Thema des Monats: März 2015

Polymere machen Wasser sauber

Künstliche Hormone auf der Fahndungsliste

In ihrer Wirkung den Hormonen sehr ähnliche Verbindungen, sogenannte endokrine disruptive Chemikalien (EDC), sowie andere im klassischen Sinne als Schadstoffe bezeichnete Substanzen wie Pestizide, polychlorierte Biphenyl (PCB) oder polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sowie Arzneimittelrückstände stehen im Verdacht, die (hormonellen) Abläufe im menschlichen Organismus zu beeinflussen und die Gesundheit zu beeinträchtigen. Aufgrund unachtsamen Umgangs oder auf biologischem Wege gelangen sie in die Umwelt – häufig über den Abfluss oder die Toilettenspülung. Das Mikroverunreinigungen im Klärwerk aus dem Abwasser vollständig entfernt wird, ist bislang nicht wirklich abschließend geklärt. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart haben bisherige Verfahren der Abwasseraufbereitung unter die Lupe genommen und eine neue Technik unter Einsatz neuartiger Membran-Adsorbern entwickelt, mit denen sich nicht nur unerwünschte Partikel aus dem Abwasserstrom zu entfernen lassen, sondern gezielt auch Mikroverunreinigung wie gelöste hormonaktive Substanzen (EDC) oder giftiges Blei. Der Schlüssel zum Erfolg dieser innovativen, zielgerichteten Abwasseraufbereitungstechnik liegt in der Kombination klassischer Membrantechnologie und oberflächenaktiven Polymermaterialien.

Im Januar 2015 hat die europäische Lebensmittelbehörde (European Food Safety Authority, EFSA) den Grenzwert für Bisphenol A in Verpackungen gesenkt. Die hormonell wirksame Chemikalie ist unter anderem ein Ausgangsstoff für Polycarbonate, aus denen etwa Compact Disks (CD), Plastikgeschirr oder Brillengläser hergestellt werden. Aufgrund seiner chemischen Struktur wird Bisphenol A, wie das Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart berichtet, in den biologischen Stufen der Kläranlagen nicht vollständig abgebaut und gelangt so über den Ablauf der Kläranlage in Flüsse und Seen, die uns unter anderem als Trinkwasserspeicher dienen.

Um Chemikalien, Antibiotika oder Schwermetalle aus Ab- oder Prozesswasser zu entfernen, werden bislang Aktivkohle oder andere Adsorbermaterialien eingesetzt, die in der Regel über einen gewissen porösen Aufbau verfügen und hierdurch eine meist sehr große reaktive Oberfläche besitzen. Ein Nachteil hochporöser Materialien ist jedoch die meist lange Zeit, die es erfordert, bis Schadstoffe in das Poreninnere diffundiert sind und mit dem Material in Kontakt treten. Um in denkbar kurzer Zeit möglichst viele Schadstoffe aus dem Abwasser entfernen zu können, setzen Kläranlagen große Mengen an Adsorbermaterial in großen Behandlungsbecken ein.

Rasterelektronenmikroskopie eines Aktivkohlepellets

Aktivkohle und ihre Schwächen

Um nicht den Teufel mit dem Beelzebub austreiben zu wollen, wird die eingesetzte Aktivkohle beziehungsweise das eingesetzte Adsorbermaterial nach Möglichkeit recycelt und erneut eingesetzt. Bei Aktivkohle ist dafür jedoch ein enorm hoher Energieaufwand vonnöten, warum man schadstoffbelastetes Material eher entsorgt als es zu regenerieren. Für die Behandlung von Abwasser (oder für die Aufbereitung von Salz- in Trinkwasser) kommt auch die Membranfiltration mit Nanofiltrations- oder Umkehrosmose-Membranen in Frage.

Allerdings erweist sich deren Einsatz für die Entfernung gelöster Moleküle aus großvolumigen Prozess- und Abwasserströmen bislang als noch nicht wirtschaftlich. Der Grund ist von physikalischer Natur: Membranen sind in der Regel semipermeabel, dass heißt, sie weisen eine Oberflächenstruktur auf, die eine Flüssigkeit oder gelöste Stoffe nur von einer Seite hindurchtreten lässt, oder aber ihre Porengröße erlaubt es nur bestimmten Molekülen ungehindert zu passieren. Je kleiner die Membranporen sind, desto größeren muss allerdings der Druck und damit der Energieeinsatz sein, um die im Abwasser enthaltenen Mikroverunreinigungen abzutrennen.

Membranen sind in der Regel semipermeable aufgebaut, dass heißt, sie weisen eine Oberflächenstruktur auf, die eine Flüssigkeit oder gelöste Stoffe nur von einer Seite hindurchtreten lässt, oder aber ihre Porengröße erlaubt es nur bestimmten Molekülen ungehindert zu passieren. Je kleiner die Membranporen aber sind, desto größeren muss der Druck und damit der Energieeinsatz sein, um die im Abwasser enthaltenen Mikroverunreinigungen abzutrennen.

Membranadsorber – Filtern und Binden in einem Schritt

Einen neuen Ansatz, der die Vorteile der Absorber- und der Membranfilter-Technologie kombiniert, haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart gewählt, in dem sie der von ihnen verwendeten Membran kurzerhand kleine polymere Adsorberpartikel hinzufügten. Die aus diesem Prozesse resultierenden „Membran-adsorber“ können zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden, das heißt anlagern.

Die Wissenschaftler machten sich bei ihrer Materialkreation die innere poröse Struktur und Beschaffenheit der Membran zu nutze: „Die Poren bieten nicht nur eine sehr hohe spezifische Oberfläche, um möglichst viele Partikel einbetten zu können, sondern sind auch optimal zugänglich“, erklärt Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeitsgruppe Anorganische Grenzflächen und Membranen am Fraunhofer IGB. „Da die Schadstoffe bei unseren Membranadsorbern anders als bei herkömmlichen Adsorbern konvektiv, das heißt mit dem schnell durch die Membranporen strömenden Wasser transportiert werden, reicht eine nur Sekunden dauernde Kontaktzeit aus, um Schadstoffe auf der Partikeloberfläche zu adsorbieren“, erklärt der Experte. Bis zu 40 Prozent des Gewichts der Membranadsorber geht auf die Partikel zurück, entsprechend hoch ist deren Bindekapazität. Obendrein lassen sich, wie sich zeigte, die Membranadsorber bei niedrigen Drücken, das heißt unter günstigen energetischen Bedingungen betreiben. Und aufgrund ihrer dichten Packungen ließen sich kleine Abwasseraufbereitungsanlagen mit ihrer Membranadsorber-Technologie ausrüsten, ließ das IGB verlauten.

In der porösen Trägerstruktur der Membranadsorber sind winzige Polymerpartikel eingebettet, die Schadstoffe aus dem Wasser binden. Bild: Fraunhofer IGB

Funktionelle Adsorberpartikel – der Erfolg liegt im polymeren Detail

Hergestellt werden die polymeren Adsorberpartikel in einem, so heißt es, einstufigen, kosteneffizienten Polymerisationsverfahren. Den Prozess hat sich das IGB patentieren lassen: Einzelne Bausteine (Monomere) werden mit Hilfe eines Zusatzstoffs, Vernetzer genannt, zu 50 bis 500 Nanometer kleinen Polymerkügelchen polymerisiert. „Je nachdem, welche Stoffe aus dem Wasser entfernt werden sollen, wählen wir die Bausteine aus einer Reihe unterschiedlicher Monomere aus, die sich untereinander in ihren jeweiligen funktionellen Gruppen unterscheiden“, schildert Doktor Schiestel. Die Bandbreite reiche dabei von eher wasserabweisendem (hydrophobem) Pyridin, über wasserfreundliche (hydrophile) kationische Ammoniumverbindungen oder anionische Phosphonate, um eine möglichst große Bandbreite unterschiedlich polarer Verbindungen aus dem Wasser entfernen, oder, wie es der Experte zu sagen pflegt, extrahieren zu können.

Apropos: In der Chemie versteht man unter funktionellen Gruppen (auch charakteristische Gruppen) Atomgruppen in organischen Verbindungen, die die Stoffeigenschaften und das Reaktionsverhalten der sie tragenden Verbindungen maßgeblich bestimmen. Chemische Verbindungen, die die gleichen funktionellen Gruppen tragen, werden auf Grund ihrer oft ähnlichen Eigenschaften zu Stoffklassen zusammengefasst.

Ohne seltene Erden ist modernste Technik wie Solar- oder Windkraft, Mobilfunk und Computertechnologie bislang undenkbar. Und die natürlichen Ressourcen schwinden.

Selektive Entfernung von Schadstoffen und Metallen

In verschiedenen Tests konnten die Forscher zeigen, dass die Membranadsorber durch die für den jeweiligen Schadstoff maßgeschneiderten Polymerpartikel Schadstoffe sehr selektiv entfernen. So binden Membranadsorber mit Pyridin-Gruppen das hydrophobe Bisphenol A besonders gut, während solche mit Aminogruppen das negativ geladene Salz des Antibiotikums Penicillin G adsorbieren. Verschiedenartikel Polymerpartikel ließen sich sogar in einer Membran kombinieren. Auf diese Weise könne man mehrere Mikroschadstoffe gleichzeitig mit nur einem Membranadsorber entfernen, berichtet Wissenschaftler Schiestel. Abhängig von der jeweiligen funktionellen Gruppe ließen sich mit den vom IGB in Stuttgart entwickelten Membranadsorbern auch toxische Schwermetalle wie Blei oder Arsen aus dem Wasser entfernen. Phosphonat-Membranadsorber etwa adsorbieren mehr als 5 Gramm Blei pro Quadratmeter Membranfläche – 40 Prozent mehr als ein kommerziell erhältlicher Membranadsorber.

Wirtschaftlich und regenerierbar

Damit die Membranadsorber mehrfach verwendet werden können, müssen die adsorbierten Schadstoffe wieder von den Partikeln in der Membran gelöst werden. Das gelingt nach Angaben des IGB vergleichsweise simpel: Membranadsorber für Bisphenol A etwa ließen sich durch eine Veränderung des pH-Werts vollständig regenerieren, erläutert Schiestel. Auf diese Weise könnte die aufkonzentrierten Schadstoffe auf wirtschaftlich günstige Weise entsorgt oder mit einem geeigneten oxidativen Verfahren abgebaut werden.

Die vergleichsweise einfache Regenerierbarkeit der Membranadsorber eröffne zudem weitere Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel um die extrahierten "Mikroverunreinigungen" wieder verwerten zu können. Deshalb sei ihre Technologie, ist das IGB überzeugt, auch interessant für die Rückgewinnung wertvoller Edelmetalle oder seltene Erdmetalle (Seltene Erden), hierzu gehören die chemischen Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems (mit Ausnahme des Actiniums) und die Lanthanoide – insgesamt also 17 Elemente, die für Mobiltelefone, Computer, Solaranlage und andere zukunftsweisende Technologie wichtig sind, von denen es auf der Erde allerdings immer weniger natürliche Ressourcen finden lassen. Experten sind der Meinung, viele Seltene Erdmetalle hätten sich in den Ozeanen angereichert, allerdings sei es noch zu kostspielig, "Wasserbau" zu betreiben. Vielleicht ändert sich das mit Einführung einer neuen Membranadorber-Technik unter Verwendung hochleistungsfähiger Polymere.

Quellen und weiterführende Literatur

[1] K. Niedergall, M. Bach, T. Hirth, G.E.M. Tovar, T. Schiestel (2014) Removal of micropollutants from water by nanocomposite membrane adsorbers, Sep. Purif. Technol. 131: 60-68
[2] K. Niedergall, M. Bach, T. Schiestel, G.E.M. Tovar (2013) Nanostructured composite adsorber membranes for the reduction of trace substances in water: the example of bisphenol A, Industrial Chemical Research ACS Special Issue: Recent Advances in Nanotechnology-based Water Purification Methods, Ind. Eng. Chem. Res. 52/39 14011, DOI: 10.1021/ie303264r
Guido Deußing

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