Abwasserreinigung mittels Sonnenlicht – Ozon als Reaktionspartner
Am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock deckten Chemiker:innen den molekularen Mechanismus eines Fotokatalysators auf, der mit Hilfe von Sonnenlicht organische Verunreinigungen im Abwasser vollständig abbaut. Weltweit gelangen z.B. immer mehr Rückstände von Arzneien, wie Entzündungshemmern, Antibiotika oder Verhütungsmitteln, in die Aufbereitungssysteme, wo sie sich nur schwer entfernen lassen. Labore arbeiten verstärkt an fotokatalytischen Lösungen, doch das Wissen über die Wirkprinzipien ist lückenhaft. Forschende um Angelika Brückner und Jabor Rabeah am LIKAT haben deshalb Fotokatalysatoren gewissermaßen live bei der Arbeit beobachtet und Grundlagen ihrer Funktionsweise aufgeklärt.
Dies eröffnet der Entwicklung von Fotokatalysatoren für die Abwasserbehandlung neue Wege, wie Prof. Dr. Brückner, Bereichsleiterin am LIKAT, sagt. Kollegen aus China waren an sie mit der Bitte um Kooperation herangetreten. In bevölkerungsreichen Regionen Asiens sind organische Verunreinigungen, etwa durch stabile Abbauprodukte von Medikamenten, ein dringliches Problem.
Die chinesischen Kolleg:innen hatten neue Katalysatoren entwickelt und brauchten die Expertise des LIKAT für spezielle Untersuchungen, um ihre Katalysatoren optimal präparieren zu können. Brückner und ihr Team sind Spezialisten auf dem Gebiet der sogenannten In-situ-Spektroskopie. Damit können sie die Funktion eines Katalysators während der chemischen Reaktion (in situ) verfolgen und seine molekulare Wirkweise dokumentieren.
Carbonitrid statt Titanoxid
Gängige Fotokatalysatoren, wie Titandioxid, mit dem z. B. selbstreinigende Fensterscheiben beschichtet werden, um Schmutzpartikel zu zersetzen, arbeiten am effektivsten mit energiereicher UV-Strahlung. Allerdings beträgt der UV-Anteil im Sonnenlicht nur 5 bis 8 Prozent. Die chinesischen Chemiker:innen nutzen deshalb eine neue Generation von Fotokatalysatoren: Carbonitrid, das im sichtbarem Licht aktiviert wird. Es entsteht durch thermische Behandlung von Melamin, das auch als Ausgangsstoff für farbenfrohes Geschirr aus Duroplast dient.
Die Kolleg:innen in China konnten ihren Katalysator erfolgreich testen, und zwar mit verschiedenen Substanzen, die beim Abbau von Medikamenten entstehen und ins Abwasser gelangen. Der pulverförmige Fotokatalysator wird dabei im Wasser verrührt und verrichtet als Schwebeteilchen seine Arbeit. Als Oxidationsmittel testeten die Kollegen Sauerstoff und Ozon. „Ozon erwies sich als außergewöhnlich effektiv“, erläutert Prof. Brückner. „Doch seine Aktivität schwankte, und das schien abhängig von den Präparationsbedingungen des Katalysators zu sein.“
Warum das so ist und welches die optimalen Bedingungen für das Präparieren des Katalysators darstellten, sollte Jiadong Xiao, ein junger Chemiker von der Universität Peking, am LIKAT in seiner Dissertation erkunden. Diese Forschungen liefen unter der Ägide von Dr. Jabor Rabeah, Themenleiter am LIKAT und Betreuer des Doktoranden.
Radikale einfangen und identifizieren
Die Messungen ergaben, dass für die eigentliche Abbaureaktion eine Spezies von Radikalen verantwortlich ist. Angelika Brückner: „Das sind äußerst reaktionsfreudige Moleküle, die die Schadstoffe im Wasser sofort angreifen und abbauen. Und das Zusammenspiel von Sonnenlicht, Fotokatalysator und Ozon befördert diese Bildung von Radikalen.“ Tatsächlich waren die Radikale so kurzlebig, dass es zunächst selbst mit der modernen Analysentechnik am LIKAT nicht gelang, sie zu identifizieren.
Für solche Fälle nutzen die Chemiker einen Trick, den sie Spin-Trap nennen: Die Radikale werden mit einem neutralen Molekül eingefangen, das dadurch selbst zum Radikal wird, allerdings zu einem, dass kaum reaktiv ist und deshalb lange genug „lebt“, um analysiert zu werden. So war es möglich, die hocheffektiven Teilchen als Hydroxyl-Radikale zu identifizieren, Moleküle, die aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom bestehen. Die hohe Wirksamkeit der Kombination Fotokatalysator – Sonnenlicht – Ozon bei der Abwasserreinigung ließ sich durch die extrem rasche Bildung enorm vieler reaktionsfreudiger Radikale erklären.
Ergebnis der Forschungsarbeiten ist „ein neues mechanistisches Konzept“ für diese Art von Reaktionen, wie Angelika Brückner sagt. Die Forscher:innen gehen davon aus, dass die Methode mit diesem Hintergrundwissen bald ihren Weg in die Praxis findet.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Angelika Brückner
Angelika.Brueckner@catalysis.de
doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00624
Originalpublikation:
J. Xiao, Y. Xie, J. Rabeah, A. Brückner, H. Cao, Acc. Chem. Res. 2020, 53, 1024-1033.
https://idw-online.de/de/news757435
Wie lässt sich Mikroplastik aus dem Wasser filtern?
Kurzfilm aus der Mediathek von servus.tv
Plastikteile gibt’s mittlerweile an fast jedem Strand wie Sand am Meer. Und dazu noch Unmengen von zersetztem und gelöstem Plastik in den Ozeanen. Nun aber gibt es eine vielversprechende Methode dieses Mikroplastik aus dem Abwasser zu bekommen, noch bevor es in Flüsse und Meere gelangt. Wie können wir Plastik aus dem Wasser filtern?
https://www.pm-wissen.com/videos/aa-24mv3u7kn1w12/
Eawag/CH: «Gehört Mikroplastik in unsere Umwelt? Nein!»
Der Verfahrenstechniker Adriano Joss vom Wasserforschungsinstitut Eawag beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Kläranlagen und der Entfernungen von Mikroverunreinigungen aus dem Wasser. Gemeinsam mit dem Leiter des Eawag-Partikellabors Ralf Kägi hat er den aktuellen Stand des Wissens zum Thema Mikroplastik zusammengetragen. In einem Interview stellt er die wichtigsten Erkenntnisse vor. Ausführliche Informationen haben wir neu auf der Webseite «Mikroplastik in der Umwelt» zusammengestellt.
Adriano, Du hast zusammen mit Ralf für einen viel beachteten Vortrag alle publizierten Fakten über Mikroplastik zusammengetragen. Was war der Anlass dazu?
Wir haben zahlreiche Anfragen von Behörden und Bevölkerung zu Mikroplastik erhalten. Als wir dann nach Antworten gesucht haben, war das ein wenig frustrierend. Die Aussagen zum Mikroplastik in der Umwelt gehen um Grössenordnungen auseinander. Oder man findet riesige Zahlen an Partikeln Mikroplastik pro Kubikmeter, die wenig aussagekräftig sind. Und auch über die schädliche Wirkung auf Mensch und Umwelt ist noch wenig bekannt. Ralf und ich haben deswegen eine Literaturrecherche durchgeführt, um den aktuellen Stand des Wissens darzustellen.
https://www.eawag.ch/de/news-agenda/news-plattform/news/gehoert-mikroplastik-in-unsere-umwelt-nein/
Prozesswasseraufbereitung aus kommunalem Abwasser für die Industrie
Die Wiederverwendung von Abwasser kann ökologisch sinnvolle und finanziell attraktive Lösungen für alle beteiligten Parteien – Kommunen, Industrie und Wasserversorger – erschließen, zeigt ein Projekt am größten europäischen Standort von DOW.
• Die Abwasserwiederverwendung wird für die Lösung künftiger Süßwasserengpässe global eine immer größere Rolle spielen.
• In allen Industriezweigen werden unterschiedliche Möglichkeiten der Wasserkreislaufschließung und der Wasserwiederverwendung erkundet und umgesetzt.
• Mit entsprechenden Aufbereitungslösungen lässt sich kommunales Abwasser als ressourcenschonende Quelle für industrielles Prozesswasser nutzen.
Wasser in hoher Qualität und Reinheit ist für den Chemiekonzern …mehr:
https://www.chemietechnik.de/prozesswasseraufbereitung-aus-kommunalem-abwasser-fuer-die-industrie/
Anfälligkeit für Niedrigwasser
Forschende ermitteln mit neuer Methode, wie widerstandsfähig einzelne Gewässer gegenüber Trockenheit sind
Abflusskomponenten mit verschiedenen Verzögerungen für drei Einzugsgebiete in der Schweiz.
Hitze, Trockenheit und daraus resultierenden Niedrigwasserstände in Bächen, Flüssen und Seen prägten die Sommermonate der Jahre 2003, 2015 und 2018 in Europa. Auch im Sommer 2020 könnte wieder eine Niedrigwasserperiode entstehen. Forschende der Universität Freiburg haben in Kooperation mit den Universitäten Trier und Oslo/Norwegen in der Fachzeitschrift Hydrology and Earth System Sciences eine Methode vorgestellt, mit der besser ermittelt werden kann, wie anfällig Gewässer gegenüber Trockenheit sind.
„Wir sehen, dass verschiedene Gewässer sehr unterschiedlich auf ausbleibende Niederschläge reagieren“, sagt der Autor der Studie Dr. Michael Stölzle von der Professur für Umwelthydrosysteme der Albert-Ludwigs-Universität. Der Kern der neu entwickelten Methode ist ein Filter-Algorithmus, der das Abflusssignal der Gewässer in schnellere und langsamere Komponenten einteilt: Erfolgt der Abfluss aus einem Gebiet schnell, weil zum Beispiel viel Oberflächenabfluss auftritt, kann das Gebiet häufig schlechter Wasser speichern und ist stärker abhängig von kontinuierlichen Niederschlägen und somit weniger widerstandsfähig gegenüber Trockenperioden. Dominieren hingegen langsame, also verzögerte Abflusskomponenten wie zum Beispiel aus Schnee- oder größeren Grundwasserspeichern, so können die Gewässer auch bei anhaltender Trockenheit länger stabile Abflüsse aufweisen. Mit Hilfe des Filters können die Forschenden zusätzlich bestimmen, nach wie vielen Tage eine schnellere Abflusskomponente aufhört, wesentlich zum Gesamtabfluss des Gewässers beizutragen.
„Das Filtern des Abflusssignals ist keine neue Idee“, erklärt Stölzle, „aber es wurde häufig nur in eine schnelle und eine langsamere Abflusskomponente getrennt.“ In der vorgestellten Studie haben die Hydrologinnen und Hydrologen die bisherigen Filter erweitert, um drei oder vier Abflusskomponenten mit unterschiedlichen Verzögerungen zu identifizieren. Dadurch stellten sie fest, dass etwa alpine Gebiete nicht nur durch die Schneeschmelze im Sommer geprägt sind, sondern auch im Winter teils sehr stabile Abflussverhältnisse aufweisen. „Daraus schließen wir, dass es auch im steilen Hochgebirge wichtige Gebietsspeicher im Untergrund geben kann, die für einen kontinuierlichen Abfluss in unterliegende Gebiete sorgen können“, sagt Stölzle.
Datengrundlage der Untersuchung waren Abflussdaten aus Gebieten in Baden-Württemberg und der Schweiz. Da für die neue Methode nur Abflussdaten benötigt werden, ist sie aber prinzipiell weltweit anwendbar und kann auch in der wasserwirtschaftlichen Praxis aufgegriffen werden. Die Forschenden schlagen vor, die Methode auf andere Variablen wie Grundwasserstände anzuwenden oder mit ihr Gletscher- und Schneeschmelzkomponenten zu berechnen.
„In Baden-Württemberg kann die vorgestellte Analysemethode künftig helfen, besser zu verstehen, wie empfindlich ein Einzugsgebiet gegenüber Trockenheit ist“, erklärt Stölzle: „Unsere aktuelle Umfrage bei den Wasserbehörden verschiedener Landkreise hat gezeigt, dass künftig sowohl der Bewässerungsbedarf als auch die Anträge für genehmigte Wassernutzungen im Land zunehmen werden.“
Originalpublikation:
Stoelzle, M., Schütz, T., Weiler, M., Stahl, K., Tallaksen, L.M. (2020): Beyond binary baseflow separation: a delayed-flow index for multiple streamflow contributions. In: Hydrology and Earth System Sciences 24, S. 849-867.
DOI: 10.5194/hess-24-849-2020, www.hydrol-earth-syst-sci.net/24/849/2020/
Kontakt:
Dr. Michael Stölzle und Prof. Dr. Kerstin Stahl
Professur für Umwelthydrosysteme
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-67432
E-Mail: michael.stoelzle@hydro.uni-freiburg.de
kerstin.stahl@hydro.uni-freiburg.de
Forschungsprojekt zur Entfernung von Mikroplastik aus Abwasser
Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie arbeitet die TU Bergakademie Freiberg derzeit an einer innovativen Lösung, um Mikroplastikpartikel aus Industrieabwässern zu entfernen. Das Verfahren soll später auch im kommunalen Bereich zur Anwendung kommen.
Die Verbreitung von Mikroplastik vor allem im Wasser wird immer größer. Als „Mikroplastik“ werden Plastikpartikel mit einer Größe von wenigen Nanometern bis hin zu einigen Millimetern bezeichnet. In Kläranlagen können diese Kleinstpartikel bisher nur schwer abgebaut oder abgefiltert werden. Der Lösung dieses Problems widmen sich die Professuren für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen sowie für Thermische Verfahrenstechnik, Umwelt- und Naturstoffverfahrenstechnik an der TU Bergakademie Freiberg.
Bisherige Abscheideverfahren für Mikroplastikpartikeln sind teuer. Manche…
Herausforderung Mikroplastik
Um den Eintrag bzw. Rückhalt von Mikroplastik durch Kläranlagen quantifizieren zu können, sind entsprechende Probenahme- und Analysenstrategien zu entwickeln. Hierbei sind diverse Herausforderungen zu überwinden, um die Anforderungen an eine repräsentative Probenahme zu erfüllen.
Die Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik hat zu dieser Thematik drei aktuelle Beiträge publiziert:
Natalie Wick, Steffen Krause, Christian Schaum, Franziska Fischer, Dieter Fischer, Franziska Klaeger, Matthias Labrenz
Herausforderungen bei Probenahme, -aufbereitung und Analyse von Mikroplastik in der kommunalen Abwasserbehandlung
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall (67), Nr. 2, Hennef
Christian Schaum, Steffen Krause, Natalie Wick, Annett Mundani
Mikroplastikrückhalt in der kommunalen Kläranlage
91. Darmstädter Seminar, Mikroplastik – Herausforderungen und Perspektiven in der Abwasser- und Abfallbehandlung
Schriftenreihe IWAR 257, ISBN 978-3-940897-58-9, Darmstadt
Lisa Broß, Sophia C. Badenberg, Steffen Krause, Christian Schaum
Abfiltrierbare Stoffe als Begleitparameter – Ist die Vergleichbarkeit von Messergebnissen gegeben?
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall (67), Nr. 1, Hennef
Für weitere Informationen können Sie uns gerne kontaktieren: swa@unibw.de
https://www.unibw.de/wasserwesen/swa/aktuelle-nachrichten/herausforderung-mikroplastik