Filtern und Binden: Regenerierbare Membranadsorber gegen Schadstoffe im Wasser

(27.3.2015; Forschungsbericht, kein Produktbeitrag!) Erst im Januar 2015 hat die eu­ropäische Lebensmittelbehörde EFSA den Grenzwert für Bisphenol A in Verpackungen gesenkt. Die hormonell wirksame Massenchemikalie ist unter anderem ein Ausgangs­stoff für Polycarbonate, aus denen beispielsweise CDs, Plastikgeschirr oder Brillenglä­ser hergestellt werden. Aufgrund seiner chemischen Struktur wird Bisphenol A in den biologischen Stufen der Kläranlagen nicht vollständig abgebaut und gelangt so über den Ablauf der Kläranlage in Flüsse und Seen.

Um Chemikalien, Antibiotika oder Schwermetalle aus Ab- oder Prozesswasser zu ent­fernen, werden in der Regel Aktivkohle oder vergleichbare Adsorbermaterialien einge­setzt. Ein Nachteil dieser hochporösen Materialien ist jedoch die lange Kontaktzeit, die nötig ist, damit die Schadstoffe in das Poreninnere diffundieren können. Damit auch in kürzerer Zeit möglichst alle Schadstoffe abgefangen werden, setzen die Klär­anlagen daher größere Adsorbermengen ein, in entsprechend großen Behandlungsbe­cken. Aktivkohle kann allerdings nur unter hohem Energieeinsatz regeneriert werden, so dass zumeist große Mengen schadstoffbeladenen Materials entsorgt werden müs­sen.

Auch die Membranfiltration mit Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembranen, die prinzipiell solche Schadstoffe entfernen können, ist für die Entfernung gelöster Mole­küle aus großen Volumenströmen wie Prozess- oder Abwasser noch nicht wirtschaft­lich. Membranen filtern das Wasser durch ihre Poren, wenn auf einer Seite der Mem­bran ein Druck aufgebaut wird und halten dabei größere Moleküle und Feststoffparti­kel zurück. Je kleiner die Membranporen aber sind, desto größeren Druck - und damit desto mehr Energie - muss man aufwenden, um die Wasserinhaltsstoffe abzutrennen.

Membranadsorber - Filtern und Binden in einem Schritt

Einen neuen Ansatz, der die Vorteile von Adsorbtion und Filtration kombiniert, haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart gewählt: Bei der Herstellung der Membranen fügen sie kleine, polyme­re Adsorberpartikel hinzu. Die entstehenden Membranadsorber können zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden. „Wir nutzen die unter der Trennschicht der Membran liegende poröse Struktur. Die Poren bieten nicht nur eine sehr hohe spezifische Oberfläche, um möglichst viele Partikel einbetten zu können, sondern sind auch optimal zugänglich“, erklärt Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeitsgruppe „Anorganische Grenzflächen und Membranen“ am Fraunhofer IGB.

In der porösen Trägerstruktur der Membranadsorber sind winzige Polymerpartikel eingebettet, die Schadstoffe aus dem Wasser binden; Foto: Fraunhofer IGB 

„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“, verspricht der Experte. Bis zu 40 Prozent des Gewichts der Membranadsorber gehe auf die Partikel zurück, entspre­chend hoch sei ihre Bindekapazität. Gleichzeitig sollen die Membranadsorber bei nied­rigen Drücken betrieben werden können. Und da die Membranen sehr eng gepackt werden könnten, sollen sich schon mit kleinen Anlagen sehr große Volumina behan­deln lassen.

Funktionelle Adsorberpartikel

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

Selektive Entfernung von Schadstoffen und Metallen

In verschiedenen Tests konnten die Forscher laut eigener Aussage zeigen, dass die Membranadsorber durch die für den jeweiligen Schadstoff maßgeschneiderten Partikel Schadstoffe selektiv entfernen können. 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“, erläutert Schiestel. Mit anderen funktionellen Gruppen be­stückt, könnten die Membranadsorber auch toxische Schwermetalle wie Blei oder Ar­sen aus dem Wasser entfernen. Phosphonat-Membranadsorber etwa sollen mehr als 5 Gramm Blei pro Quadratmeter Membranfläche adsorbieren - 40 Prozent mehr als ein kommerziell erhältlicher Membranadsorber.

Wirtschaftlich 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“, erklärt Schiestel. Die konzentrierten Schadstoffe können dann wirtschaftlich entsorgt oder mit geeigneten oxidativen Verfahren abgebaut werden.

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

Das Fraunhofer IGB präsentierte die Membranadsorber und weitere innovative Techno­logien zur Wasserreinigung auf der Messe Wasser Berlin International vom 24. bis 27. März 2015 in Berlin am Fraunhofer-Stand.