Weltweit ist das Wasser zunehmend von Mikroschadstoffen wie etwa Steroidhormonen aus Arzneimitteln verschmutzt. Doch konventionelle Kläranlagen können diese Verunreinigungen nicht beseitigen. Forscher haben nun ein innovatives Filtrationssystem mit einer Polymermembran entwickelt, bei dem besonders kleine Kohlenstoffpartikel an die Hormone binden. Sogar das stark wirksame Östradiol kann damit aus dem Wasser entfernt werden.
Immer häufiger gelangen hormonähnlich wirkende Schadstoffe aus Arzneien und Verhütungsmitteln in unsere Abwässer. Ihr Anteil in einem Liter Wasser beträgt zwar nur einige Nanogramm, aber bereits diese geringen Mengen sind für den Menschen gesundheitsschädlich und wirken sich negativ auf die Umwelt aus. Aufgrund der niedrigen Konzentration und der winzigen Größe der Moleküle sind solche Mikroschadstoffe, wie Steroidhormone, nicht nur schwer nachzuweisen, sondern auch schwierig zu beseitigen – konventionelle Klärtechniken reichen dazu nicht aus. Das macht eine Versorgung mit sauberem Trinkwasser weltweit zu einer der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts.
Mehrfach gefiltert
Eine Lösung könnte nun ein Forscherteam um Matteo Tagliavini von dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gefunden haben. Sie haben ein innovatives Filtersystem entwickelt, das auch die hormonellen Mikroschadstoffe aus dem Wasser filtert. Anstoß für das System gab ein Verfahren, das bereits zur Aufbereitung von Biogas oder zur Entsalzung von Meerwasser, eingesetzt wird. Dafür nutzt man häufig semipermeable Polymermembranen, die für bestimmte Salze oder Partikel nur in eine Richtung passierbar sind.
Die Funktionsweise des Filtersystems ist simpel: „Zunächst wird das Wasser durch die semipermeable Membran gepresst. Diese filtert größere Verunreinigungen und Mikroorganismen heraus“, erklärt Tagliavinis Kollegin Andrea Iris Schäfer. Zur Filterung kleinerer Partikel ist die Polymermembran um eine dahinterliegende Aktivkohleschicht ergänzt, durch die das grob gereinigte Wasser fließt. Die Kohlenstoffpartikel dieser Schicht binden an kleinere Moleküle im Wasser und filtern sie so heraus. Das Forscherteam untersuchte nun die Vorgänge an der Aktivkohleschicht genauer, um herauszufinden, wie mithilfe dieser Schicht auch kleinste Schadstoffe beseitigt werden können.
Feinschliff an der Membran
„Auf den Durchmesser der Kohlenstoffpartikel kommt es an“, erläutert Tagliavini. „Je kleiner der Partikeldurchmesser, desto größer die äußere Oberfläche der Aktivkohleschicht, die für die Adsorption der Hormonmoleküle verfügbar ist.“ Diese Erkenntnis nutzten die Forscher: Sie verkleinerten in einer zwei Millimeter dicken Aktivkohleschicht den Partikeldurchmesser des Kohlenstoffs von 640 auf 80 Mikrometer und entfernten dadurch 96 Prozent des im Wasser enthaltenen Hormons Östradiol – das physiologisch wirksamste Östrogen. Zusätzlich erhöhten die Wissenschaftler den Sauerstoffgehalt in der Aktivkohleschicht. Damit gelang es, die Aufnahme der Hormonmoleküle noch weiter zu verbessern und mehr als 99 Prozent des Östradiols zu entfernen.
Dieses verbesserte Verfahren macht es demnach möglich, sogar Steroidhormone schnell und energieeffizient aus dem Abwasser zu filtern. „Das Verfahren erlaubt einen hohen Wasserdurchfluss bei niedrigem Druck, arbeitet energieeffizient, filtert viele Moleküle heraus, erzeugt keine schädlichen Beiprodukte und lässt sich flexibel in Vorrichtungen verschiedener Größe einsetzen – vom heimischen Wasserhahn bis hin zu Industrieanlagen“, sagt Schäfer. „Unsere Technologie ermöglicht es nun, den von der Europäischen Kommission für Trinkwasser vorgeschlagenen Richtwert von einem Nanogramm Östradiol pro Liter zu erreichen.“ Mit der neuen Polymermembran machen die Forscher einen ersten Fortschritt für eine verbesserte Wasserversorgung der Menschen weltweit.
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie; Fachartikel: Water Research, doi: 10.1016/j.watres.2020.116249
