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Membranadsorber Schadstoffe im Wasser effektiv binden

| Redakteur: Wolfgang Ernhofer

Neuartige Membranadsorber entfernen nicht nur unerwünschte Partikel aus Wasser, sondern gleichzeitig auch gelöste Substanzen wie das hormonell wirkende Bisphenol A oder giftiges Blei. Hierzu betten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB selektive Adsorberpartikel in Filtrationsmembranen ein.

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In der porösen Trägerstruktur der Membranadsorber sind winzige Polymerpartikel eingebettet, die Schadstoffe aus dem Wasser binden.
In der porösen Trägerstruktur der Membranadsorber sind winzige Polymerpartikel eingebettet, die Schadstoffe aus dem Wasser binden.
(Bild: Fraunhofer IGB)

Stuttgart – 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 bereits Aktivkohle oder andere 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, sodass zumeist große Mengen schadstoffbeladenen Materials entsorgt werden müssen.

Membranfiltration bei großen Volumenströmen unwirtschaftlich

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 beider Verfahren 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.

„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“, so der Experte. Bis zu 40 % des Gewichts der Membranadsorber geht auf die Partikel zurück, entsprechend hoch ist ihre Bindekapazität. Gleichzeitig können die Membranadsorber bei niedrigen Drücken betrieben werden. Da die Membranen sehr eng gepackt werden können, lassen sich schon mit kleinen Anlagen sehr große Volumina behandeln.

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