Mikroschadstoffe

Herausforderung: Verunreinigung von Wasser mit Mikroschadstoffen

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 (englisch: micropollutants) bezeichnet. Sie zeigen auch bei Konzentrationen im ppt- oder ppb-Bereich toxische oder anderweitig negative Effekte.

Unsere Lösung: Abtrennung von Mikroschadstoffen mit Membranadsorbern

Für deren Abtrennung entwickeln wir am Fraunhofer IGB sogenannte Membranadsorber, mit denen 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.

Maßgeschneiderte Membranadsorber durch Einbettung von sub-Mikrometerpartikeln mit spezifischen Bindungsstellen

Dazu entwickeln wir sub-Mikrometerpartikel mit speziellen Bindungsstellen für verschiedene Substanzen. Durch die Einbettung solcher Partikel im Membranen können maßgeschneiderte Membranadsorber hergestellt werden. 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.

Kombinierte Membranadsorber mit hoher Rückhaltequote

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, wobei vor dem Durchbruch mehr als 99 Prozent des Diclofenacs zurückgehalten 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

Rückgewinnung von Metallionen mit Membranadsorbern

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

Leistungen

  • Untersuchungen zur Abtrennung von Mikroschadstoffen oder Metallen mit verfügbaren Membranadsorbern
  • Design maßgeschneiderter Membranabsorber nach Kundenspezifikation
  • Machbarkeitsstudien zur Abtrennung gewünschter Stoffe

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

Referenzprojekte

Laufzeit: März 2017 – Februar 2020

Polyvalente Trennung durch die flexbile Integration von aktiven Oberflächen in Membranen – POLINOM

 

Im Projekt POLINOM wurden neue Beschichtungsmaterialien und Partikelzusätze für Filtrationsmembranen entwickelt. Damit wurden Membranen hergestellt, die zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in der Lage sind, lösliche Substanzen in Wasser adsorbierend zu binden.

 

Laufzeit: Juli 2011 – Oktober 2014

Molecular Sorting – Rückgewinnung von Metallen

Das Recycling von Sondermetallen ist aufgrund ihres Werts (Edelmetalle), ihrer Verfügbarkeit (Seltene Erden) oder ihrer Toxizität (Schwermetalle) von hoher Bedeutung, sowohl für die industrielle Produktion als auch für die Umwelt. Prozess- und Abwasserströme, z. B. aus Laugungsbädern der Galvanikindustrie, oder auch Deponiesickerwässer können signifikante Mengen an gelösten Metallen enthalten. Zur Schließung von Stoffkreisläufen besteht großer Bedarf an integrierbaren Technologien, um verschiedene Metalle effizient zurückgewinnen zu können.

Mixed-Matrix-Membranen für die Abwasserbehandlung

Das Fraunhofer IGB hat die Entwicklung von Mixed-Matrix-Membranen mit optimierten Trennleistungen untersucht, die sich für den Einsatz in einem Membranbioreaktor zur Nachbehandlung von dezentral gereinigtem Abwasser eignen. Durch die Integration eines solchen nachgeschalteten Membranprozesses könnte aerob stabilisierter Schlamm vor Ort getrocknet und hygienisiert werden, damit er sich für landwirtschaftliche Zwecke wiederverwenden lässt.