Die enorme Kraft winziger Gasblasen dienstbar gemacht

„Chemie ist das, was knallt und stinkt …“, so heißt es im Volksmund. In der Tat fallen in der chemischen Industrie giftige Abwässer an, deren Entsorgung weltweit ein Problem ist. Denn die etablierten Verfahren zur Reinigung der Abwässer sind kompliziert und teuer.

Doch es geht auch anders: Chemiker der Universität Jena um Prof. Dr. Bernd Ondruschka haben jetzt gemeinsam mit Fachkollegen aus Nanjing in China ein Verfahren entwickelt, bei dem sie sich eines Phänomens bedienen, das Bootsbauern regelmäßig Kopfzerbrechen bereitet. Die von Dr. Zhilin Wu geleitete Arbeitsgruppe macht sich die Kavitation zunutze, die Entstehung winziger Gasblasen in Flüssigkeiten. Diese Gasbläschen entstehen zum Beispiel an rotierenden Körpern in Flüssigkeiten. Sie sind ungeheuer energiereich und bergen deshalb ein großes Zerstörungspotenzial in sich. Speziell an Schiffsschrauben kann Kavitation starke Schäden hervorrufen.

Die Gasbläschen implodieren in Bruchteilen von Mikrosekunden wieder und setzen dabei Temperaturen bis zu 5.000 Kelvin frei, das entspricht der Oberflächentemperatur der Sonne. Außerdem wirken enorme Drücke um die 500 bar, was sonst erst in einer Wassertiefe von 5.000 Metern erreicht wird. Im Moment des Kollapses wird das umgebende Wasser homolytisch gespalten und es werden Hydroxylradikale gebildet, die organische Verbindungen oxidieren und abbauen können. Des Weiteren werden durch die extremen Bedingungen Pyrolysereaktionen ausgelöst.

„Diese Energie im Moment des Kollabierens der Gasbläschen nutzen wir aus“, sagt Dr. Wu. Den Jenaer Forschern ist es gelungen, eine phenolhaltige Lösung mit Hilfe der Kavitation zu reinigen. Phenol ist eine umweltbedenkliche Substanz, die bei vielen chemischen Prozessen als Nebenprodukt anfällt. Bei den Versuchen der Arbeitsgruppe Kavitations-Chemie wurde die Reaktionslösung außerdem mit Ozon versetzt. „Durch die Kavitation sind wir in der Lage, das eingeleitete Ozon viel besser zu nutzen. Und das hohe Oxidationspotenzial beschleunigt die Abbaureaktionen deutlich“, sagt Dr. Wu.

Die Kavitation lasse sich auf verschiedenen Wegen in Gang setzen, erklärt Marcus Franke von der Arbeitsgruppe Kavitations-Chemie. Eine Möglichkeit sind Rohrsysteme mit Lochplatten als künstliche Verengungen. An diesen Platten herrschen unterschiedliche Druckverhältnisse, wodurch Kavitation erzeugt wird. Eine andere Quelle für Kavitation stellt der Ultraschall dar. Dadurch können ebenfalls sehr hohe Abbauraten mit guten Energieeffizienzen generiert werden, jedoch ist die Vergrößerung solcher Ultraschallanlagen sehr kompliziert und stellt die Wissenschaftler vor große Herausforderungen.

Prof. Dr. Bernd Ondruschka, der die Arbeitsgruppe Kavitations-Chemie 1997 gegründet hat, verweist auf die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens. In Nanjing haben die Chemiker mit Hilfe des neuen Verfahrens eine Methode entwickelt, um Gewässer von Mikroalgen zu befreien. Auf einfachem Weg lassen sich so beispielsweise Stadtseen reinigen, ohne Chemikalien zusetzen zu müssen.

Ihre Ergebnisse haben die Jenaer Chemiker gemeinsam mit den Fachkollegen aus China gerade im „Journal of Hazardous Materials“ veröffentlicht.

Original-Publikation:
Z. Wu et. al.: „Enhanced effect of suction-cavitation on the ozonation of phenol, J. Hazard. Mater. (2011), doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.03.054
Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Ondruschka
Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Lessingstraße 12, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948400
E-Mail: bernd.ondruschka[at]uni-jena.de