Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

Luft, die nach Ammoniak riecht, ist mehr als nur eine unangenehme Belästigung; sie ist ein bedeutender Verursacher von Umweltschäden. Wenn dieses Gas, primär aus landwirtschaftlichen Aktivitäten, in die Atmosphäre freigesetzt wird, hilft es bei der Bildung feiner Partikel, welche die Luftqualität verschlechtern, Böden und Gewässer versäuern und zu einer Nährstoffüberlastung in Ökosystemen führen. Da die Umweltvorschriften strenger werden, besteht die Herausforderung nicht nur darin, dieses Gas aus Abfallströmen zu entfernen, sondern dies zu tun, ohne neue Probleme wie teures Abwasser oder hohe Energiekosten zu verursachen. Wissenschaftler haben lange nach fortgeschrittenen Oxidationsprozessen als Lösung gesucht. Dies sind Methoden, die starke chemische Reaktionen nutzen, die oft durch Licht ausgelöst werden, um Schadstoffe abzubauen. Das Ziel ist es, schädliches Ammoniak in stabile, oxidierte Formen von Stickstoff umzuwandeln, die potenziell erfasst und wiederverwendet werden können, wodurch ein Abfallprodukt in eine Ressource verwandelt wird.

Ein Team von Forschern der Technischen Universität Ostrava und dem Unternehmen Dekonta hat ein spezielles zweistufiges System getestet, das entwickelt wurde, um dieses Problem anzugehen. Ihre Arbeit konzentriert sich auf eine Technologie, die zunächst ultraviolettes Licht verwendet, um ammoniakhaltige Luft zu behandeln, und dann die eingefangenen Verbindungen in eine flüssige Phase überführt, wo sie mit Wasserstoffperoxid und weiterem Licht behandelt werden. Die Forscher wollten genau verstehen, wie die Betriebsbedingungen dieses Systems seine Fähigkeit zur Entfernung von Ammoniak beeinflussen und welche spezifischen Stickstoffverbindungen zurückbleiben. Sie waren besonders daran interessiert, ob sie den Prozess so steuern konnten, dass nutzbare, rückgewinnbare Stickstoffspezies anstelle eines Gemischs unerwünschter Nebenprodukte entstehen.

Das Experiment begann mit Luft, die Ammoniak enthielt, welches erzeugt wurde, indem Luft durch eine Ammoniumhydroxidlösung geblasen wurde. Diese Luft trat zuerst in die erste Stufe des Systems ein, einen Edelstahlreaktor, der mit Niederdruck-Quecksilberlampen ausgestattet ist, die ultraviolettes Licht bei spezifischen Wellenlängen emittieren. Die Forscher entdeckten, dass das Vorhandensein von Wasserdampf in dieser Stufe entscheidend war. Wenn die Luft befeuchtet wurde, verbesserte sich die Ammoniakentfernung signifikant. Dies deutet daraufweise, dass Wasserdampf hilft, die benötigten reaktiven Spezies zu erzeugen, die das Ammoniak abbauen. Selbst ohne das ultraviolette Licht wurde etwas Ammoniak allein durch die Absorption in das Wasser entfernt, aber das Licht machte den Prozess wesentlich effektiver. Diese erste Stufe bewies, dass kontrollierte Feuchtigkeit ein Schlüsselfaktor ist, um das Ammoniak auf den nächsten Schritt vorzubereiten.

Die zweite Stufe der Technologie ist der Punkt, an dem die eigentliche Transformation stattfindet. Die Luft, die nun die Produkte der ersten Stufe mit sich führt, bewegt sich in einen Nasswäscher und fließt dann durch eine Reihe von Rohrreaktoren. Hier nutzt das System eine Lösung aus Wasserstoffperoxid, einem starken Oxidationsmittel, kombiniert mit ultraviolettem Licht. Diese Kombination erzeugt Hydroxylradikale, das sind hochreaktive Moleküle, die die aus Ammoniak stammenden Verbindungen im Wasser angreifen. Die Forscher fanden heraus, dass die Art und Weise, wie sie das Wasserstoffperoxid hinzufügten, eine große Rolle spielte. Eine häufigere Zugabe hielt eine stetige Zufuhr des Oxidationsmittels bereit, was den Prozess effizienter machte. Sie beobachteten auch, dass die Menge des in das System eintretenden Ammoniaks das Ergebnis veränderte. Wenn die anfängliche Ammoniaklast höher war, produzierte das System mehr oxidierten Stickstoff, aber das Gleichgewicht verschob sich. Anstatt alles in Nitrat, eine stabile Form von Stickstoff, umzuwandeln, hinterließ der Prozess mehr Nitrit. Dies deutet darauf hin, dass das System bei höheren Ammoniakwerten Schwierigkeiten hat, den letzten Schritt der Umwandlung von Nitrit in Nitrat zu vollenden.

Das Team musste auch eine praktische Hürde bei ihren Messungen bewältigen. Zunächst versuchten sie, das verbleibende Ammoniak direkt im Wasser mit einem Standard-Chemiekalientest zu messen, stellten jedoch fest, dass das Wasserstoffperoxid in der Lösung die Ergebnisse beeinflusste und die Daten unzuverlässig machte. Um dies zu umgehen, maßen sie die Gesamtmenge des Stickstoffs im Wasser und verfolgten die spezifischen Mengen an Nitrit und Nitrat. Durch die Betrachtung der Bilanz dieser Verbindungen konnten sie genau bestimmen, wie viel Ammoniak umgewandelt worden war. Sie entdeckten, dass es das Ergebnis nicht automatisch verbesserte, wenn man das Wasser einfach länger in den Reaktoren ruhen ließ. Dieser Befund unterstreicht, dass die physikalische Bewegung der Flüssigkeit und die Verfügbarkeit des Oxidationsmittels genauso wichtig sind wie die Zeit, die das Licht auf die Mischung scheint.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die zweistufige Technologie zwar effektiv ist, aber eine sorgfältige Abstimmung erfordert, um optimal zu arbeiten. Die Forscher fanden heraus, dass die Befeuchtung der Luft in der ersten Stufe die Leistung steigert und dass die Strategie für die Zugabe von Wasserstoffperoxid in der zweiten Stufe die Effizienz der Reaktion bestimmt. Das System hat jedoch eine Grenze: Wenn zu viel Ammoniak zugeführt wird, begünstigt der Prozess die Bildung von Nitrit gegenüber Nitrat. Die Autoren schlagen vor, dass zukünftige Verbesserungen darauf fokussiert werden sollten, den Fluss und die chemischen Bedingungen zu optimieren, um die Umwandlung vollständig bis zum Nitrat voranzutreiben und so sicherzustellen, dass der maximale Anteil an Stickstoff in einer stabilen, nützlichen Form zurückgewonnen wird. Diese Arbeit bietet eine klare Roadmap für die Verfeinerung einer Technologie, die helfen könnte, die Luft zu reinigen und gleichzeitig wertvolle Ressourcen aus Abfällen zurückzugewinnen.