Schadstoffe im Wasser einfach binden

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

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 man aufwenden, um die Wasserinhaltsstoffe abzutrennen.

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. Man nutzt die unter der Trennschicht der Membran liegende poröse Struktur. Die Poren bieten nicht nur eine sehr hohe spezifische Oberfläche, um möglichst viele Partikel einbetten zu können, sondern sind auch optimal zugänglich, so Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeitsgruppe „Anorganische Grenzflächen und Membranen“ am Fraunhofer IGB.

Da die Schadstoffe beim IGB-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. 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.

Die Adsorberpartikel selbst stellen die Forscher in einem einstufigen, kosteneffizienten Verfahren her. In dem patentierten Prozess werden Monomerbausteine mithilfe eines Vernetzers zu 50 bis 500 Nanometer kleinen Polymerkügelchen polymerisiert. Je nachdem, welche Stoffe aus dem Wasser entfernt werden sollen, werden aus einer Reihe unterschiedlicher Monomere, 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.

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 Pyridingruppen das hydrophobe Bisphenol A besonders gut, während solche mit Aminogruppen das negativ geladene Salz des Antibiotikums Penicillin G adsorbieren.

Die verschiedenen Adsorberpartikel lassen sich sogar in einer Membran kombinieren. Auf diese Weise können mehrere Mikroschadstoffe gleichzeitig mit nur einem Membranadsorber entfernt werden. 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 5 Gramm Blei pro Quadratmeter Membranfläche – 40 % mehr als ein kommerziell erhältlicher Membranadsorber.

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. 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 wertvoller Edelmetalle oder Seltene-Erden-Metalle interessant.

Literatur: 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

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

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