Elektrochemische Ammoniumentfernung

Die meisten Verfahren zur Stickstoffentfernung aus Abwasser sind biologisch. Diese Verfahren sind energieeffizient und benötigen in der Regel keine chemischen Zusätze, aber sie können nicht sehr gut mit unregelmässigen und starken Zulaufschwankungen umgehen, wie sie in sehr kleinen dezentralen Reaktoren auftreten können. Längere Phasen ohne Zulauf können sogar zum völligen Zusammenbruch der biologischen Reaktorleistung führen.

Eine Alternative zur biologischen Stickstoffentfernung ist die Elektrolyse. Vor mehr als 30 Jahren wurde die elektrochemische Ammoniumentfernung bereits experimentell für die Abwasserbehandlung untersucht. Die besten verfügbaren Elektroden waren aber aus Platin, welches sehr teuer ist und rasch deaktiviert wird. Seit einigen Jahren sind nun aber neue stabile Elektroden − 'dimensionally stable anodes' (DSA) und 'boron-doped diamond electrodes' (BDD) − erhältlich, die für kleine Reaktoren wirtschaftlich interessant sein könnten.

Zyklisches Voltammogramm einer Ni/Ni(OH)2 Elektrode mit Ammoniumlösungen bei verschiedenen pH Werten. Scan-Rate 100 mV s-1; 150 mM NH4ClO4 + 1M NaClO4 + NaOH, 25°C. Das eingefügte Diagramm zeigt: (■) die Spitzenstromdichte jpeak als Funktion des pH-Wertes und (―) den molaren Anteil des Ammoniaks am Gesamtammonium als Funktion des pH-Wertes.

Bei der elektrochemischen Abwasserbehandlung können organische Stoffe und Ammonium abgebaut und gleichzeitig Krankheitserreger deaktiviert werden. Der Prozessablauf ist aber häufig komplex und nicht alle Elektrodenmaterialien sind für den Abbau von Ammonium geeignet. In Laborversuchen haben wir drei Elektrodentypen getestet: DSA (IrO2-Film und Ti/PtOx-ItO2), BDD und Nickelelektroden. Bis jetzt ist es noch nicht klar, ob DSA oder BDD-Elektroden besser für die Urinbehandlung geeignet sind. Nickelelektroden sind allerdings keine gute Wahl, weil sie während der Elektrolyse Nickelionen in die Lösung abgeben.

In den Experimenten mit Ammoniumlösungen ohne Chlorid nahm die Abbaugeschwindigkeit mit sinkendem pH-Wert ab, was darauf hindeutet, dass Ammoniak der direkte Reaktionspartner war. In chloridhaltigen Ammoniumlösungen wurde das Ammonium aber auch bei tiefen pH-Werten abgebaut; Chlorid wurde zu Hypochlorsäure umgewandelt, welches Ammonium zu Chloraminen und molekularem Stickstoff oxidierte (Knickpunktchlorung). Im Gegensatz zur konventionellen Knickpunktchlorung wurde auf Ti/PtOx-IrO2-Elektroden nur wenige Chloramine gebildet, weil die Oxidation sehr nahe an der Elektrodenoberfläche stattfand, wo die Konzentration an Hypochlorsäure so hoch ist, dass Chloramine rasch zu molekularem Stickstoff oxidiert werden.

Literatur

Kapałka A., Katsaounis A., Michels N.-L., Leonidova A., Souentie S., Comninellis C., Udert K.M. (2010) Ammonia oxidation to nitrogen mediated by electrogenerated active chlorine on Ti/PtOx-IrO2. Electrochemistry Communications 12(9), 1203-1205..

Kapałka A., Cally A., Neodo S., Comninellis C., Wächter M., Udert K.M. (2010) Electrochemical behavior of ammonia at Ni/Ni(OH)₂ electrode. Electrochemistry Communications 12(1), 18-21.

Kapałka A., Fierro S., Frontistis Z., Katsaounis A., Frey O., Koudelka M., Comninellis C., Udert K.M. (2009) Electrochemical behaviour of ammonia (NH4+/NH3) on electrochemically grown anodic iridium oxide film (AIROF) electrode. Electrochemistry Communications 10(8), 1590-1592.