Schadstoffe im Wasser einfach binden

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.

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.

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, sodass zumeist große Mengen schadstoffbeladenen Materials entsorgt werden müssen.

Auch die Membranfiltration mit Nanofil­trations- oder Umkehrosmosemembranen, die prinzipiell solche Schadstoffe entfernen können, ist für die Entfernung gelöster Moleküle aus großen Volumenströmen wie Prozess- oder Abwasser noch nicht wirtschaftlich. Membranen filtern das Wasser durch ihre Poren, wenn auf einer Seite der Membran ein Druck aufgebaut wird und halten dabei größere Moleküle und Feststoffpartikel zurück. Je kleiner die Mem­branporen aber sind, desto größeren Druck – und damit desto mehr Energie – muss aufgewendet werden, um die Wasserinhaltsstoffe abzutrennen.

Membranadsorber – Filtern und Binden in einem Schritt

Einen neuen Ansatz, der die Vorteile beider Verfahren kombiniert, haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart gewählt: Bei der Herstellung der Membranen fügen sie kleine, polymere Adsorberpartikel hinzu. Die entstehenden Membranadsorber können zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden. Wie Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeitsgruppe Anorganische Grenzflächen und Membranen am Fraunhofer-IGB erläutert, wird dazu die unter der Trennschicht der Membran liegende poröse Struktur genutzt. Die Poren bieten nicht nur eine sehr hohe spezifische Oberfläche, um möglichst viele Partikel einbetten zu können, sondern sind auch optimal zugänglich.

Da die Schadstoffe bei den neuen Membran­adsorbern anders als bei den herkömmlichen Adsorbern konvektiv, das heißt mit dem schnell durch die Membranporen strömenden Wasser transportiert werden, reicht nach Aussage von Dr. Thomas Schiestel eine nur Sekunden dauernde­ Kontaktzeit aus, um Schadstoffe auf der Partikeloberfläche zu adsorbieren. Bis zu 40 % 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

Die Adsorberpartikel selbst stellen die Forscher in einem einstufigen, kosteneffizienten Verfahren her. In dem patentierten Prozess werden Monomer-Bausteine mithilfe eines Vernetzers zu 50 Nanometer bis 500 Nanometer kleinen Polymerkügelchen polymerisiert. Je nachdem, welche Stoffe­ aus dem Wasser entfernt werden sollen, wird aus einer Reihe von unterschiedlichen Monomeren, die sich in ihren funktionellen Gruppen unterscheiden, das jeweils passende ausgewählt. Die Bandbreite reicht dabei von eher hydrophobem Pyridin, über kationische Ammoniumverbindungen bis hin zu anionischen Phosphonaten.

Selektive Entfernung von Schadstoffen und Metallen

In verschiedenen Tests konnten die Forscher zeigen, dass die Membranadsorber durch die für den jeweiligen Schadstoff maßgeschneiderten Partikel 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. Die verschiedenen Adsorberpartikel lassen sich nach Aussage von Dr. Schiestel sogar in einer Membran kombinieren. Auf diese Weise lassen sich mehrere Mikroschadstoffe gleichzeitig mit nur einem Membranadsorber entfernen. Mit anderen funktionellen Gruppen bestückt, können die Membranadsorber auch toxische Schwermetalle wie Blei oder Arsen aus dem Wasser entfernen. Phosphonat-Membranadsorber etwa adsorbieren mehr als fünf Gramm Blei pro Quadratmeter Membranfläche – 40 % 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. Membranadsorber für Bisphenol A lassen sich durch eine Verschiebung des pH-Werts vollständig regenerieren, wie Dr. Schiestel erläutert. Die konzentrierten Schadstoffe können dann wirtschaftlich entsorgt oder mit geeigneten oxidativen Verfahren abgebaut werden.

Die Regenerierbarkeit der Membranadsorber eröffnet zudem eine weitere Anwendung: die abgetrennten Moleküle wiederzuverwerten. Das macht die Technologie auch für die Rückgewinnung von wertvollen Edelmetallen oder Seltene-Erden-Metallen interessant.

Originalliteratur

K. Niedergall, M. Bach, T. Hirth, G. E. M. Tovar, T. Schiestel: Removal of micropollutants from water by nanocomposite membrane adsorbers; Sep. Purif. Technol. 131: 60–68, 2014

K. Niedergall, M. Bach, T. Schiestel, G.E.M. Tovar: 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, 2013,
DOI: 10.1021/ie303264r

www.igb.fraunhofer.de

Text zum Titelbild: In der porösen Trägerstruktur der Membranadsorber sind winzige Polymerpartikel eingebettet, die Schadstoffe aus dem Wasser binden (Bild: ©Fraunhofer-IGB)