Sonnenlicht für effektive Wasseraufbereitung

Weltweit wird das Trinkwass­er durch Mikroschad­stoffe wie zum Beispiel Steroid­hor­mone verun­reinigt und gefährden bere­its in kle­in­sten Men­gen die Gesund­heit der Men­schen und die Umwelt erhe­blich. Gut skalier­bare Tech­nolo­gien zur Wasser­auf­bere­itung, die sie effizient und zukun­fts­fähig ent­fer­nen, fehlen bis­lang. Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler des Karl­sruher Insti­tuts für Tech­nolo­gie (KIT) haben ein neues chemis­ches Ver­fahren zur Elim­i­na­tion der Hor­mone entwick­elt. Es macht sich die Mech­a­nis­men der Pho­tokatal­yse zunutze und ver­wan­delt die Schad­stoffe in poten­ziell sichere Oxi­da­tion­spro­duk­te. Darüber berichtet das Team in der Fachzeitschrift Applied Catal­y­sis B: Environmental.
Organ­is­che Schad­stoffe – Arzneimit­tel, Pes­tizide und Hor­mone – kon­t­a­minieren das Trinkwass­er bere­its in ein­er Konzen­tra­tion im Nanobere­ich so, dass erhe­bliche Risiken für Men­schen, Tiere und Umwelt entste­hen. Vor allem die Steroid­hor­mone Estron, Estra­di­ol, Prog­es­teron und Testos­teron kön­nen bei Men­schen und Wildtieren biol­o­gis­che Schä­den verur­sachen. Die Europäis­che Union hat deswe­gen strenge Min­destqual­itäts­stan­dards für ein­wand­freies und sauberes Trinkwass­er fest­gelegt, denen auch die Entwick­lung neuer Tech­nolo­gien für die Wasser­auf­bere­itung Rech­nung tra­gen muss. „Die Her­aus­forderung für die Wis­senschaft ist, sen­si­blere Meth­o­d­en zu entwick­eln, um die Hor­mon-Moleküle anzu­greifen“, sagt Pro­fes­sorin Andrea Iris Schäfer, Lei­t­erin des Insti­tute for Advanced Mem­brane Tech­nol­o­gy (IAMT) des KIT. Das Haupt­prob­lem: Steroid­hor­mone sind im Wass­er sehr schw­er nach­weis­bar. „Auf eine Tril­lion Wasser­moleküle kommt ein Hor­mon­molekül. Das ist eine extrem niedrige Konzen­tra­tion“, erk­lärt die Expertin.

Mikroschadstoffe aufspüren – und entfernen

Mit herkömm­lichen Tech­nolo­gien der Wasser­auf­bere­itung kön­nen Kläran­la­gen die Mikroschad­stoffe wed­er find­en noch beseit­i­gen. Forschende des IAMT und des Insti­tuts für Mikrostruk­turtech­nolo­gie (IMT) des KIT arbeit­en deswe­gen an neuen Meth­o­d­en, mit deren Hil­fe sie Mikroschad­stoffe nicht nur auf­spüren und messen, son­dern auch ent­fer­nen kön­nen. Als erfol­gver­sprechend erweist sich ein neues, pho­tokat­alytis­ches Ver­fahren. Die Wis­senschaftler und Wis­senschaft­lerin­nen beschicht­en eine han­del­sübliche groß­porige Poly­mer­mem­bran mit Pd(II)-Porphyrin, einem pal­la­di­umhalti­gen, lichtempfind­lichen Molekül, das sicht­bare Strahlen absorbieren kann. Die Bestrahlung mit simuliertem Son­nen­licht set­zt einen chemis­chen Prozess in Gang, bei dem soge­nan­nter Sin­gulett-Sauer­stoff, eine hochreak­tive Sauer­stoff-Spezies, entste­ht. Der Sin­gulett-Sauer­stoff „attack­iert“ gezielt die Hor­mon-Moleküle und wan­delt sie in poten­ziell sichere Oxi­da­tion­spro­duk­te um. „Entschei­dend ist, dass wir die Ober­fläche jed­er einzel­nen Pore mit dem Pho­to­sen­si­bil­isator­molekül beschicht­en und so die Angriffs­fläche ver­größern“, erläutert Roman Lyu­bi­menko, Wis­senschaftler am IAMT und IMT.

Konzentration von Estradiol ließe sich deutlich reduzieren

Der chemis­che Abbau von Steroid­hor­mo­nen und die Fil­tra­tion ander­er Mikroverun­reini­gun­gen kön­nen dabei in einem Mod­ul real­isiert wer­den. Das Ver­fahren ermöglicht die Fil­tra­tion von 60 bis 600 Litern Wass­er pro Quadrat­meter Mem­bran in ein­er Stunde. Die Konzen­tra­tion von Estra­di­ol, dem biol­o­gisch aktivsten Steroid­hor­mon, kön­nen die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler dabei um 98 Prozent von 100 auf 2 Nanogramm pro Liter reduzieren. „Damit kom­men wir dem EU-Ziel­w­ert von einem Nanogramm pro Liter schon sehr nahe“, betont Schäfer. Ziel des Forschung­steams ist es jet­zt, den pho­tokat­alytis­chen Prozess weit­er zu opti­mieren und in einen größeren Maßstab zu über­tra­gen. Offene Fra­gen sind unter anderem, welche Licht­in­ten­sität und wieviel Por­phyrin er braucht und ob das kost­spielige Pal­la­di­um aus der Gruppe der Plat­in­metalle durch andere Met­alle erset­zt wer­den kann.