Teilchen-„Filterblasen“ Mikroplastik: Neues Erkennungs- und Abscheideverfahren

Einmal im Abwasser lässt sich Mikroplastik mit gängigen Klärtechnologien bislang kaum wieder daraus entfernen. Nun wollen Forscher eine neue Technologie entwickeln, die genau dies leistet und dabei gewissermaßen zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt: Das Entfernen und den gleichzeitigen Nachweis der Kleinstpartikel.

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TU Bergakademie Freiberg Institut für Mechanik und Fluiddynamik

Mikroplastik ist nicht nur in der öffentlichen Diskussion derzeit in aller Munde. Denkt man an seine nahezu ubiquitäre Verteilung in der aquatischen Umwelt, ist das sogar wörtlich zu nehmen: Über die Nahrungskette landet unser Plastikmüll letztlich wieder auf unseren Tellern. Neben Strategien, Plastikabfall und andere Mikroplastik-Quellen zu reduzieren, braucht es dringend wirksame Technologien, um Mikroplastik aus Abwässern zu entfernen.

Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg wollen gemeinsam mit den Industriepartnern TIA aus Breitenfelde und MLE aus Dresden, in den nächsten zwei Jahren eine neue Klärtechnologie zur selektiven Entfernung von Mikroplastik aus Industrieabwasser entwickeln. Die Partner arbeiten hierfür in einem gemeinsamen ZIM-Kooperationsprojekt (ZIM = Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) an einer neuartigen Flotationsanlage und einem in-situ-Nachweisverfahren für Mikroplastik.

Grenzen bisheriger Anlagen

Eine Flotationsanlage besteht aus einem Reaktionsgefäß mit Zu- und Ablauf, einer Belüftungseinheit, einer Dosiereinheit für Chemi­kalien, einem Abstreifer, einer Schwimmschicht und einem Aufnahmebecken für das abgetrennte Material. Herkömmliche Flotationsverfahren eignen sich allerdings nur bedingt zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Abwasser, da die an den Belüftungsdüsen erzeugten Blasen um ein Vielfaches größer sind als die zu entfernenden Teilchen. Die Anlagerungswahrscheinlichkeit eines Teilchens an die Blase wird dadurch sehr gering, sodass das Verfahren ineffizient ist. Bei der rein physikalischen Druckentspannungsflotation werden Blasen direkt an den Mikroplastikteilchen erzeugt, allerdings müssen dabei teilweise sehr große Kapillarspannungen überwunden werden. Die hierfür notwendigen sehr hohen Drücke, machen auch dieses Verfahren energetisch ungünstig.

Chemisch induzierte Blasen

Der neue Projektansatz beim Flotationsverfahren beruht auf der chemisch induzierten Blasenbildung direkt auf der Oberfläche der Mikroplastikteilchen (s. Abb. 2). Dem Abwasser wird Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zugesetzt, das direkt an der Oberfläche zu Wasser und Sauerstoff zerfällt. Für diese Zerfallsreaktion wird noch ein Katalysator benötigt, bspw. Natriumhydroxid (NaOH). Der in der Zerfallsreaktion freigesetzte Sauerstoff aktiviert und vergrößert Nanobläschen, die an der Oberfläche der rauen Mikroplastikteilchen haften. Die anhaftenden Blasen führen dann zu einer wesentlichen Erhöhung der Auftriebskräfte der Teilchen-Blase-Cluster. Die Cluster steigen zur Wasseroberfläche auf, wo sie aufgefangen und aus der Flüssigkeit entfernt werden können.

Voruntersuchungen im Labormaßstab haben gezeigt, dass mit der beschriebenen Zerfallsreaktion die Blasenbildung auf Mikroplastikteilchen induziert werden kann, die wenige Mikrometer bis zu einige Millimeter groß sind (s. Abb. 3). Daher erwarten die Projektpartner, dass mit dem Verfahren auch die als besonders problematisch betrachteten sehr kleinen Mikroplastikteilchen mit Größen von wenigen Mikro­metern aus dem Abwasser entfernt werden können.

Umfangreiche Simulationen

Ein wesentliches Ziel des Projektes ist es, die entscheidenden Stellgrößen und kritische Parameter des Prozesses im Detail zu untersuchen. Dazu gehören bspw. die pro Stunde durchgesetzten Volumina oder die Stabilität der Teilchen-Blase-Cluster. Die Konzeption der geplanten Versuchsanlage erfolgt computergestützt. Auf Basis umfangreicher strömungsmechanischer Simulationen wird eine möglichst optimale Strömungskonfiguration inklusive Chemikalienzugabe und -vermischung innerhalb der Anlage ermittelt. Dies erfolgt mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD). Gleichzeitig wird eine Labor-Versuchsanlage mit einem Abwasserdurchsatz von 50 l/h eingerichtet, die weitere experimentelle Untersuchungen am neuen Flotationsverfahren ermöglicht. An der Laboranlage sollen die relevanten Parameter wie Trennungsgrenze, Volumen, Einwirkzeit und Absetzzeiträume nach der Flotation überprüft werden, um die getroffenen Einstellungen zu validieren und die Qualität der reaktiven Reinigungsstufe und des neuen Flotationsverfahrens zu bewerten.

Um die Blasenbildung an den Mikroplastikteilchen zu verstärken, können physikalische Methoden wie etwa das Druckentspannungsverfahren zur Beschleunigung der Blasenbildung und somit zur Beschleunigung des Flotationsprozesses eingesetzt werden.

Quantitativer Nachweis von Mikroplastik

Eine weitere wesentliche Innovation im Projekt ist die Entwicklung eines quantitativen Nachweisverfahrens, das die Mikroplastikbeladung in Wasser und Abwasser in-situ, also ohne Probenaufbereitung, erkennen und auswerten soll. Das Nachweisverfahren basiert auf der stimulierten Raman-Streuung. In Kombination mit dem neuartigen Flotationsverfahren ermöglicht es einen nachfragegestützten (on-demand) Einsatz der Abscheidetechnologie und dadurch einen kostensensitiven Einsatz der Anlagentechnologie. Über einen nachgeschalteten Detektionssensor kann anschließend auch die Funktionalität der gesamten Flotationsanlage beurteilt werden.

Automatisierung & Scale-Up

Während des Projekts erfolgt eine Maßstabsvergrößerung von einer Labor- zu einer vorwettbewerblichen Anlage. Die Anlage und die Probenahme soll automatisiert erfolgen. Damit soll die Prozessführung und auch die Grenzwertüberwachung gegenüber bestehenden Techniken deutlich verbessert werden sowie die Reaktionsfähigkeit des Anlagenbetreibers erhöht werden. Feldversuche in einer geeigneten Abwasseraufbereitungsanlage, in welche die neuen Komponenten integriert werden, sollen schließlich deren Leistungsfähigkeit demons­trieren.

Das finale Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines marktreifen Prototyps einer Kläranlage, mit der sich mindestens 95% der im Wasser dispergierten feinen Mikropartikel in einem Größenbereich bis minimal fünf Mikrometer selektiv aus dem Abwasser entfernen lassen. Das Verfahren soll kontinuierlich eingesetzt werden und zunächst zur Aufreinigung von Wassermengen von 50 bis 1000 l/h verwendet werden. Nach der erfolgreichen Entwicklung des vorwettbewerblichen Protoypen soll das neue Flotationsverfahren am Ende durch ein weiteres Scale-Up großtechnisch einsetzbar gemacht werden.

Das Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert.

* Prof. Dr.-Ing. R. Schwarze: Institut für Mechanik und Fluiddynamik TU Bergakademie Freiberg, 09596 Freiberg

* *Prof. Dr.-Ing. A. Bräuer: Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Naturstoff- und Umweltverfahrenstechnik, TU Bergakademie Freiberg, 09596 Freiberg

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