19 Mai 2015

Schadstoffe im Wasser effektiv binden

Neuartige Membranadsorber entfernen unerwünschte Partikel und gelöste Substanzen in niedriger Konzentration aus Abwasser

19 Mai 2015

Neuartige Membranadsorber entfernen nicht nur unerwünschte Partikel aus Wasser, sondern gleichzeitig auch gelöste Substanzen wie das hormonell wirkende Bisphenol A oder giftiges Blei. Hierzu betten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB selektive Adsorberpartikel in Filtrationsmembranen ein.

Schadstoffe im Wasser – Grenzwert von Bisphenol erst kürzlich gesenkt

Erst im Januar 2015 hat die europäische Lebensmittelbehörde EFSA den Grenzwert für Bisphenol A in Verpackungen gesenkt. Die hormonell wirksame Massenchemikalie ist unter anderem ein Ausgangsstoff für Polycarbonate, aus denen beispielsweise CDs, Plastikgeschirr oder Brillengläser hergestellt werden. Aufgrund seiner chemischen Struktur wird Bisphenol A in den biologischen Stufen der Kläranlagen nicht vollständig abgebaut und gelangt so über den Ablauf der Kläranlage in Flüsse und Seen.

Aber auch zahlreiche weitere hormonaktive Stoffe tauchen in sehr geringen Konzentrationen in unserem Trinkwasser auf. Laut einer internationalen Studie hat der Einsatz von hormonaktiven Chemikalien gravierende Folgen für die menschliche Gesundheit. Ihre Beseitigung ist nach Schätzungen von Experten mit Folgekosten von ca. 150 Milliarden EUR verbunden, insbesondere, weil die geringe Konzentration und die dadurch erforderlichen sehr speziellen Methoden zur Aufbereitung von Abwasser sehr zeitaufwendig, die benötigte an an Adsorbermaterialien sehr hoch und die Verfahren daher sehr kostenintensiv sind.

Hauptverursacher sind Pestizide aus der Landwirtschaft

Pestizide in der Landwirtschaft

Foto: Dirk Ingo Franke / CC BY-SA 2.0 de

Hormone sind die Botenstoffe des menschlichen Organismus. Das endokrine System (Hormonsystem) regelt und steuert die Stoffwechselvorgänge von Mensch und Tier. Zum Hormonsystem gehören die endokrinen Drüsen: Zirbeldrüse, Hypophyse, Schilddrüse und Nebenschilddrüsen, Thymus, Nebenniere, Pankreas, Ovar und Hoden. Hormonaktive Stoffe können auch von aussen in den Organismus gelangen. Sie wirken wie Hormone und können das Hormonsystem beeinflussen. Falls sie negative Auswirkungen auf die Gesundheit haben, werden sie «endokrine Disruptoren» genannt, die hauptsächlich aus den Pestiziden der Landwirtschaft, aber auch aus Plastik-Chemikalien und Flammschutzmitteln stammen. Besonders schädlich sind die hormonaktiven Substanzen für den menschlichen Fötus und für Kleinkinder.

Klassische Adsorber bei niedrigen Schadstoffkonzentrationen unwirtschaftlich

Um Chemikalien, Antibiotika oder Schwermetalle aus Ab- oder Prozesswasser zu entfernen, werden bereits Aktivkohle oder andere Adsorbermaterialien eingesetzt. Ein Nachteil dieser hochporösen Materialien ist jedoch die lange Kontaktzeit, die nötig ist, damit die Schadstoffe in das Poreninnere diffundieren können. Damit auch in kürzerer Zeit möglichst alle Schadstoffe abgefangen werden, setzen die Kläranlagen daher größere Adsorbermengen ein, in entsprechend großen Behandlungsbecken. Aktivkohle kann allerdings nur unter hohem Energieeinsatz regeneriert werden, so dass zumeist große Mengen schadstoffbeladenen Materials entsorgt werden müssen.

Auch spezielle Membranfiltrationen mit Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembranen, die prinzipiell solche Schadstoffe entfernen können, sind für die Entfernung gelöster Moleküle in niedriger Konzentration aus großen Volumenströmen wie Prozess- oder Abwasser noch nicht wirtschaftlich. Diese Membranen mit extrem kleinen Filterporen benötigen einen hohen Druck und damit einen hohen Energieaufwand,  um die Wasserinhaltsstoffe abzutrennen.

Modifizierte Membranadsorber IGB Stuttgart

Foto: © Fraunhofer IGB

Hier setzt nun die neuartige Technologie der Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart an: bei der Herstellung ihrer Membranen fügen sie kleine, polymere Adsorberpartikel hinzu. Die entstehenden Membranadsorber können zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden. Die poröse Struktur der Membranen führt zu einer sehr großen spezifischen Oberfläche, so dass viele Partikel eingebttet werden können

Spezielle Membranadsorber ermöglichen Filtern und Binden in einem Schritt

Wie Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeitsgruppe »Anorganische Grenzflächen und Membranen« am Fraunhofer IGB, erläutert, werden die Schadstoffe bei diesen Membranadsorbern anders als bei herkömmlichen Adsorbern konvektiv, das heißt mit dem schnell durch die Membranporen strömenden Wasser transportiert. So genügt eine nur Sekunden dauernde Kontaktzeit aus, um Schadstoffe auf der Partikeloberfläche zu adsorbieren. Bis zu 40 Prozent des Gewichts der Membranadsorber geht auf die Partikel zurück, entsprechend hoch ist ihre Bindekapazität. Gleichzeitig können die Membranadsorber bei niedrigen Drücken betrieben werden. Da die Membranen sehr eng gepackt werden können, lassen sich schon mit kleinen Anlagen sehr große Volumina behandeln.

Funktionelle Adsorberpartikel zur selektiven Entfernung von Schadstoffen und Metallen

Die Adsorberpartikel selbst stellen die Forscher in einem einstufigen, kosteneffizienten Verfahren her. In dem patentierten Prozess werden Monomer-Bausteine mithilfe eines Vernetzers zu 50 bis 500 Nanometer kleinen Polymerkügelchen polymerisiert. Die geschickte Wahl unterschiedlicher Monomere, die sich in ihren funktionellen Gruppen unterscheiden, führt zu sehr selektiven Adsorptionseigenschaften, was in zahlreichen Versuchen nachweisen konnen. So binden Membranadsorber mit Pyridin-Gruppen das hydrophobe Bisphenol A besonders gut, während solche mit Aminogruppen z.B. das negativ geladene Salz des Antibiotikums Penicillin G adsorbieren. Dabei lassen sich die verschiedenen Adsorberpartikel sogar in einer Membran kombinieren. Auf diese Weise können mehrere Mikroschadstoffe gleichzeitig mit nur einem Membranadsorber entfernt werden.

Die Grundlagen der Adsorption (und die Abgrenzung zur Absorption) werden übrigens sehr gut in folgendem Video erläutert:

Der Inhalt ist nicht verfügbar.
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(Video: YouTube / Standard-YouTube-Lizenz, © SHArPEdgeGlobal)

Wirtschaftlich und regenerierbar

Damit die Membranadsorber mehrfach verwendet werden können, müssen die adsorbierten Schadstoffe wieder von den Partikeln in der Membran gelöst werden. Die vom IGB hergestellten Materialien erfüllen diese Bedingung: die konzentrierten Schadstoffe können dann wirtschaftlich entsorgt oder mit geeigneten oxidativen Verfahren abgebaut werden. Die Regenerierbarkeit der Membranadsorber eröffnet somit eine weitere Anwendung: die abgetrennten Moleküle wiederzuverwerten. Das macht die Technologie auch für die Rückgewinnung wertvoller Edelmetalle oder Seltene-Erden-Metalle interessant.

Alles in allem eine sehr interessante technische Variante, Abwasser, das mit Verunreinigungen in sehr geringer Konzentration belastet ist, wirkungsvoll und wirtschaftlich zu reinigen, gesundheitsgefährdende Verunreinigungen mit hormonell aktiven Substanzen zu entfernen und dieses Abwasser einer erneuten Verwendung zuzuführen.

Für weitere Fragen rund um die Themenbereiche der vier Elemente Wasser, Erde, Feuer und Luft wie Trinkwasserqualität und -hygiene, Prozesswasseraufbereitung, Hygiene und Desinfektion sowie passiven Wärmeschutz von Gebäuden schauen Sie sich gerne die Beiträge auf meiner Web-Site an und nutzen Sie das Kontaktformular der Web-Site für Ihre spezielle Anfrage.

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