Erste Ergebnisse von Laborversuchen auf AquaConSoil vorgestellt

Barcelona/Leipzig. Mit elektrischen Feldern lassen sich selbst schlecht wasserlösliche Schadstoffe gut aus porösen Materialen, wie etwa Böden, herauslösen. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) nach Laborversuchen mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen. Die entstehen bei der unvollständigen Verbrennung von organischem Material wie Kohle oder Öl und stellen wegen ihrer Giftigkeit ein weltweites Problem dar. Erste Ergebnisse ihrer Laborversuche stellen die Wissenschaftler auf der größten europäischen Konferenz zum Management von Boden-Wasser-Systemen „AquaConSoil 2013″ vor, die vom 16. bis 19. April in Barcelona stattfand.

„In einem elektrischen Feld wandern die positiv geladenen oberflächennahen Ionen zur Kathode und erzeugen so eine Wasserströmung. Diese sogenannte Elektroosmose bewirkt, dass selbst winzige Poren, die mit einem normalen Wasserstrahl nicht gereinigt werden könnten, ausgespült werden“, berichtet Dr. Lukas Y. Wick vom UFZ. Der Umweltmikrobiologe hatte zusammen mit Kollegen in den letzten Jahren den Einfluss von elektrischen Feldern auf Bakterien und deren Schadstoffabbauleistung (Elektro-Bioremediation) untersucht. Dabei konnte kein negativer Einfluss schwacher elektrischer Felder auf die Aktivität und die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften gefunden werden. Es zeigten sich jedoch positive Auswirkungen auf die Bioverfügbarkeit und den möglichen Abbau von Chemikalien: Die Elektroosmose sorgt nämlich dafür, dass sich Schadstoffe nicht nur schneller, sondern auch porentief, also nur wenige Nanometer oberhalb der Oberfläche von Bodenporen, ablösen und so möglicherweise die biologische Sanierung verschmutzter Ökosysteme beschleunigen. Die bisherigen Versuche wurden in kontrollierten Laborsystemen mit Modellböden durchgeführt. In den nächsten Schritten wollen die Forscher nun in komplexeren Systemen die Interaktionen zwischen Bakterien, Boden und Schadstoffen studieren. Dieses Wissen kann später helfen, die noch bestehenden Einschränkungen bei biologischen Sanierungstechnologien zu überwinden, um kostengünstige und effektive Anwendungen zu entwickeln.
Zur AquaConSoil 2013, der größten europäischen Konferenz zum Management von Boden-Wasser-Systemen, werden vom 16. bis 19. April über 700 Experten aus Forschung, Behörden und Industrie in Barcelona erwartet. Organisiert wird sie vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) zusammen mit dem niederländischen Forschungszentrum Deltares. Die Schirmherren der wissenschaftlichen Tagung sind Prof. Dr. Georg Teutsch, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des UFZ, und Prof. Dr. ir. Huub Rijnaarts, Lehrstuhlinhaber für Umwelttechnologie der Universität Wageningen, Niederlande. Tilo Arnhold

http://www.aquaconsoil.org

Erste Ergebnisse eines Pilotversuchs auf AquaConSoil vorgestellt

Barcelona/Leipzig. Eine Kombination aus Kohlenstoff und Nanoeisen könnte künftig helfen, kontaminiertes Grundwasser besser vor Ort zu reinigen. Das neue Verbundmaterial mit dem Namen Carbo-Iron® enthält Eisenstrukturen in der Größe von wenigen Nanometern, die fest in den Kohlenstoff eingebunden sind. Die Kombination beider Materialen verbindet Reaktivität mit Schadstoffanreicherung. Carbo-Iron® kann zudem breite Reaktionszonen im Grundwasserleiter erzeugen und es kann direkt in die Schadstoffquelle injiziert werden. Erste Ergebnisse eines in-situ-Versuchs werden auf der größten europäischen Konferenz zum Management von Boden-Wasser-Systemen „AquaConSoil 2013″ vorgestellt, die vom 16. bis 19. April in Barcelona stattffand.

Die Feldversuche im Kleinstmaßstab führten die Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Fa. Golder Associates GmbH in den vergangenen Monaten auf einem ehemaligen Militärgelände im niedersächsischen Celle durch, dessen Grundwasser mit dem Schadstoff Perchlorethen (PCE) belastet ist. Perchlorethen ist ein weit verbreitetes organisches Lösungsmittel, das als hartnäckiger Schadstoff häufig im Grundwasser zu finden ist. Wie viele chlorierte Kohlenwasserstoffe ist es krebserzeugend.

Um die neue Sanierungstechnologie zu testen, wurden bei Celle mit Genehmigung der Behörden 20 Kilogramm des neuen Reinigungsverbundstoffes über zwei Bohrungen direkt in das kontaminierte Grundwasser eingebracht und anschließend der Abbau des Schadstoffs ausgewertet. Parallel dazu fanden im Labor Untersuchungen zur Ökotoxizität des eingebrachten Materials statt. Beide Ergebnisse erscheinen aus Sicht der Wissenschaftler vielversprechend: „Wir erhoffen uns von diesem neuen Verbundmaterial eine sehr umweltfreundliche Lösung, um kontaminiertes Grundwasser vor Ort reinigen zu können. Aus unserer Sicht ist Carbo-Iron® die bessere Alternative zum bislang in solchen Fällen oft verwendeten nano-Eisen“, erklärt Dr. Katrin Mackenzie vom UFZ. Denn es enthält nicht nur Eisen, um Schadstoffe reduktiv abzubauen. Der Kohlenstoff sammelt mit seiner riesigen Oberfläche die Schadstoffe wie ein Schwamm ein und stellt sie dem Eisen zur Zerstörung bereit. Außerdem wird Carbo-Iron® im Vergleich zum nano-Eisen aufgrund seiner geringeren Dichte und günstigeren Oberflächenbeschaffenheit besser im Grundwasserleiter transportiert. Diese Beweglichkeit erhöht seine Wirksamkeit.

Sehr positiv verlaufen sind die Tests zur ökologischen Verträglichkeit von Carbo-Iron®, die ebenfalls am UFZ durchgeführt wurden. Sie zeigten keine akute Toxizität. „Wir sehen daher in der Grundwasserreinigung mit Carbo-Iron® eine nanobasierte Technologie, die mit gutem Gewissen in der Umwelt eingesetzt werden kann“, so Katrin Mackenzie.
Die Untersuchungen sind Teil des Forschungsprojektes Fe-NANOSIT, das im Laufe dieses Jahres abgeschlossen wird. Mit Nanopartikel-basierten in-situ-Sanierungstechnologien werden sich die UFZ-Wissenschaftler auch danach weiter befassen. Zusammen mit 28 Partnern untersuchen sie im EU-Großprojekt NANOREM bis 2017 das Potenzial dieser neuen Materialien im größeren Maßstab. Die UFZ-Wissenschaftler arbeiten daran, eisenbasierte Komposite wie Carbo-Iron® zu implementieren und neue in-situ-Oxidationskatalysatoren zu entwickeln. Außerdem erstellen sie ökonomische Verwertungsstrategien und führen Kosten-Nutzen-Analysen durch.

Zur AquaConSoil 2013, der größten europäischen Konferenz zum Management von Boden-Wasser-Systemen, werden vom 16. bis 19. April über 600 Experten aus Forschung, Behörden und Industrie in Barcelona erwartet. Organisiert wird sie vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) zusammen mit dem niederländischen Forschungszentrum Deltares. Die Schirmherren der wissenschaftlichen Tagung sind Prof. Dr. Georg Teutsch, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des UFZ, und Prof. Dr. ir. Huub Rijnaarts, Lehrstuhlinhaber für Umwelttechnologie der Universität Wageningen, Niederlande.

www.aquaconsoil.org

Weitere Informationen
Dr. Katrin Mackenzie
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Telefon: 0341-235-1760
katrin.mackenzie@ufz.de

Know-how aus dem IPF Dresden ermöglicht maßgeschneiderte Flockungsmittel

Wissenschaftlerinnen aus dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) präsentierten auf der Messe WASSER BERLIN INTERNATIONAL vom 23. bis 26. April 2013 neue biobasierte und auf zahlreiche Anwendungen anpassbare Flockungsmittel.

Soßenreste in der Kanalisation, ölhaltige Wässer aus der Autowaschanlage oder Schwermetalle im Trinkwasser – es gibt viele Möglichkeiten, wie Verunreinigungen ins Wasser gelangen. Wie aber bekommt man sie wieder heraus? Gerade wenn diese Substanzen fein verteilt oder gar gelöst im Wasser vorliegen, sind Flockungsmittel die erste Wahl. Zu ihnen gehören auch wasserlösliche Polymere, sogenannte Polyelektrolyte, und hier vor allem solche, die biologisch abbaubar und toxisch unbedenklich sind. Bei diesen Polymeren handelt es sich um langkettige Kohlenwasserstoffe, die Ladungen in der Polymerkette tragen.

Basierend auf umfangreichen Grundlagenuntersuchungen sowie Kooperationen mit Partnern in Forschung und Industrie sind die Wissenschaftler um Frau Dr. Simona Schwarz in der Lage, aus der breiten Palette an verfügbaren Flockungsmitteln das jeweils passende zu finden bzw. zielgerichtet für eine Anwendung z. B. in der Abwasser- und Mineralienaufbereitung, der Schwermetallabtrennung oder bei der Trennung öl- und fetthaltiger Abwässer zu optimieren. Von Interesse sind hier vor allem die molaren Massen und die Art und Menge der Ladungen der Polymere, da diese Größen einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz der Abtrennung unerwünschter Stoffe in Abwässern haben. Hinzu kommen weitere variierbare Eigenschaften, wie wasserabweisendes Verhalten, das sich durch Einbringen zusätzlicher Gruppen in das Polymermolekül einstellen lässt.

Es konnte nachgewiesen werden, dass natürliche Polymere wie Chitosan, Stärken und Pektine bei Trennprozessen eine viel versprechende Alternativen zu synthetischen Polymeren sind. Chitosan ist ein Abkömmling des Chitins, das aus den Panzern von Krustentieren wie Krabben, Käfern u.a. gewonnen wird. Stärken kommen in vielen Pflanzen wie Kartoffeln und Mais vor und Pektine werden aus Früchten, z. B. Äpfeln und Zitronen, gewonnen. Dank ihres natürlichen Ursprungs sind diese Produkte ungiftig, abbaubar und umweltfreundlich. Vom wirtschaftlichen Standpunkt ist es interessant, dass die Ausgangstoffe für diese Flockungsmittel vielerorts als Abfallprodukte kostengünstig verfügbar sind.

Stärke, die kationisch modifiziert und zusätzlich mit wasserabweisenden funktionellen Gruppen versehen wurde, erlaubt so z. B. die effektive Entfernung von klebenden Bestandteilen aus Kreislaufwässern der Papierindustrie – ein zuvor ungelöstes Problem, das zu schwerwiegenden Störungen des Produktionsprozesses bzw. zu Einschränkungen in der Wiederaufbereitung von Altpapier führte (Patentanmeldung DE 10 2011 088 203.0).

Fachlicher Direktkontakt:
Frau Dr. Simona Schwarz
simsch@ipfdd.de
Tel.: 0351 4658-333

Nanosilber im Abwasser kann stark umweltschädlich wirken, wenn es in metallischer Form vorliegt. Eine im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms „Chancen und Risiken der Nanomaterialien“ (NFP 64) der Schweiz durchgeführte Studie zeigt nun erstmals, dass Nanosilber auf dem Weg zur Kläranlage rasch in weniger problematische Formen (Silbersulfid) umgewandelt wird. Zudem wird es effizient (95 %) im Klärschlamm zurückgehalten. Was mit dem Nanosilber im Klärschlamm weiter passiert, war nicht Teil der Studie. In der Schweiz ist die Ausbringung des Klärschlamms auf landwirtschaftlich genutzte Flächen nicht erlaubt. Zum Einsatz kommen die Nanosilber-Partikel zum Beispiel in Kosmetika, Lebensmittelverpackungen und Desinfektions- und Reinigungsmitteln. Verbreitet sind auch antibakterielle Socken und Funktionskleidung, in deren Textilien Nanosilber eingearbeitet ist. Der weltweite Verbrauch von Nanosilber wird auf über 300 Tonnen pro Jahr geschätzt – ein beträchtlicher Teil davon gelangt über das Abwasser in den Wasserkreislauf.

Die Studie ist als pdf-Datei beim Schweizerischen Nationalfonds erhältlich:
com@snf.ch

Veröffentlichung in Water Research:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135413001826

Quelle:
http://www.gfa-news.de/gfa/webcode/20130419_002/Nanosilber%20aus%20Konsumprodukten%20landet%20kaum%20in%20Gew%C3%A4ssern

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat gemeinsam mit europäischen Partnern Verfahren entwickelt, um schwer abbaubare Schadstoffe im Abwasser effizient abzubauen. Diese Verfahren erzeugen reaktive Spezies, mit denen sich selbst hoch belastetes Deponiesickerwasser reinigen lässt. Polymere Adsorberpartikel wiederum können selektiv auch solche Schadstoffe entfernen, die in nur geringer Konzentration vorliegen. Die Verfahren zeigt das Fraunhofer IGB vom 23. bis 26. April 2013 auf der Messe Wasser Berlin.

Medikamente im Abwasser von Krankenhäusern werden ebenso wie halogenierte Verbindungen oder Cyanide aus Industrieabwässern kaum in den biologischen Stufen der Kläranlagen abgebaut. So haben sich Antibiotika und hormonell wirksame Verbindungen, beispielsweise Bisphenol A aus der Kunststoffherstellung, bereits in der Umwelt angereichert und sind im Grundwasser und selbst in Trinkwasserproben nachweisbar. Um solch persistente Schadstoffe aus Abwasser zu entfernen, müssen spezielle Reinigungsverfahren eingesetzt werden. Oxidative Prozesse, die Wasserstoffperoxid oder Ozon als Oxidationsmittel nutzen, haben sich in der Praxis bewährt.

Damit die verschiedenen Inhaltsstoffe industrieller Abwässer effektiv und effizient abgebaut werden, müssen die Verfahren in der Regel angepasst oder kombiniert werden. Für diese Aufgabe steht am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart eine Versuchsanlage zur Verfügung, mit der alle gängigen Verfahren einzeln und in beliebiger Kombination erprobt werden können. Ergänzt werden die bisherigen Verfahren durch zwei neue Verfahren, die reaktive Spezies, allen voran Hydroxyl-Radikale, effizient erzeugen. Diese oxidieren die Schadstoffe zu kleineren, abbaubaren organischen Molekülen oder mineralisieren sie vollständig zu CO2. Bei einem Verfahren werden die reaktiven Moleküle elektrochemisch in einem Anoden-Kathoden-Prozess erzeugt, bei dem anderen mit einem Atmosphärendruckplasma. Beide Verfahren kommen ohne den Zusatz von Hilfsstoffen aus.

Deponiesickerwasser oxidativ-elektrochemisch behandeln
Ein oxidatives Verfahren, welches ohne den Zusatz von Hilfsstoffen auskommt und aufgrund seines elektrochemischen Funktionsprinzips auch für sehr trübe Abwässer geeignet ist, hat das Fraunhofer IGB in dem von der EU geförderten Projekt CleanLeachate (Förderkennzeichen 262335, www.cleanleachate.eu) entwickelt. Das Konsortium mit sechs Partnern aus fünf europäischen Ländern behandelt hoch belastetes Sickerwasser, das auf Mülldeponien entsteht, mit einem gekoppelten Anoden-Kathoden-Prozess. Eine durch eine Membran geteilte Elektrolysezelle bildet dabei zwei getrennte chemische Reaktionsräume. Ein Schwerpunkt des Projekts war die Auswahl geeigneter Elektrodenmaterialien, vor allem der Anode, an der bei Anlegen einer Spannung Hydroxyl-Radikale als reaktive Spezies entstehen. Das verunreinigte Wasser passiert zunächst die Anode, wo es oxidiert wird, und wird danach zur Kathode gepumpt, wo die Inhaltsstoffe reduziert werden.

Das Verfahren wird derzeit in Tschechien auf einer Mülldeponie im Dauerbetrieb getestet. Der Prozess konnte bereits so optimiert werden, dass der chemische Sauerstoffbedarf und die Gesamtstickstoffkonzentrationen unter die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte gesenkt und die Anforderungen der Abwasserverordnung erfüllt werden. Um das Verfahren zur Marktreife zu bringen, wurde eine automatisierte und transportable Prototypanlage gebaut, mit der die Behandlung weiterer Abwässer getestet und Erfahrungen und verlässliche Daten für die weitere Optimierung gesammelt werden sollen.

Mit offenem Plasma Wasser reinigen
Ein weiterer neuer Ansatz ist die Anwendung eines Atmosphärendruckplasmas. Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, das neben Ionen und Elektronen auch chemische Radikale und elektronisch angeregte Teilchen sowie kurzwellige Strahlung enthält. Ein solches Plasma lässt sich durch ein elektromagnetisches Feld, beispielsweise durch Anlegen einer Hochspannung, zünden. Charakteristisch ist das Plasmaleuchten, welches in Leuchtstoffröhren zur Leuchtreklame genutzt wird. Technisch werden Plasmaverfahren seit langem zur gezielten Modifizierung und Reinigung von Oberflächen eingesetzt.

Dieses Prinzip nutzen die Partner des von der EU geförderten Projekts Wasserplasma, bei dem ein Plasma für die oxidative Reinigung von Wasser eingesetzt wird (»Water decontamination technology for the removal of recalcitrant xenobiotic compounds based on atmospheric plasma technology«, Förderkennzeichen 262033, www.waterplasma.eu). Ergebnis des Projekts ist ein Plasmareaktor, bei dem die im Plasma gebildeten reaktiven Spezies direkt in das mit Schadstoffen belastete Wasser übertreten können. Hierzu ist das Plasma »offen«: Es steht in direktem Kontakt zum Wasserfilm. Der Plasmareaktor ist so aufgebaut, dass zwischen einer geerdeten Elektrode in Form eines Edelstahlrohres im Inneren des Reaktors und einem Kupfernetz, welches die Funktion der Hochspannungselektrode übernimmt, durch Anlegen einer Hochspannung ein Plasma gezündet und aufrechterhalten wird. Das Kupfernetz ist auf einem Glaszylinder angebracht, der als dielektrische Barriere fungiert und gleichzeitig den Reaktor nach außen abschirmt. Im Innern des Edelstahlrohrs, dem Zentrum des Plasmareaktors, wird verunreinigtes Wasser nach oben gepumpt. Wenn das Wasser auf der Außenseite des Edelstahlrohrs herunterläuft, passiert es die Plasmazone zwischen Edelstahlrohr und Kupfernetz, in welcher die Schadstoffe oxidiert werden.

In Laborversuchen konnten die Fraunhofer-Forscher zeigen, dass eine Lösung des Farbstoffs Methylenblau innerhalb nur weniger Minuten vollständig entfärbt wird. Auch Cyanid wurde innerhalb von nur 2 Minuten um 90 Prozent effektiv abgebaut. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse wird das Verfahren momentan in einem größeren Maßstab erprobt. Bei einem Projektpartner steht ein Demonstrator, der für die Reinigung von 240 Liter kontaminiertem Wasser pro Stunde ausgelegt ist. Aufgrund dieser Ergebnisse sollen das Reaktordesign und die Prozessführung dann weiter optimiert werden, um das Verfahren mit weiteren Partnern aus der Industrie zur Marktreife bringen zu können. Das Potenzial ist groß, denn bei diesem offenen Plasmaverfahren gibt es keine Barriere zwischen dem Ort, wo die oxidativen Radikale entstehen (Plasma) und dem zu reinigenden Wasser.

Entfernung von Spurenstoffen mit selektiven Adsorberpartikeln
Schadstoffe können auch effektiv mit selektiven Adsorbern aus Abwasser entfernt werden. Eine solche Adsorptionsstufe eignet sich vor allem dann, wenn Schadstoffe stark verdünnt bzw. nur gering konzentriert oder sehr spezifisch vorliegen. Sinnvoll ist ihr Einsatz auch, wenn ein Abwasserinhaltsstoff in biologischen Klärstufen zu toxischen Metaboliten abgebaut wird. Hier kann es sich lohnen, das Abwasser vorzubehandeln und den fraglichen Stoff vor der Einleitung in die Kläranlage selektiv zu entfernen.

Hierzu hat das Fraunhofer IGB ein einstufiges und kosteneffizientes Verfahren für die Herstellung polymerer Adsorberpartikel entwickelt. In dem patentierten NANOCYTES®-Prozess werden funktionelle Monomere mit einem Vernetzer zu nanoskopisch kleinen Polymerkügelchen, sogenannten selektiven polymeren Adsorberpartikeln, umgesetzt. Die Selektivität der Adsorberpartikel kann noch erhöht werden, wenn dem Gemisch zusätzlich diejenigen Zielmoleküle zugefügt werden, die es aus dem Wasser zu entfernen gilt. Der Trick: Nach der Polymerisation der Monomere werden die Zielmoleküle wieder aus den Adsorberpartikeln entfernt. Dabei hinterlassen sie einen »Abdruck«, der die entsprechenden Schadstoffe adsorbiert.

Die Fraunhofer-Forscher konnten so bereits Bisphenol A und Penicillin G selektiv aus Abwasser entfernen. Die Adsorberpartikel sind chemisch und thermisch stabil und können äußerst vielfältig eingesetzt werden, ob als Schicht in einer Kompositmembran oder als Matrix auf Füllkörpern. Eine Adsorptionskolonne steht am Fraunhofer IGB für Testzwecke zur Verfügung. Nach der Adsorption der Schadstoffe können die Adsorberpartikel regeneriert und wiederverwendet werden.

Präsentation auf der Wasser Berlin – Halle 2.2, Stand 417
Die neuen Wasserbehandlungsverfahren stellt das Fraunhofer IGB vom 23. bis 26. April 2013 auf der Messe Wasser Berlin in Halle 2.2, Stand 417 vor. Die Forscher präsentieren zudem weitere Verfahren zur Wasseraufbereitung, zur Rückgewinnung von Abwasserinhaltsstoffen in Form von Energie und Düngesalzen und ein System zur semidezentralen Reinigung von häuslichem Abwasser.

http://www.igb.fraunhofer.de/de/presse-medien/presseinformationen/2013/schad–und-spurenstoffe-aus-abwasser-entfernen.html