe Produktionsintegrierte Wasser- und Abwassertechnik, DECHEMA e.V, Frankfurt am Main 2014.
- 23 R. G. Simon, M. Stöckl, D. Becker, A.-D. Steinkamp, C. Abt, C. Jungfer, C. Weidlich, T. Track, K.-M. Mangold, Chem. Ing. Tech. 2018, 90 (11), 1832 – 1854. DOI: https://doi.org/10.1002/cite.201800081
- 24 C. Prasse, D. Stalter, U. Schulte-Oehlmann, J. Oehlmann, T. A. Ternes, Water Res. 2015, 87, 237 – 270. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.09.023
- 25 F. C. Moreira, R. A. R. Boaventura, E. Brillas, V. J. P. Vilar, Appl. Catal., B 2017, 202, 217 – 261. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.08.037
- 26
M. Rodrigo, O. Scialdone, C. A. Martinez-Huitle, Electrochemical Water and Wastewater Treatment, Butterworth-Heinemann, Oxford
2018, 239 – 266. DOI: https://doi.org/10.1016/C2016-0-04297-3
10.1016/B978-0-12-813160-2.00010-9 Google Scholar
- 27
V. Kuokkanen, T. Kuokkanen, J. Rämö, U. Lassi, Green Sustainable Chem.
2013, 03 (02), 89 – 121. DOI: https://doi.org/10.4236/gsc.2013.32013
10.4236/gsc.2013.32013 Google Scholar
- 28 K. L. Dubrawski, M. Mohseni, Chemosphere 2013, 91 (1), 55 – 60. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.11.075
- 29 Y. Feng, L. Yang, J. Liu, B. E. Logan, Environ. Sci.: Water Res. Technol. 2016, 2 (5), 800 – 831. DOI: https://doi.org/10.1039/C5EW00289C
- 30 G. Bhaskar Raju, P. R. Khangaonkar, Trans. Indian Inst. Met. 1984, 2 (1), 59 – 66.
- 31 A. Kraft, Vom Wasser 2004, 102 (3), 12 – 19.
- 32 Y. Lei et al., Chem. Eng. J. 2018, 342, 350 – 356.
- 33 M. Panizza, G. Cerisola, Electrochim. Acta 2005, 51 (2), 191 – 199. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.04.023
- 34 M. Panizza, E. Brillas, C. Comninellis, J. Environ. Eng. Manage. 2008, 18 (3), 139 – 153.
- 35 G. Chen, Sep. Purif. Technol. 2004, 38 (1), 11 – 41. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2003.10.006
- 36 A. M. Trautmann, H. Schell, K. R. Schmidt, K.-M. Mangold, A. Tiehm, Water Sci. Technol. 2015, 71 (10), 1569 – 1575. DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2015.143
- 37 G. Boczkaj, A. Fernandes, P. Makoś, Ind. Eng. Chem. Res. 2017, 56 (31), 8806 – 8814. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b01507
- 38 V. Schmalz, T. Dittmar, D. Haaken, E. Worch, Water Res. 2009, 43 (20), 5260 – 5266. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.08.036
- 39 N. Anglada, A. Urtiaga, I. Ortiz, J. Chem. Technol. Biotechnol. 2009, 84 (12), 1747 – 1755. DOI: https://doi.org/10.1002/jctb.2214
- 40 M. Pushpalatha, B. M. Krishna, Int. J. Adv. Res., Ideas Innovations Technol. 2017, 439 – 451.
- 41 Evaluation of Electrochemical Reactors as a New Way to Environmental Protection (Eds: J. M. Peralta-Hernández, M. A. Rodrigo-Rodrigo, C. A. Martínez-Huitle) Research Signpost, Indien 2014.
- 42 W. Roeske, Trinkwasserdesinfektion, 2nd ed., Oldenbourg Industrieverlag, München 2007.
- 43 D. Ž. Mijin, M. L. Avramov Ivić, A. E. Onjia, B. N. Grgur, Chem. Eng. J. 2012, 204 – 206, 151 – 157. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.07.091
- 44 P. Drogui, S. Elmalex, M. Rumeau, C. Bernard, A. Rambaud, J. Appl. Electrochem. 2001, 31, 877 – 882.
- 45 Y. Honda, T. A. Ivandini, T. Watanabe, K. Murata, Y. Einaga, Diamond Relat. Mater. 2013, 40, 7 – 11. DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2013.09.001
- 46
Y.-H. Wang, Q.-Y. Chen, Int. J. Electrochem.
2013, 2013 (8), 128248. DOI: https://doi.org/10.1155/2013/128248
10.1155/2013/128248 Google Scholar
- 47
V. M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik, Wiley-VCH, Weinheim
2003.
10.1002/3527602143 Google Scholar
- 48 Y. M. Henuset, J. Fournier, Patent , 2002. US 20020153245A1
- 49 W. J. Roth, Patent , 2003. US20030205535A1
- 50 G. Mamantov, A. I. Popov, J. Chem. Educ. 1995, 72 (3), A73. DOI: https://doi.org/10.1021/ed072pA73.2
- 51 P. Atkins, J. De Paula, Atkins' Physical Chemistry, Oxford University Press 2006.
- 52 S. Kumar, S. Pande, P. Verma, Int. J. Curr. Eng. Technol. 2015, 5 (2), 700 – 703.
- 53
X. Sui, Y. Huang, T. Han, X. Zeng, AIP Conf. Proc.
2017, 1829 (1), 020042. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4979774
10.1063/1.4979774 Google Scholar
- 54 L. E. Kirman, Patent , 2015. US20150191369A1
- 55 C. Comninellis, G. Chen, in Fundamentals of Electrochemistry (Ed: V. S. Bagotsky), John Wiley & Sons, Hoboken, NJ 2005.
- 56 W. H. Rankin, David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 89th ed., Vol. 15, CRC Press, Boca Raton, FL 2009.
- 57 M. Sievers, Treatise Water Sci. 2011, 4. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53199-5.00093-2
- 58 A. Kapałka, B. Lanova, H. Baltruschat, G. Fóti, C. Comninellis, Electrochem. Commun. 2008, 10 (9), 1215 – 1218. DOI: https://doi.org/10.1016/j.elecom.2008.06.005
- 59 M. E. H. Bergmann, A. S. Koparal, J. Appl. Electrochem. 2005, 35 (12), 1321 – 1329. DOI: https://doi.org/10.1007/s10800-005-9064-0
- 60 E. Chatzisymeon, N. P. Xekoukoulotakis, A. Coz, N. Kalogerakis, D. Mantzavinos, J. Hazard. Mater. 2006, 137 (2), 998 – 1007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.03.032
- 61 M. Gotsi, N. Kalogerakis, E. Psillakis, P. Samaras, D. Mantzavinos, Water Res. 2005, 39 (17), 4177 – 4187. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2005.07.037
- 62 D. Rajkumar, J. G. Kim, J. Hazard. Mater. 2006, 136 (2), 203 – 212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.11.096
- 63 D. Rajkumar, B. J. Song, J. G. Kim, Dyes Pigm. 2007, 72 (1), 1 – 7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2005.07.015
- 64 A. Sakalis, K. Fytianos, U. Nickel, A. Voulgaropoulos, Chem. Eng. J. 2006, 119 (2 – 3), 127 – 133. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2006.02.009
- 65 A. M. Polcaro, A. Vacca, M. Mascia, S. Palmas, R. Pompei, S. Laconi, Electrochim. Acta 2007, 52 (7), 2595 – 2602. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2006.09.015
- 66 P.-A. Michaud, M. Panizza, L. Ouattara, T. Diaco, G. Foti, C. Comninellis, J. Appl. Electrochem. 2003, 33, 151 – 154.
- 67 H.-J. Riedl, G. Pfielderer, Patent , 1940. US2215883
- 68 C. P. Chardon, T. Matthée, R. Neuber, M. Fryda, C. Comninellis, ChemistrySelect 2017, 2 (3), 1037 – 1040. DOI: https://doi.org/10.1002/slct.201601583
- 69 E. Brillas, C. A. Martínez-Huitle, Appl. Catal., B 2015, 166 – 167, 603 – 643. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.11.016
- 70 Y. Hou, Z. Peng, L. Wang, Z. Yu, L. Huang, L. Sun, J. Huang, J. Hazard. Mater. 2018, 343, 376 – 385. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.10.004
- 71 M. Fryda, T. Matthee, Patent , 2009. EP2072472A1
- 72 W. Wu, Z.-H. Huang, T.-T. Lim, J. Environ. Chem. Eng. 2016, 4 (3), 2807 – 2815. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.05.034
- 73 C. Feng, N. Sugiura, S. Shimada, T. Maekawa, J. Hazard. Mater. 2003, 103 (1 – 2), 65 – 78. DOI: https://doi.org/10.1016/S0304-3894(03)00222-X
- 74 M. Fryda, T. Matthée, S. Mulcahy, A. Hampel, L. Schäfer, I. Tröster, Diamond Relat. Mater. 2003, 12 (10 – 11), 1950 – 1956. DOI: https://doi.org/10.1016/S0925-9635(03)00261-9
- 75 A. Kraft, Platinum Met. Rev. 2008, 52 (3), 177 – 185. DOI: https://doi.org/10.1595/147106708X329273
- 76 T. Muddemann, U. Kunz, D. R. Haupt, M. Sievers, ECS Trans. 2018, 86 (4), 41 – 53. DOI: https://doi.org/10.1149/08604.0041ecst
- 77 F. Duan, Y. Li, H. Cao, Y. Wang, J. C. Crittenden, Y. Zhang, Chemosphere 2015, 125, 205 – 211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.12.065
- 78 M. A. García-Morales, G. Roa-Morales, C. Barrera-Díaz, B. Bilyeu, M. A. Rodrigo, Electrochem. Commun. 2013, 27, 34 – 37. DOI: https://doi.org/10.1016/j.elecom.2012.10.028
- 79 M. H. E. Bergmann, J. Rollin, T. Iourtchouk, Electrochim. Acta 2009, 54 (7), 2102 – 2107. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.09.040
- 80 L. Chen, P. Campo, M. J. Kupferle, J. Hazard. Mater. 2015, 283, 574 – 581. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.10.001
- 81 P. V. Nidheesh, R. Gandhimathi, Desalination 2012, 299, 1 – 15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2012.05.011
- 82 E. Rosales, M. Pazos, M. A. Sanromán, Chem. Eng. Technol. 2012, 35 (4), 609 – 617. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.201100321
- 83 B. E. Logan, Microbial Fuel Cells, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ 2008.
- 84 X. Wang, Y. J. Feng, H. Lee, Water Sci. Technol. 2008, 57 (7), 1117 – 1121. DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2008.064
- 85 M. M. Mardanpour, M. Nasr Esfahany, T. Behzad, R. Sedaqatvand, Biosens. Bioelectron. 2012, 38 (1), 264 – 269. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2012.05.046
- 86 W. Miran, J. Jang, M. Nawaz, A. Shahzad, D. S. Lee, Sci. Total Environ. 2018, 627, 1058 – 1065. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.01.326
- 87 I. Ieropoulos, G. Pasternak, J. Greenman, PloS one 2017, 12 (5), e0176475. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0176475
- 88 N. S. Malvankar, D. R. Lovley, ChemSusChem 2012, 5 (6), 1039 – 1046. DOI: https://doi.org/10.1002/cssc.201100733
- 89 L. Wei, H. Han, J. Shen, Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37 (17), 12980 – 12986. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.05.068
- 90 H. Yuan, Y. Hou, I. M. Abu-Reesh, J. Chen, Z. He, Mater. Horiz. 2016, 3 (5), 382 – 401. DOI: https://doi.org/10.1039/C6MH00093B
- 91 B. Jiang, T. Muddemann, U. Kunz, H. Bormann, M. Niedermeiser, D. Haupt, O. Schläfer, M. Sievers, J. Electrochem. Soc. 2016, 164 (3), H3083 – H3090. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0131703jes
- 92 A. P. Adebule, B. I. Aderiy, A. A. Adebayo, Ann. Appl. Microbiol. Biotechnol. J. 2018. 2 (1), 1008.
- 93
A. Hollemann, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102nd ed., De Gruyter, Berlin
2007.
10.1515/9783110177701 Google Scholar
- 94 M. Spasojević, N. Krstajić, P. Spasojević, L. Ribić-Zelenović, Chem. Eng. Res. Des. 2015, 93, 591 – 601. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.07.025
- 95 U. Č. Lačnjevac, B. M. Jović, L. M. Gajić-Krstajić, J. Kovač, V. D. Jović, N. V. Krstajić, Electrochim. Acta 2013, 96, 34 – 42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.02.086
- 96 S. Tian, Y. Li, H. Zeng, W. Guan, Y. Wang, X. Zhao, J. Colloid Interface Sci. 2016, 482, 205 – 211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.07.024
- 97 A. Cornell, Electrochim. Acta 2003, 48 (5), 473 – 481. DOI: https://doi.org/10.1016/S0013-4686(02)00679-5
- 98 K. Zhao, Y. Su, X. Quan, Y. Liu, S. Chen, H. Yu, J. Catal. 2018, 357, 118 – 126. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2017.11.008
- 99 P. Ma, H. Ma, A. Galia, S. Sabatino, O. Scialdone, Sep. Purif. Technol. 2019, 208, 116 – 122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.04.062
- 100 Z. Xiong, B. Lai, P. Yang, Water Res. 2018, 140, 12 – 23. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.04.030
- 101 P. C. Foller, G. H. Kelsall, J. Appl. Electrochem. 1993, 23 (10), 996 – 1010. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00266121
- 102 L. G. de Sousa, D. V. Franco, L. M. Da Silva, J. Environ. Chem. Eng. 2016, 4 (1), 418 – 427. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2015.11.042
- 103 A. Kraft, M. Stadelmann, M. Wunsche, M. Blaschke, Electrochem. Commun. 2006, 8 (5), 883 – 886. DOI: https://doi.org/10.1016/j.elecom.2006.02.013
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