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Fixierung durch Agglomeration Mikroplastik mit Hybridkieselgelen aus Wasser entfernen

Autor / Redakteur: Michael Sturm und Dr. Katrin Schuhen* / Dr. Ilka Ottleben

Aus Mikro wird Makro: Ein neues Verfahren entfernt Mikroplastik nachhaltig, einfach und kostengünstig aus Wasser – durch Agglomeration. Dazu verwendet es speziell entwickelte, umweltfreundliche Hybridkieselgele, welche im Verlauf des Entfernungsprozesses mit Mikroplastik zu Feststoffen reagieren. Das Verfahren ist modular aufgebaut, skalierbar sowie adaptiv anpassbar an verschiedenste Belastungssituationen, Umgebungen und Voraussetzungen.

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Abb. 1: Herkömmliche Techniken Mikroplastik aus dem Wasser zu entfernen, sind meist ineffizient oder energieaufwändig. Eine neue Technologie könnte nun Abhilfe schaffen (Symbolbild).
Abb. 1: Herkömmliche Techniken Mikroplastik aus dem Wasser zu entfernen, sind meist ineffizient oder energieaufwändig. Eine neue Technologie könnte nun Abhilfe schaffen (Symbolbild).
(Bild: ©DisobeyArt - stock.adobe.com)

Mikroplastik ist ein globales Umweltproblem. Insbesondere die aquatische Umwelt ist davon betroffen. Besonders problematisch: Einmal in der Umwelt angelangt, ist Plastik nur noch mühsam und Mikroplastik fast unmöglich zu entfernen. Was also tun? Das komplette Meer, alle Seen und Flüsse einmal „durchfiltern“? Das ist nicht möglich. Daher ist es extrem wichtig, den Eintrag von Plastik so gut es geht zu vermeiden bzw. zu verringern.

Um Einträge zu verhindern und die Funktion von mikroplastiksensitiven Wassernutzungsprozessen sicherzustellen, ist es nötig, Mikroplastik aus dem Wasser zu entfernen. Herkömmliche Techniken sind hier jedoch ineffizient oder haben zu hohe Energiekosten. Wasser 3.0 PE-X ist eine neu entwickelte Methode, um Mikroplastik mittels Hybridkieselgelen aus dem Wasser zu entfernen. Die speziell entwickelten Hybridkieselgele sammeln das Mikroplastik in großen Agglomeraten und fixieren es chemisch durch einen wasser­induzierten Reaktionsprozess, wodurch es aufschwimmt und einfach von der Wasseroberfläche abgeschöpft werden kann. Die Vielzahl an existierenden Plastiksorten und die verschiedensten Wässer, aus denen Mikroplastik entfernt werden muss, stellen eine große Herausforderung dar, der die vielseitige Stoffgruppe der Hybridkieselgele jedoch durch ihre Anpassbarkeit bestens gewachsen ist.

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Das Problem (Mikro) Plastik in der Umwelt

Plastik ist in unserem Alltag kaum noch wegzudenken. Seine vielseitigen Eigenschaften und günstige Herstellung machen es im modernen Leben unersetzlich. Seit dem Beginn der Massenproduktion in den 1950er Jahren steigt der weltweite Plastikverbrauch Jahr für Jahr an (s. Abb. 2). Ein Teil des genutzten Plastiks gelangt immer in die Umwelt. Sei es durch nicht sachgerecht entsorgten Plastikmüll, auf dem Meer verlorene Plastikpellets, Kunstfasern, die sich beim Waschen aus Kleidung lösen, Reifenabrieb oder auf zahlreichen anderen Wegen [1].

Plastik ist extrem langlebig und resistent gegenüber Umwelteinflüssen [3]. Der Abbau kann hunderte bis tausende Jahre in Anspruch nehmen, wodurch sich über die Zeit mehr und mehr Plastik in der Umwelt ansammelt. Dort wird es durch Wind, über Flüsse und Seen sowie Meeresströmungen verteilt und ist dadurch heutzutage überall zu finden. Plastik in der Umwelt wird mit der Zeit spröde und zerfällt in immer kleinere Plastikpartikel. Ab einer Größe unter 5 mm spricht man von Mikroplastik, das ein immer größer werdendes Umweltproblem darstellt (s. Abb. 3).

Da Plastik überall in der Umwelt zu finden ist, ist es unumgänglich, dass Organismen mit diesem interagieren. Sie verwechseln es beispielsweise mit Nahrung [4]. Un­zählige Studien konnten bereits nachweisen, dass Mikroplastik verschiedenste schädliche Effekte auf Organismen und Ökosysteme hat. Aus der Umwelt gelangt Mikroplastik natürlich auch in die menschliche Nahrung und das Trinkwasser. Bekannte Beispiele sind Meeresfrüchte, besonders Muscheln, Fisch oder auch Meersalz [5]. Welche Auswirkungen dies auf den Menschen hat, ist derzeit noch unzureichend erforscht [6]. Da Mikroplastik jedoch schädlich für zahlreiche Tierarten ist, kann davon ausgegangen werden, dass es sich auch auf Menschen negativ auswirkt.

Plastikeinträge in die Umwelt verringern

Doch wie lässt sich der Eintrag von Plastik in die Umwelt vermeiden bzw. verringern? Dies kann beispielsweise durch eine bessere Aufklärung der Bevölkerung über die Problematiken von Plastik als Umweltschadstoff oder ein verbessertes Müllmanagement geschehen.

Schätzungen zufolge beträgt der Plastikeintrag in die Umwelt in Deutschland im Mittel 5,4 Kilogramm pro Person und Jahr, wovon 1,4 Kilogramm, also 26 Prozent, Makroplastik ist, welches über unsachgerechte Entsorgung in die Umwelt gelangt. Vier Kilogramm, also 74 Prozent, werden als Mikroplastik in die Umwelt eingetragen [7]. Um dies zu vermeiden oder mindestens zu reduzieren, ist es wichtig, Punktquellen zu erkennen und gegen diese vorzugehen.

Wo macht es Sinn, Mikroplastik zu entfernen?

Wichtige Punktquellen, über die Mikroplastik in die Umwelt gelangt, sind Straßenentwässerungssysteme, insbesondere Retentionsfilterbecken, welche bei Regenabfluss große Mengen Reifenabrieb von den Straßen spülen [8]. Auch industrielle Abwässer, besonders in der Plastikindustrie, können stark mit Mikroplastik kontaminiert sein. Aber auch kommunale Kläranalgen sind wichtige Punktquellen für einen Mikroplastik-Eintrag in die Umwelt. Häusliche Abwässer sind durch Plastikabrieb und durch kunststoffbasierte Kleidungsfasern, welche sich beim Waschen aus der Kleidung lösen, extrem hoch mit Mikroplastik belastet. Auch wenn Kläranlagen bestimmte Anteile des Mikroplastiks entfernen können, ist die Restbelastung dennoch so hoch, dass sie in Kombination mit den abgeführten hohen Abwassermengen zu einem erheblichen Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt führen.

Wieso werden Einträge derzeit nicht verhindert?

Das Problem ist einfach: Es gibt derzeit weder gesetzliche Regularien, Mikroplastikeinträge zu verhindern, noch effiziente und kostengünstige bzw. energieeffiziente Möglichkeiten, Mikroplastik gänzlich aus dem Wasser zu entfernen. Entsprechende Gesetze und Grenzwerte würden Betreiber daher vor unlösbare Aufgaben stellen.

Eine Mikroplastikentfernung ist auch in verschiedenen Wassernutzungsprozessen sinnvoll [8]. Ein Beispiel sind Prozesse der Nahrungsmittelgewinnung, beispielsweise Meersalz. Dabei wird zunächst salzhaltiges Meerwasser in große Becken geleitet. Mit der Zeit verdampft das Wasser und das Salz bleibt zurück, inklusive dem im Meerwasser enthaltenen Mikroplastik. Wird dies als Speisesalz verwendet, gelangt es auf direktem Weg in die menschliche Nahrung.

Aber auch in technischen Wassernutzungsprozessen, bei welchen Mikroplastik stören kann, ist eine Entfernung sinnvoll. Ein Beispiel ist hier die membranbasierte Meerwasserentsalzung, welche besonders in wasserarmen Gebieten immer mehr an Bedeutung gewinnt. Hier wird Wasser mit viel Druck durch Membranen gepresst, welche nur für Wassermoleküle durchlässig sind, nicht aber für das enthaltene Salz. Mikroplastik führt dazu, dass diese Membranen verstopfen. Dies zieht hohe Betriebs- und Wartungskosten und den Einsatz von weiteren Chemikalien mit sich, die wiederum einen Einfluss auf die Wasserqualität und die Umweltwirkung haben.

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