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Umwelttechnik

Schadstoffe im Wasser einfach binden

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Funktionelle Adsorberpartikel

"Da die Schadstoffe bei unseren Membranadsorbern anders als bei herkömmlichen Adsorbern konvektiv, das heißt mit dem schnell durch die Membranporen strömenden Wasser transportiert werden, reicht eine nur Sekunden dauernde Kontaktzeit aus, um Schadstoffe auf der Partikeloberfläche zu adsorbieren", erklärt der Experte. Bis zu 40 Prozent des Gewichts der Membranadsorber geht auf die Partikel zurück, entsprechend hoch ist ihre Bindekapazität.

Gleichzeitig können die Membranadsorber bei niedrigen Drücken betrieben werden. Da die Membranen sehr eng gepackt werden können, lassen sich schon mit kleinen Anlagen sehr große Volumina behandeln.

Die Adsorberpartikel selbst stellen die Forscher in einem einstufigen, kosteneffizienten Verfahren her. In dem patentierten Prozess werden Monomer-Bausteine mithilfe eines Vernetzers zu 50 bis 500 Nanometer kleinen Polymerkügelchen polymerisiert.

Selektive Entfernung von Schadstoffen und Metallen

"Je nachdem, welche Stoffe aus dem Wasser entfernt werden sollen, wählen wir aus einer Reihe unterschiedlicher Monomere, die sich in ihren funktionellen Gruppen unterscheiden, das jeweils passende aus", so Schiestel. Die Bandbreite reicht dabei von eher hydrophobem Pyridin, über kationische Ammoniumverbindungen bis hin zu anionischen Phosphonaten.

In verschiedenen Tests konnten die Forscher zeigen, dass die Membranadsorber durch die für den jeweiligen Schadstoff maßgeschneiderten Partikel Schadstoffe sehr selektiv entfernen. So binden Membranadsorber mit Pyridin-Gruppen das hydrophobe Bisphenol A besonders gut, während solche mit Aminogruppen das negativ geladene Salz des Antibiotikums Penicillin G adsorbieren.

"Die verschiedenen Adsorberpartikel lassen sich sogar in einer Membran kombinieren. Auf diese Weise können wir mehrere Mikroschadstoffe gleichzeitig mit nur einem Membranadsorber entfernen", weist Schiestel auf weitere Vorzüge hin. Mit anderen funktionellen Gruppen bestückt, können die Membranadsorber auch toxische Schwermetalle wie Blei oder Arsen aus dem Wasser entfernen. Phosphonat-Membranadsorber etwa adsorbieren mehr als 5 Gramm Blei pro Quadratmeter Membranfläche – 40 Prozent mehr als ein kommerziell erhältlicher Membranadsorber.

Wirtschaftlich, mehrfach zu verwenden und regenerierbar

Damit die Membranadsorber mehrfach verwendet werden können, müssen die adsorbierten Schadstoffe wieder von den Partikeln in der Membran gelöst werden. "Membranadsorber für Bisphenol A lassen sich durch eine Verschiebung des pH-Werts vollständig regenerieren", erläutert Schiestel. Die konzentrierten Schadstoffe können dann wirtschaftlich entsorgt oder mit geeigneten oxidativen Verfahren abgebaut werden.

Die Regenerierbarkeit der Membranadsorber eröffnet zudem eine weitere Anwendung: Die abgetrennten Moleküle können wiederverwertet werden. Das macht die Technologie auch für die Rückgewinnung wertvoller Edelmetalle oder Seltene-Erden-Metalle interessant.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke elektronikpraxis.

Literaturhinweise:

K. Niedergall, M. Bach, T. Hirth, G.E.M. Tovar, T. Schiestel (2014) Removal of micropollutants from water by nanocomposite membrane adsorbers, Sep. Purif. Technol. 131: 60-68

K. Niedergall, M. Bach, T. Schiestel, G.E.M. Tovar (2013) Nanostructured composite adsorber membranes for the reduction of trace substances in water: the example of bisphenol A, Industrial Chemical Research ACS Special Issue: Recent Advances in Nanotechnology-based Water Purification Methods, Ind. Eng. Chem. Res. 52/39 14011, DOI: 10.1021/ie303264r

* Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeitsgruppe "Anorganische Grenzflächen und Membranen" Fraunhofer IGB

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