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Neue Filtertechnik Doppelschlag gegen hormonbelastetes Trinkwasser

Autor / Redakteur: Tu-Mai Pham-Huu* / Christian Lüttmann

Im Körper sind sie für viele Prozesse verantwortlich, doch im Trinkwasser haben Hormone nichts zu suchen, können doch schon winzige Restkonzentrationen unsere Gesundheit gefährden. Die Hormone aus dem Wasser herauszufiltern ist alles andere als einfach. Mit einer neuen Technologie rücken Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ihnen nun zu Leibe.

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Das am KIT entwickelte Filter-Verfahren kombiniert die Vorteile der Bindung von Mikroschadstoffen mit Aktivkohle mit denen der Ultrafiltration.
Das am KIT entwickelte Filter-Verfahren kombiniert die Vorteile der Bindung von Mikroschadstoffen mit Aktivkohle mit denen der Ultrafiltration.
(Bild: Sandra Göttisheim, KIT)

Karlsruhe – Es gibt einige Gründe, warum man alte Medikamente nicht in der Toilette entsorgen sollte. Einer davon ist, dass so Hormone aus entsprechenden Präparaten ins Abwasser gelangen. Und obwohl die Konzentrationen sehr niedrig sind, können sie zusammen mit anderen Quellen wie dem Urin von Frauen, die per Pille verhüten, ausreichen, um beim Menschen unerwünschte biologische Wirkung zu entfalten. Denn die Hormone werden mit heutiger Technik kaum bis gar nicht in den Klärwerken aus dem Trinkwasser entfernt.

„Die Verunreinigung des kommunalen Trinkwassers mit Mikroschadstoffen könnte sich zu einer der größten Herausforderungen für den Schutz unserer Gesundheit und Umwelt entwickeln“, glaubt Prof. Andrea Schäfer von der Membrantechnologie am Institut für funktionelle Grenzflächen des KIT. Mit ihrem Team führte sie Studien zur Beseitigung der Sexualhormone Estrone, Estradiol, Progesteron und Testosteron durch. Ihr Anteil in einem Liter Wasser, in das behandelte Abwässer eingeleitet werden, beträgt rund 100 Nanogramm. „Das gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, sagt Schäfer. „Und doch sind diese Hormone in solchen Konzentrationen wirksam“. Die geringe Konzentration und Größe der Hormon-Moleküle erschweren nicht nur ihren Nachweis mittels analytischer Verfahren, sondern vor allem auch ihre Beseitigung.

Zwei Strategien in einem Filtersystem

Ein neues, in der Membrantechnologie entwickeltes Verfahren verbindet die Vorteile von zwei Verfahren in einer Anwendung: der Adsorption von Mikroschadstoffen an Aktivkohle und der Ultrafiltration von Schadstoffpartikeln durch eine semipermeable Membran. In einem integrierten System wird das Abwasser zunächst durch eine Polymermembran „gedrückt“, die Mikroorganismen und größere Verunreinigungen herausfiltert. Dahinter liegt eine Schicht aus spezieller Aktivkohle, die ursprünglich für Luftfilter entwickelt wurde.

Die Oberfläche der Aktivkohle hat nicht nur eine besondere Affinität gegenüber Hormonen, welche sie wie magnetisch anzieht und festhält. Sie bietet auch die Kapazitäten, um große Wassermengen durchfließen zu lassen und viele Moleküle zu binden. Dies alles geschieht mit sehr viel weniger Energie als bei Alternativverfahren wie der Umkehrosmose.

Bis zu zehnfach geringere Belastung

„Die spezielle Konfiguration aus aktiviertem Kohlenstoff und einer Polymermembran ist wasserabweisend, erlaubt dank der großen spezifischen Oberfläche der eingesetzten Kohlenstoffpartikel einen hohen Wasserdurchfluss und sie arbeitet schnell und energiesparsam“, fasst Schäfer die Vorteile zusammen. Die Adsorptionsschicht ist mit rund zwei Millimetern extrem dünn, sorgt den Forschern zufolge aber für eine Beseitigung von Hormonmolekülen in einer realistischen Größenordnung.

In Laborversuchen hat sich gezeigt, dass mit diesem Verfahren bei einem Inhalt von neun Litern Wasser und einer sehr kleinen Membranfläche von 38 Quadratzentimetern 60 Prozent der hormonellen Schadstoffe eliminiert werden können. Abhängig von der Dicke der Adsorptionsschicht kann dieser Wert auf bis zu 90 Prozent steigen.

Bereit für den Großeinsatz?

„Wir glauben, dass wir eine vielversprechende Technologie entwickelt haben, mit der wir bei der Elimination von hormonellen Mikroschadstoffen aus Wasser einen großen Schritt weiter kommen“, betont Matteo Tagliavini, Doktorand in Schäfers Gruppe und Mitautor der aktuellen Publikation.

Die Kompositmembran ist flexibel und in unterschiedlichen Modulen einsetzbar. Damit eignet sie sich für industrielle Großanlagen ebenso wie für Anwendungen in kleinerem Maßstab bis hin zum häuslichen Wasserhahn. Dass das eingesetzte Material bereits zugelassen ist, erleichtert die Überführung des neuen Verfahrens in die Praxis. Ein erstes Industrieprojekt ist bereits in Planung.

Originalpublikation: Matteo Tagliavini, Andrea I.Schäfer: Removal of steroid micropollutants by polymer-based spherical activated carbon (PBSAC) assisted membrane filtration. Journal of Hazardous Materials, Volume 353, 5 July 2018, Pages 514-521, DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.03.032

* T.-M. Pham-Huu, Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Karlsruhe

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