Nanopartikel reinigen stark verschmutzte Grund- und Abwässer
VDI nachrichten, Düsseldorf, 13. 7. 07, swe – Gebräuchliche Verfahren für die Reinigung von Grund- und Abwässern sind in der Regel aufwendig und oftmals teuer. Zwei neuere Methoden, um stark verschmutzte Wässer zu entgiften, machen sich die heilende Wirkung von Nanopartikeln zu eigen. Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig (UFZ) entwickelten diese patentierten Techniken.
Wasser wirksam und ökologisch akzeptabel von Giften zu reinigen, ist eine naturwissenschaftliche und technologische Herausforderung. Denn ein universell einsetzbares Verfahren gibt es infolge der Vielzahl von Giften in belasteten Gewässern nicht.
„Oft geht die toxische Wirkung von Verbindungen aus, die bisher noch nicht wahrgenommen wurden und durch Licht, Luft oder nur in Kombination mit anderen Stoffen ein Gefahrenpotenzial entwickeln“, betont Mario Schirmer, Geophysiker am Department für Hydrogeologie des Umweltforschungszentrums Leipzig (UFZ).
Eine unvollständige chemische Umwandlung der Schadstoffe kann die Toxizität des Wassers sogar erhöhen, statt sie zu verringern. Katrin Mackenzie, Chemikerin im UFZ-Department für Umwelttechnologie: „Beispielsweise entstehen bei einer unvollständigen Oxidation aus chlorierten Phenolen auch die bekannten chlorierten Dibenzidioxine und -furane, Verwandte des Seveso-Gifts.“
Herkömmliche Methoden sind oft teuer. Als Alternative entwickelten Forscher des UFZ um den Chemiker Frank-Dieter Kopinke zwei neuartige Technologien. Die Arbeitsgruppe machte sich dabei die reinigende Wirkung von Mikro- und Nanopartikeln zunutze.
Dabei griffen sie auf zwei bekannte Verfahren zurück: die Bindung von Schadstoffen an Aktivkohle und ihre Zerstörung mit Hilfe von Eisen. Aktivkohle bindet viele Schadstoffe an sich, Eisen wiederum knackt gefährliche Chlorkohlenwasserstoffe (CKW), indem es Elektronen an das Chlor abgibt. Übrig bleiben einfache Salze und Kohlenwasserstoffe. Beide Methoden sind in der Grundwasserreinigung erprobt, ihre Vor- und Nachteile bekannt.
Frank-Dieter Kopinkes Team gelang es nun erstmals, mit einem Trick beide Verfahren zu kombinieren. Sie stellten eine kolloidale Suspension her, die direkt in den Grundwasserleiter injizierbar ist – egal ob an der Schadstoffquelle oder in einem anderen Bereich des verschmutzen Grundwasserleiters.
Zuerst zermahlten die Chemiker Aktivkohle in mikroskopisch feine Teilchen – sogenannte Kolloide – bis zu einer Größe von etwa 1000 nm. Damit machten sie die Aktivkohle zunächst in Wasser suspendierbar, also fast wasserlöslich. An diese Mikroteilchen lagerten sie natürliche Huminstoffe an, die dem Gemisch mehr Stabilität und Mobilität verschaffen. Huminstoffe sind natürliche organische Makromoleküle, die sich beim Abbau von Pflanzenresten im Boden bilden.
Um der Schadstoff sammelnden kolloidalen Aktivkohle nun noch die Eigenschaft chemischer Reaktivität zu geben, erzeugten die Forscher als reaktive Komponente in der Aktivkohle kleine Nano-Eisencluster mit einer Größe von ca. 10 nm. Dieses kolloidales Reagenz mit dem Namen „Carbo-Iron“ eignet sich nach Angaben des UFZ gut für die Reinigung von Grundwasser. In unterirdischen Schadstofffahnen des Grundwassers schwebend binden und zerstören die Kolloide die Gifte.
Jetzt tüfteln die Forscher an einer Übertragung der Methode auf den technischen Maßstab und die Erprobung ihrer Ideen im Feldversuch. Kopinke: „Es wäre dringend nötig, die Kapazitäten zu diesen Forschungsarbeiten in Deutschland stärker zu bündeln, um der harten Konkurrenz aus Nordamerika Paroli bieten zu können.“
Die Leipziger suchen einen Partner in Deutschland, der das patentierte Reagenz in Lizenz herstellt und das Verfahren am Markt einführt. Unter anderen solle es am Chemiestandort Bitterfeld eingesetzt werden, wo zu DDR-Zeiten riesige Mengen CKW versickerten. Erwartet werden Sanierungskosten, die deutlich unter denen konventioneller Methoden liegen.
Den Leipziger Chemikern und Ingenieuren gelang auch ein weiterer Clou durch Anwendung von Nanotechnologie für die Abwassersanierung. Sie behandelten Magnetit in Form von Nanoteilchen mit kleinsten Mengen Palladium. Der Trick dabei: Palladium auf Nano-Magnetit ist ein extrem aktiver Katalysator für die Zerstörung von chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW) und gleichzeitig magnetisch.
Das Spektrum an CKW, die mit diesem Katalysator eliminiert werden können, ist noch viel breiter als der Anwendungsbereich des Eisens. So werden auch aromatische Chlorkohlenwasserstoffe schnell und glatt dechloriert, an denen Eisen sich die Zähne ausbeißt. Der gebrauchte Nanokatalysator kann mithilfe von Elektro- oder Permanentmagneten aus dem gereinigten Wasser wieder abgeschieden und erneut verwendet werden.
Zur Frage nach unerwünschten toxikologischen Nebenwirkungen derartiger Nanoteilchen für Umwelt und Mensch erklärt Chemikerin Katrin Mackenzie: „Wir untersuchen gegenwärtig in Zusammenarbeit mit dem Department für Zelltoxikologie des UFZ in vitro humane Haut- und Leberzellen. Der Grund: Die hochreaktiven Palladium-Nanopartikel sind wesentlich kleiner als die Carbo-Iron-Teilchen, die für Organismen unschädlich sind.“
Ungeklärt bei den Palladiumteilchen ist, ob sie die Zellmembranen durchdringen und in den Zellen Schäden hervorrufen können. Es ist bekannt, dass bestimmte Nanopartikel die Blut-Hirn-Schranke durchdringen können, spezielle Nanoteilchen können Lungenkrankheiten auslösen. Es sind also noch einige Hürden bis zum praktischen Einsatz der Palladium-Magnetit-Nanotechnik in der Abwassersanierung zu überwinden. B. DORRA/E. WILMS
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