Topic of the Month: March 2015

Polymers make water clean

View of the clarifier a sewage treatment plant. Source: istockphoto

Künstliche Hormone auf der Fahndungsliste

Compounds known as endocrine disruptive chemicals (EDC), that have a very similar impact to hormones, as well as other substances classically categorised as pollutants, such as pesticides or polychlorinated biphenyl (PCB) or polyaromatic hydrocarbons, as well as pharmaceutical drug residue are suspected – among other things – of influencing (hormonal) processes in the human organism and of being harmful to health. They reach the environment due to careless handling or biologically – frequently via drains or toilet flushing. It has not really been established finally as yet whether / that this form of microcontamination is eliminated completely from waste water at sewage works. Scientists from the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) in Stuttgart have examined existing waste water treatment processes and have developed a technology involving the use of innovative new membrane adsorbers, with which not only undesirable larger particles but also such specific dissolved hormonally active substances (EDC) as bisphenol A or toxic lead can be removed from waste water. The combination of classic membrane technology and surface-active polymers is the key to the success of this innovative, targeted waste water treatment technology. 

It was not until January 2015 that the European Food Safety Authority (EFSA) lowered the threshold value for bisphenol A in packaging. The hormonally active bulk chemical is among other things a basic material for polycarbonate from which, for example, CDs, plastic tableware or spectacles glasses are manufactured. Due to its chemical structure, bisphenol A is not completely degraded in the biological stages of treatment plants and is discharged into rivers and lakes by the purification facility.

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