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Potenziale von Nanopartikeln und Membranen für die Wasser-/Abwasser-behandlung

Dr. Carsten Gellermann

Kompetenzfeld Nanopartikel und Komposite

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

„Nano Meets Water“, Oberhausen

11. November 2010

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Inhalt

Einleitung

Motivation – Nanomaterialien und Wasser

Entgiftung

Schad- und Wertstoffentfernung

Korrosionschutz

Membran- und Partikelentwicklungen am ISC

Zusammenfassung

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Rd. 300 Mitarbeiter, 170 Festangestellte10 Kompetenzfelder, 3 Zentren,6 Geschäftsfelder, 1 Fraunhofer-Projektgruppe (Bayreuth)

Institutshaushalt 2009:16,6 Mio €, davon 10,1 Mio € aus Auftragsforschung und

6,5 Mio € institutioneller Förderung

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC - Überblick

Innovative Werkstoffe und Prozessefür die Produkte von morgen

Bronnbach

Bayreuth

Würzburg

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Sauberes Wasser in der Welt

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Text

© Fraunhofer ISCQuelle: Environment Canada, Freshwater Website 2004

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Besonderheiten von Nanomaterialien Große spezifische Oberflächen

Hohe Reaktivität

Transparenz

Farbigkeit

Multifunktionalität

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0

100

200

300

400

500

600

1 10 100 1000

Partikelgröße in nm

spez

ifisc

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g

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Motivation - Ausgewählte Themenfelder

Korrosion von Leitungssystemen

Antifouling(anorg., org., partikulär, Bio)

Toxikologie, Entgiftung

Nano-materialien

EntsalzungEntkeimung

Wertstoffrecycling

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Auswahl an relevanten Nanomaterialien für Wasseranwendungen

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CarbonNanotubes(CNT)

Metall(oxid)-Partikel

Zeolithe

Dendrimere

Anorganische

Organische

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Schad- und Wertstoffentfernung

Nanopartikel und Hohlfasern

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Text

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Schadstoffe und Wertstoffe

Lithium

Lanthanoide

Übergangsmetalle (Pd, Co, Nb, ...)

Phosphor

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Anorganische, u.a.

Arsen

Uran

Cadmium

Blei

Organische, u.a.

Halogenierte Kohlenwasserstoffe

Antibiotika

Hormone

Biologische, u.a.

Bakterien

Algen

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Selektive Entfernung von Einzelkomponenten

Konzept: Magnetseparation mit Partikeln

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Text

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Prinzip der Magnettechnologie aus der Biochemie

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Entwicklung kostengünstiger Magnetpartikel

2µm

20nm

SuperparamagnetischeNanopartikel

Phosphat-bindende Matrix

PhosphatbindendeOberfläche,wenn Matrix inert

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Magnetische Abscheidung im großen Maßstab

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Quelle: Magnetbandabscheider, Fa. Steinert

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SelbstreinigendSelbstreinigend

AntibeschlagAntibeschlag

BewuchshemmendBewuchshemmend

WasserreinigungWasserreinigungLuftreinhaltungLuftreinhaltung

Zersetzung

Hydrophilie

Anwendungsfelder der Photokatalyse

Photokatalysator

Easy to cleanEasy to clean

AntimikrobiellAntimikrobiell

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Fraunhofer-Allianz für PhotokatalyseUnser Aktivitätsspektrum

Materialentwicklung (u. a. Anatas-Nanopartikel)

Schichtentwicklung

Prozessentwicklung und -implementierung

Beschichtung von Prototypen

Analytik und Qualitätssicherung

Entwicklung von Prüf- und Testverfahren zur photokatalytischen Wirksamkeit der Schichtsysteme

Studien und Gutachten zur Bewertung ökotoxikologischer Wirkungen

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Wert- und Schadstoffentfernung

Nanopartikel und Hohlfasern

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Text in Aufzählung

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600 °C

SiO2 -HohlfaserHybride Nanostruktur

Multifunktionelle hybridpolymere Hohlfasern mit breitem Eigenschaftsprofil

Vorteil (Aufwand/Kosten):Funktionalisierung während Synthese einstellbar, d.h. keine nachträgliche Modifizierung notwendig

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Motivation - Ausgewählte Themenfelder

Korrosion von Leitungssystemen

Antifouling(anorg., org., partikulär, Bio)

Toxikologie, Entgiftung

Nano-materialien

EntsalzungEntkeimung

Wertstoffrecycling

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Korrosionsschutz – Kalthärtende Keramik durch nanotechnologische Gefügeoptimierung (BMBF-Projekt)

keine Kapillarporosität

keine Korrosion wird verhindert

Zunahme der Säurestabilität

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Korrosion am Betonrohr

- starker chemischen Angriff

- niedrigem pH

- hohes Gewicht

Neue Lösung

Verwendung von ultrahochfestem Beton (UHPC)

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Einsatz von Nano- und Mikropartikeln (Kommerzielle und synthetisierte Kieselsole sowie sprühgetrocknete SiO2-Granulate (ISC)

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von SiO2-Nanopartikeln (oben) und sprühgetrocknetem Kieselsol(rechts)

Korrosionsschutz -Dichterer Beton durch abgestimmte Partikelgrößen

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keine Kapillarporosität

keine Korrosion wird verhindert

Zunahme der Säurestabilität

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Braun: Bild von Betonrohren

DICHTIGKEIT Des GEFÜGES

Keine Kapillarporen im Vergleich zum klassischen Beton

Korrosionsschutz – Kalthärtende Keramik durch nanotechnologische Gefügeoptimierung (BMBF-Projekt)

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Zusammenfassung

Motivation – Nanomaterialien und Wasser

Entgiftung

Schad- und Wertstoffentfernung

Korrosionschutz (UHPC)

Beispiele Membran- und Partikelentwicklungen am ISC

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dr. Carsten GellermannTelefon: 09 31/41 00-511E-Mail: carsten.gellermann@isc.fraunhofer.de

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