Eliminierung von Spurenstoffen durch Adsorbenzien

Die Verun­reini­gung durch Medika­mente, Biozide und Indus­triechemikalien im Abwass­er nimmt immer weit­er zu. Fraun­hofer-Forschende entwick­eln ein neues Adsorp­tion­s­mit­tel für die Eli­m­inierung von Spuren­stof­fen in kom­mu­nalen Abwässern – auf Basis nachwach­sender Rohstoffe und mit weit­eren Vorteilen gegenüber bish­er ver­wen­de­ter Aktivkohle.

Nicht alle Sub­stanzen wer­den in Kläran­la­gen abge­baut. Rück­stände von Medika­menten, Biozi­den und Indus­triechemikalien etwa gelan­gen daher in die Umwelt. Zwar ver­fü­gen Kläran­la­gen häu­fig über eine nachgeschal­tete Aktivkohlead­sorp­tion, aber auch hier kön­nen diese Spuren­stoffe nur zum Teil zurück­ge­hal­ten wer­den. Hinzu kommt, dass Aktivkohle ein fos­siler Rohstoff ist, der in erster Lin­ie unpo­lare oder we­nig polare Sub­stanzen binden kann. Polare und ion­isierte Stoffe hinge­gen bleiben meist im Wass­er zurück. Hier set­zt das Pro­jekt BioSorb an.

Das Fraun­hofer Umsicht entwick­elt gemein­sam mit dem Fraun­hofer ITWM neue Adsorp­tion­s­mit­tel für die Eli­m­inierung von Spuren­stof­fen in kom­mu­nalen Abwässern. Die Adsorp­tion­s­mit­tel sollen auf nachwach­senden Rohstof­fen basieren und dabei deut­lich ressourcenscho­nen­der und auch selek­tiv­er als herkömm­liche Aktivkohle vorge­hen. Beson­ders pro­tein­basierte Mate­ri­alien sind vielver­sprechende Biosor­ben­zien, da diese weltweit in großem Umfang und end­los vorhan­den sind; oft sog­ar als Abfallstoffe.

Schritt für Schritt zu sauberem Wasser

Dazu wird beim Fraun­hofer Umsicht zunächst ein Screen­ing ver­schieden­er pro­tein­haltiger Mate­ri­alien durchge­führt. Die natür­lich nachwach­senden Rohstoffe wer­den genau unter­sucht und in ersten Adsorp­tionsver­suchen in kleinem Maßstab auf ihre Eig­nung getestet. Erste Ver­suche zeigen, dass oft­mals eine ein­fache chemis­che Behand­lung – wie eine Kom­bi­na­tion aus Säure- und Wärme­be­hand­lung – die Adsorp­tions­fähigkeit deut­lich verbessern kann.

Anschließend wer­den im Rah­men ein­er groß angelegten Ver­such­srei­he vielver­sprechende Mate­ri­alien auf ihre Wirk­samkeit als Adsor­benz gegenüber Per­flu­o­rbu­tan­sul­fon­säure (PFBS) geprüft. PFBS ist ein Vertreter der 850 ver­schiedene Sub­stanzen umfassenden Stof­f­gruppe der per­flu­o­ri­erten Ten­side. Diese sind nahezu über­all ver­bre­it­et, kaum abbaubar und oft gesund­heitss­chädlich. Einge­set­zt wer­den sie z. B. als Impräg­nierungsmit­tel für Papi­er, Klei­dung und viele andere Mate­ri­alien, in Feuer­löschschäu­men und Reini­gungsmit­teln sowie als Anti­s­ta­ti­ka bei der Chipher­stel­lung. Über das Grund- und Ober­flächengewässern gelan­gen sie in Kläran­la­gen, wo sie jedoch nicht abge­baut werden.

Simulationsexpertise

Par­al­lel zur Ver­such­srei­he erfol­gt die Entwick­lung eines numerischen Adsorp­tion­s­mod­ells. Das Fraun­hofer ITWM nutzt dazu selb­st entwick­elte Sim­u­la­tion­swerkzeuge. Dieses Vorge­hen ermöglicht es, in Kom­bi­na­tion mit hoher Rech­n­erka­paz­ität und der Erfahrung mit Sim­u­la­tion­sstu­di­en, die Adsor­ben­zien und ins­beson­dere Effek­te chemis­ch­er Behand­lun­gen mit ein­er Mul­ti­skalen­sim­u­la­tion virtuell zu bewerten.

Basierend auf den Labor­ex­per­i­menten und Erken­nt­nis­sen aus den Sim­u­la­tio­nen opti­mieren die Forschen­den daraufhin die Biosor­ben­zien. In einem näch­sten Schritt wer­den sie in Wass­er getestet, das aus dem Kläran­la­gen­ablauf in Wup­per­tal-Buchen­hofen stammt.