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Filtermembran beseitigt radioaktive Schadstoffe aus Abwasser

Wassertanks in Fukushima
In solchen Wassertanks lagern in Fukushima Millionen von Litern radioaktiv verseuchtes Wasser. (Bild: Keystone - SDA)

Nicht nur durch Reaktorunfälle, sondern auch als medizinische Abfälle gelangen radioaktive Isotope in natürliche Gewässer. Forscher haben nun eine spezielle Filtermembran entwickelt, die diese Radionuklide effizient aus kontaminiertem Wasser entfernt. Dies könnte dabei helfen, medizinische Abwässer zu reinigen, aber auch bei der Entsorgung des verseuchten Kühlwassers in Fukushima helfen.

In der Medizin werden radioaktive Nuklide für Krebsbehandlungen oder als Kontrastmittel bei bildgebenden Verfahren genutzt. Diese Stoffe sind in der Regel nur schwach radioaktiv und haben eine kurze Halbwertszeit von wenigen Stunden oder Tagen. Dennoch verseuchen sie die Gewässer, wenn sie in die Kanalisation gelangen oder müssen stattdessen aufwendig gelagert werden. Deutlich gesundheitsgefährdender sind die radioaktiven Stoffe, die in Atomkraftwerken und bei Atomunfällen wie 2011 im japanischen Fukushima entstehen. Noch immer gelangt dort radioaktives Material aus undichten Stellen der zerstörten Reaktoren in die Atmosphäre, das Grundwasser und den Ozean. Zudem fallen große Mengen an verseuchtem Kühlwasser an, die in großem Tanks auf dem Gelände gesammelt werden. Methoden zur Reinigung sind bisher kaum effektiv. Dennoch will die japanische Regierung 2022 insgesamt über eine Million Liter des verseuchten Wassers im Pazifik entsorgen.

Filtermembran
Raffaele Mezzenga und Sreenath Bolisetty präsentieren einen Bogen ihrer Filtermembran. (Bild: Mezzenga Lab / ETH Zürich)

Filtermembran aus Molkeprotein und Aktivkohle

Dies möchten Wissenschaftler um Sreenath Bolisetty von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich verhindern. Schon vor vier Jahren stellten sie eine Filtermembran vor, die nachweislich Wasser von Schwermetallen, einigen radioaktiven Elementen wie Uran sowie Edelmetallen wie Gold oder Platin effizient reinigt. Diese sogenannte Amyloid-Kohlenstoff-Hybridmembran hat zudem einen wirtschaftlichen Vorteil: Da der Filter hauptsächlich aus Molkeproteinen – einem Abfallprodukt der Milchindustrie – und Aktivkohle besteht, ist seine Herstellung weder aufwendig noch kostenintensiv, aber ökologisch nachhaltig.

Um herauszufinden, ob sich ihre Filtermembran auch zum Einsatz gegen andere radioaktive Nuklide eignet, haben die Wissenschaftler die Membran nun dazu eingesetzt, um Wasserproben zu säubern, die mehrere in der Medizin verwendete radioaktive Isotope enthielten. Darunter war auch eine Probe aus den Abwasser eines Schweizer Krankenhauses, das zusätzlich zu den Radionukliden biologische Schadstoffe wie Bakterienkolonien enthielt. Die Wissenschaftler ließen die verunreinigten Abwässer durch die Filtermembran laufen. Im Anschluss daran untersuchten sie die Rückstände im Filter mit Hilfe der sogenannten Einzelphoton-Emissions-Computertomographie (SPECT) und Positronen-Emission-Tomographie (PET) auf radioaktive Stoffe. Nach der Filtration maßen sie zudem, ob noch immer Strahlung von den gesäuberten Proben ausging.

Breite Palette von Radionukliden abgefangen

Das Ergebnis: Der Filter reinigte das radioaktiv kontaminierte Abwasser so effizient, dass hinterher kaum noch radioaktive Strahlung nachweisbar war. Die in der Membran enthaltenen Amyloid-Proteine hatten eine Großteil der Radionuklide entfernt. Bei Nukliden wie Technetium-99m, Iod-123 und Gallium-68 erreichte diese Filterreinigung Wirkungsgraden von über 99,8 Prozent in nur einem Filtrationsschritt. Auch der Test der Abwasserprobe aus dem Krankenhaus glückte: Die in der Probe enthaltenen radioaktiven Isotope Iod-131 und Lutetium-177 wurden fast vollständig aus dem Wasser entfernt. Außerdem beobachteten die Forscher nach der Filtration auch kein Bakterienwachstum mehr.

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„Die Filtermembran eliminiert radioaktive Isotope auf breiter Basis“, fasst Bolisettys Kollege Raffaele Mezzenga zusammen. Grundsätzlich binden alle radioaktiven Isotope, die im Periodensystem zwischen den getesteten Extremen Technetium und Uran liegen, an die Amyloide in der Membran. Dazu zählen auch radioaktives Cäsium, Iod, Silber und Kobalt – Radionuklide, die im Abwasser von Fukushima vorkommen. Einzig Tritium, das dort in hohen Mengen vorkommt, bindet wahrscheinlich nicht an die Membran, weil es zu klein ist.

Chance für Fukushima

Nach Ansicht der Forscher könnte sich ihr Filter demnach auch dazu eignen, die japanischen Gewässer zu reinigen. „Ich bin schon jetzt davon überzeugt, dass Japan die Filtermembran sofort einsetzen und damit ein ernstes Umweltproblem lösen könnte“, sagt Bolisetty. „Bestätigt sich unsere Vermutung, könnte mithilfe der Filtermembran das Abwasservolumen in Fukushima massiv reduziert werden, so dass kein radioaktives Wasser im Pazifik verklappt werden müsste.“ Das Ziel der Wissenschaftler ist es nun, auch die japanische Regierung davon zu überzeugen. Erste Verhandlungen mit einer japanischen Firma, die an der Sanierung in Fukushima beteiligt ist, laufen bereits.

Auch für den Umgang mit den herausgefilterten Schadstoffen haben die Forscher bereits einen Lösungsansatz: „Unsere Membran erlaubt es, das Abfallvolumen massiv zu verkleinern und die strahlenden Elemente als Feststoffe kompakt und trocken zu lagern“, sagt Mezzenga. Die mit den stark strahlenden Elementen gesättigten Filter könnten als Feststoffe dort aufbewahrt werden, wo beispielsweise auch abgebrannte Brennstäbe aus Atomkraftwerken lagern. Die filtrierten Flüssigkeiten hingegen könnten unbedenklich in die Kanalisation abgeleitet werden. Sobald die Aufnahmekapazität der Membran erschöpft ist, könne sie ersetzt werden, ergänzt der Experte.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich; Fachartikel: Environmental Science, doi: 10.1039/D0EW00693A)

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