Mikroschadstoffe

Die zunehmende Verunreinigung von Wasser mit kontaminierenden Substanzen wird eines der dringendsten Umweltprobleme in den kommenden Jahrzehnten darstellen. Solche Stoffe lassen sich in niedrigen, aber steigenden Konzentrationen sowohl in Oberflächenwasser, Grundwasser, Trinkwasser und in Abwasser nachweisen. Aufgrund ihrer geringen Konzentrationen, die typischerweise im Bereich von µg L-1 bis ng L-1 liegen, werden diese Substanzen als Mikroschadstoffe bezeichnet. Sie zeigen auch bei Konzentrationen im ppt- oder ppb-Bereich toxische oder anderweitig negative Effekte.

Für deren Abtrennung entwickeln wir am IGB sogenannte Membranadsorber, womit Filtration und Adsorption in einem einzigen Prozess miteinander kombiniert werden können. Dieses Konzept wird bisher vor allem im Downstream Processing in der Biotechnologie verwendet, um niedrige Konzentrationen von kleinen Molekülen mithilfe der Mikrofiltration abzutrennen – insbesondere dann, wenn man nur mit geringem Druck arbeiten kann. Am Fraunhofer IGB arbeiten wir daran, dieses Konzept auf die Behandlung von Wasser zu übertragen.

Dazu entwickeln wir sub-Mikrometerpartikel mit speziellen Bindungsstellen für verschiedene Substanzen (Abb. 1). Durch die Einbettung solcher Partikel im Membranen können maßgeschneiderte Membranadsorber hergestellt werden (Abb. 2). Die Herstellung der Partikel kann z.B. mittels Miniemulsionspolymerisation durchgeführt werden. Im Anschluss dispergieren wir die Partikel in einer Polymerlösung, aus der dann über ein Phaseninversionsverfahren eine poröse Membran ausgefällt wird.

Es sind mittlerweile Membranadsorber verfügbar, mit denen sich unterschiedliche Mikroschadstoffe wie Diclofenac, Sulfamethoxazol, Metoprolol und Carbamazepin zusammen abtrennen lassen. Für Diclofenac haben wir Adsorptionskapazitäten von bis zu 9,8 g m-2 erreicht (Abb. 3), wobei vor dem Durchbruch mehr als 99% des Diclofenacs zurückgehalten werden.

Zusätzlich haben wir für die Abtrennung von Metallionen Partikel mit Ionenaustauschfähigkeiten, schwefelhaltige Thioharnstoffgruppen und Chelatgruppen entwickelt. Mit solchen Membranadsorbern können wertvolle Metalle wie Silber, Kupfer oder Seltene Erden aus Wasser zurückgewonnen werden.

REM-Aufnahme poröser Adsorberpartikel
© Fraunhofer IGB
REM-Aufnahme poröser Adsorberpartikel
REM-Aufnahme eines Mixed-Matrix-Membranadsorbers
© Fraunhofer IGB
REM-Aufnahme eines Mixed-Matrix-Membranadsorbers
Durchbruchskurven von Membranadsorbern mit unterschiedlichen Partikeln gefüllt für Diclofenac
© Fraunhofer IGB
Durchbruchskurven von Membranadsorbern mit unterschiedlichen Partikeln gefüllt für Diclofenac

Publikationen

  1. Niedergall, K., Kopp, D., Besch, S., & Schiestel, T. (2016). Mixed-Matrix Membrane Adsorbers for the Selective Binding of Metal Ions from Diluted Solutions. Chemie Ingenieur Technik, 88(4), 437-446. https://doi.org/10.1002/cite.201400144.
  2. Niedergall, K., Bach, M., Hirth, T., Tovar, G. E. M., & Schiestel, T. (2014). Removal of micropollutants from water by nanocomposite membrane adsorbers. Separation and Purification Technology, 131, 60-68. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2014.04.032.
  3. Sarah Uebele, Tobias Goetz, Mathias Ulbricht, Thomas Schiestel, Mixed-Matrix Membrane Adsorbers for the Simultaneous Removal of Different Pharmaceutical Micropollutants from Water (2022) https://doi.org/10.1021/acsapm.1c01546