Wasser 3.0 – Innovatives Konzept zur (Ab-)Wasserreinigung

Kostbare Ressource: Sauberes Wasser

Die Oberfläche der Erde ist zu ca. 71% von Wasser bedeckt. Hiervon stehen dem Menschen jedoch lediglich 0,3% unmittelbar als Trinkwasser zur Verfügung. Dies macht Wasser nicht nur zu einer besonders kostbaren Ressource, sondern auch zu einem viel diskutiertem entwicklungs- und umweltpolitischem Problem. [1]

Anthropogen eingetragene, organische (z.B. Pharmazeutika und Pestizide), anorganische (z.B. Schwermetalle) und inerte (z.B. Mikroplastik) chemische Verbindungen, sogenannte Stressoren finden sich weltweit in kommunalen Abwässern und Gewässern in unterschiedlichen Konzentrationen wieder. Sie werden seit Jahrzehnten in der aquatischen Umwelt nachgewiesen und ihre Auswirkungen auf das Ökosystem untersucht.

Unabhängig von den Eintragspfaden und den Arten von eingetragenen Stressoren müssen prozesstechnische Erweiterungen bereits vorhandener Reinigungsstufen oder neue Reinigungsstufen für Kläranlagen und Trinkwasseraufbereitungsanlagen so entwickelt und konzeptioniert werden, dass sie gegenüber einer möglichst großen Anzahl von unterschiedlichen Stressoren funktionieren und die entsprechenden Reduktionsraten erzielen. Ganzheitliche Ansätze, die die Faktoren Gewässerschutz, Ressourceneinsatz, Energie und Recycling gleichermaßen miteinbeziehen, stellen große Herausforderungen für die Wissenschaft dar.


Welchen Beitrag liefert Wasser 3.0 zur Verbesserung der Wasserqualität?

Wasser 3.0 (www.wasserdreinull.de) basiert auf einem materialwissenschaftlichen Ansatz zur Reduktion des Anteils anthropogener Stressoren im Wasser. Es ist das erste Verfahren, welches für die Abwassersanierung und Trinkwasseraufbereitung modular adaptierbare Hybridkieselgele als Fixierungsmaterialien für Stressoren bereitstellt [2, 3]. Bei Wasser 3.0 rücken die funktionellen Gruppen der Stressorenmoleküle und deren Reaktivitäten gegenüber anorganisch-organisch strukturierten Materialien in den Vordergrund. Dieses Prinzip wird mit Funktionsdesign beschrieben. Das Funktionsdesign beruht auf der Analyse der strukturellen Information auf der Stressorenebene. Im Vordergrund der passgenauen Synthesen der Hybridkieselgele steht der Einbau funktioneller Gruppen in die organische Untereinheit, die in der Lage ist irreversibel organisch-chemische Reaktionen einzugehen [2, 3]. Die modularen Hybridmaterialen bestehen aus einem anorganischen und einem organischen Teil und können als singuläre Lösung (StressFix) oder als Kombination (AdFix) verschiedenartiger Hybridkomponenten (Fix) und Aktivkohle (Ad) verwendet werden.
Synthetisch sind die Hybridkieselgele über Siloxan-Bindungen miteinander verknüpft. Der anorganische Teil besteht aus ein bis drei Siloxy-Funktionen und dient dem organischen Teil als Trägermaterial. Über den organischen Teil werden die Porengröße sowie Lage und Form der Gitterstruktur bestimmt und es erfolgt eine Anpassung an verschiedene Wirkstoffe und Wirkstoffgruppierungen. Dieser Bereich des Hybridmaterials besitzt die Fähigkeit über kovalente Bindungen als Kopplungspartner für die Stressoren zu fungieren. Die verwendeten Hybridkieselgele werden über unterschiedliche Wege innerhalb des sogenannten Sol-Gel-Prozesses hergestellt [4, 5, 6]. Durch die Strukturierung, Porosität und das gezielte Porenvolumendesign des Materials werden oberflächenaktive funktionelle Gruppen erzeugt, die die Fixierungsreaktion im wässrigen Milieu begünstigen. Die Strukturierung ist entscheidend für die Reaktivität von Stressoren gegenüber den funktionelle Gruppen- tragenden Verbindungen ohne (öko-)toxikologische Relevanz (z.B. Huminstoffe).

Literatur

[1] UN World Water Development Report 2015: Water For A Sustainable World, Paris; S. 19.

[2] Schuhen, K. Funktionalisierte, strukturierte Materialen für sauberes Wasser. Nachrichten aus der Chemie. 2014, 62.

[3] Schuhen, K. Polykondensiertes Hybridkieselsäurematerial zur Fixierung anthropogener Verunreinigungen aus einem aquatischen Umfeld, DE 10 2015 207 061 A1 2016.10.20

[4] Corriu, R., Leclerq, D. Neue Entwicklungen der Molekulchemie fur Sol-Gel-Prozesse, Angewandte Chemie. 1996, 1524.

[5] Moreau, J. J. E., et al., et al. A Better Understanding of the Self-Structuration of Bridged Silsesquioxanes. Angew. Chemie. 2004, 116.

[6] Moreau, J. J. E., et al., et al. Shape-Controlled Bridged Silsesquioxanes: Hollow Tubes and Spheres. Chem. Eur. J. 9, 2003, 7.

Über die Autorin

Katrin Schuhen ist Juniorprofessorin für Organische und Ökologische Chemie der Universität Koblenz-Landau. Seit 2012 arbeitet Sie mit ihrem Team im Projekt Wasser 3.0 (www.wasserdreinull.de) an neuen Materialien zur Abwassersanierung und Trinkwasseraufbereitung. 2015 konnte sie einen der begehrten GreenTec Awards in der Kategorie Wasser und Abwasser gewinnen, welcher das Projekt Wasser 3.0 als eines der innovativsten und zukunftsweisenden Projekte auswies. 2016 erhielt sie für Wasser 3.0 den Hans Raab Umweltpreis und wurde „Ausgezeichneter Ort im Land der Ideen“.