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Warum braucht es neue Methoden?

Das erste woran man beim Entfernen von Mikroplastik aus Wasser denkt, ist wohl Filtration [8]. Doch die ist nicht so einfach. Umso kleiner die Partikel werden, die aus dem Wasser gefiltert werden sollen, umso höher ist der technische Aufwand. Es wird mehr Druck benötigt, um das Wasser durch die kleinen Poren zu pressen und ein Verstopfen zu verhindern. Somit steigen die Energiekosten. Um Plastik im Mikro- und Nanometerbereich effizient abtrennen zu können, braucht es eine Membranfiltrationsanlage. Hier gibt es zusätzlich das Problem, dass die Poren durch verschiedenste Ablagerungen auf der Membran mit der Zeit verstopfen. Auch ein Bakterienbewuchs, die Ausbildung eines so genannten Biofilms, wird bei lang anhaltendem Betrieb zum Problem.

Eine Möglichkeit, um die Effizienz bei der Filtration von Feststoffen zu erhöhen, ist die Zugabe von Flockungsmitteln [8]. Diese interagieren mit der Oberfläche der abzutrennenden Partikel, führen dazu, dass sich diese zusammenlagern, so ihre Größe erhöhen und dadurch einfacher abzutrennen sind. Jedoch hat Plastik hier das Problem, dass es unzählige Plastiksorten mit unzähligen Stoffeigenschaften und somit auch stark variierende Oberflächenchemie gibt (s. Abb. 4). Hier ein geeignetes Flockungsmittel zu finden, welches für alle Plastikarten funktioniert, ist schwierig und bis dato nicht gelungen. Die meisten Flockungsmittel sind eisen- oder aluminiumbasiert und daher in ihrer Anpassbarkeit begrenzt. Polyelek­trolytbasierte Flockungsmittel sind variabler, haben aber das Problem, dass sie durch ihre Wasserlöslichkeit in die Umwelt eingetragen werden und dort schädliche Effekte zeigen können.

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Neue Methode mit hohem Potenzial

Erkennend, dass herkömmliche Technologien den aktuellen Pro­blemstellungen der Wasser- und Abwasseraufbereitung, wie der Entfernung von Mikroplastik, nicht gewachsen sind, beschäftigt sich das Projekt Wasser 3.0 seit 2012 mit neuen Ansätzen zur Entfernung von Schadstoffen und Mikroschadstoffen aus Wasser [9]. Wasser 3.0 PE-X ist eine dabei entstandene neuartige Methode, um Mikroplastik effizient und nachhaltig aus dem Wasser zu entfernen [10–13].

Dabei werden mikroplastikkontaminiertem Wasser Hybridkieselgele zugegeben, welche sich an die kleinen Plastikpartikel anhaften und es in großen Agglomeraten sammeln. Die Hybridkieselgele verfügen über eine hohe Reaktivität, welche nach der Zugabe in Wasser zum Tragen kommt. In einem wasserinduzierten Reaktionsprozess verknüpfen sich die Hybridkieselgele miteinander und bilden somit einen Feststoff aus, welcher das zuvor gesammelte Mikroplastik in den Agglomeraten einschließt und somit fixiert. Diese großen Agglomerate schwimmen auf und lassen sich einfach aus dem Wasser abschöpfen. Im Technikumsmaßstab konnte dies das erste mal bereits 2017 erfolgreich erprobt werden [11].

Seitdem wird die Methode kontinuierlich weiterentwickelt und unter wissenschaftlicher Begleitung pilotiert. Herausforderungen gibt es viele, Hybridkieselgele müssen beispielsweise fähig sein, die bereits zuvor beschriebene Vielzahl an unterschiedlichsten Plastiksorten (<200) agglomerieren zu können. Eine weitere Herausforderung sind die verschiedenen Wasserzusammensetzungen, in denen der Prozess stattfinden soll. Ob in kommunalem Abwasser, industriellem Prozesswasser oder Meerwasser – die jeweiligen Eigenschaften des Wassers beeinflussen die Reaktivität der Hybridkieselgele.

Hybridkieselgele – modular und anpassungsfähig

Hybridkieselgele sind eine umfassende chemische Substanzklasse, welche eine hohe Variabilität und einfache chemische Modifizierbarkeit aufzeigt. Diese Diversität bedeutet für Wasser 3.0 PE- X – als neues Verfahren – ein enormes Potenzial, die genannten Herausforderungen zu bewältigen.

Hybridkieselgele besitzen ein zentrales Siliziumatom, an welches reaktive und organische Gruppen gebunden sind. Die organische Gruppe führt zu der Interaktion mit der Oberfläche von Mikroplastik und ermöglicht die Anhaftung an dieses. Somit kann über die Wahl der organischen Gruppe eine Anpassung an verschiedenste Plastiksorten erfolgen, um diese möglichst effizient zu entfernen [13]. Für den praktischen Einsatz können so anwendungsspezifische Mischungen, angepasst an die jeweilige Mikroplastikbelastung, hergestellt werden.

Um eine optimale Agglomerations-Fixierung bzw. Mikroplastikentfernung zu erhalten, ist es zusätzlich essenziell, eine optimale Balance zwischen Agglomeration und Fixierungsgeschwindigkeit zu erhalten. Über die Wahl der reaktiven Gruppen wird die Geschwindigkeit der Fixierung der Mikroplastik­agglomerate beeinflusst. Die
Fixierungsgeschwindigkeit hängt zusätzlich von der Wasserzusammensetzung ab. Eine Anpassung an verschiedenste Einzugsgebiete, beispielsweise Industrieabwässer, kann somit über die reaktiven Gruppen erfolgen. Die Vielzahl der vorhandenen Hybridkieselgele in Kombination mit ihrer einfachen chemischen Modifizierbarkeit eröffnet unendliche Möglichkeiten.

Hybridkieselgele – ist ihr Einsatz unbedenklich?

Der große Vorteil bei der Anwendung von Hybridkieselgelen zur Mikroplastikfixierung liegt darin, dass sie durch den zuvor beschriebenen wasserinduzierten Reaktionsprozess abreagieren und zu einen Feststoff werden. Somit kann sichergestellt werden, dass keinerlei Hybridkieselgele mehr in Lösung vorliegen, was ein Gefährdungspotenzial ausschließt.

Nachgewiesen und kontrolliert wird dies mittels DOC (Dissolved Organic Carobon) Messung. Diese Messmethode kann schnell und einfach gelösten organischen Kohlenstoff im Wasser quantifizieren. Da die Hybridkieselgele teilweise aus organischem Kohlenstoff bestehen, würden diese, falls sie gelöst im Wasser vorliegen, direkt detektiert werden. Über DOC-Messungen kann im Labor, aber auch im laufenden Prozess, sichergestellt werden, dass die Hybridkieselgele vollständig abreagieren und nicht mehr im Wasser sind. Des Weiteren werden die Hybrid­kieselgele vor ihrem tatsächlichen Einsatz zusätzlich ökotoxikologisch geprüft. Die Gele werden in Mengen, welche die Anwendung bei Weitem übersteigen, in Wasser gegeben und anschließend wird in unterschiedlichen Tests analysiert, ob sich dieses auf verschiedene Wasserorganismen schädlich auswirkt. Dies stellt eine zusätzliche Absicherung dar und hat gezeigt, dass die Anwendung der Hybridkieselgele komplett unbedenklich ist.

Referenzen:

[1] J. Boucher, D. Friot, Primary microplastics in the oceans: A global evaluation of sources, IUCN, Gland, Switzerland, 2017.

[2] PlasticsEurope, Plastics – the Facts 2020, An analysis of European latest plastics production, demand and waste data, Brussels, Belgium: Association of Plastics Manufacturers, 2020, https://www.plasticseurope.org/de/resources/publications/196-plastics-facts-2013, accessed 30 March 2021.

[3] K. Zhang, A.H. Hamidian, A. Tubić, Y. Zhang, J.K.H. Fang, C. Wu, P.K.S. Lam, Understanding plastic degradation and microplastic formation in the environment: A review, Environmental pollution (Barking, Essex 1987) 274 (2021) 116554.

[4] T.S. Galloway, M. Cole, C. Lewis, Interactions of microplastic debris throughout the marine ecosystem, Nature ecology & evolution 1 (2017) 116.

[5] K.D. Cox, G.A. Covernton, H.L. Davies, J.F. Dower, F. Juanes, S.E. Dudas, Human Consumption of Microplastics, Environmental science & technology 53 (2019) 7068–7074.

[6] S.L. Wright, F.J. Kelly, Plastic and Human Health: A Micro Issue?, Environmental science & technology 51 (2017) 6634–6647.

[7] R. Bertling, J. Bertling, L. Haman, Kunststoffe in der Umwelt: Mikro- und Nanoplastik, https://www.umsicht.fraunhofer.de/content/dam/umsicht/de/dokumente/publikationen/2018/kunststoffe-id-umwelt-konsortialstudie-mikroplastik.pdf, accessed 14 June 2019.

[8] K. Schuhen, M.T. Sturm, Microplastic Pollution and Reduction Strategies, in: T. Rocha-Santos, M. Costa, C. Mouneyrac (Eds.), Handbook of Microplastics in the Environment, Springer International Publishing, Cham, 2020, pp. 1–33.

[9] M. Sturm, M. Rudloff, P. Bimmler, A. Herbort, B. Ney, N. Poppelreiter, K. Schuhen, Neue Ansätze zur Reduktion anthropogener Stressoren aus dem aquatischen Umfeld, WWT (2018).

[10] M.T. Sturm, A.F. Herbort, H. Horn, K. Schuhen, Comparative study of the influence of linear and branched alkyltrichlorosilanes on the removal efficiency of polyethylene and polypropylene-based microplastic particles from water, Environmental Science and Pollution Research 27 (2020) 10888–10898.

[11] A.F. Herbort, M.T. Sturm, K. Schuhen, A new approach for the agglomeration and subsequent removal of polyethylene, polypropylene, and mixtures of both from freshwater systems - a case study, Environmental science and pollution research international (2018) 15226–15234.

[12] M. Sturm, K. Schuhen, Nachhaltige Entfernung von Mikroplastik aus Abwasser- die "flüssigen Partikelsammler" PE-X®, Analytik-News – Das Online-Labormagazin (2019) 1–5.

[13] M.T. Sturm, H. Horn, K. Schuhen, Removal of Microplastics from Waters through Agglomeration-Fixation Using Hybridkieselgeles—Effects of Polymer Types, Water Composition and Temperature, Water 13 (2021) 675.

* M. Sturm, Dr. K. Schuhen, Wasser 3.0 gGmbH, 76187 Karlsruhe

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