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Neues Verfahren gegen Hormon-Rückstände im Wasser

Wasserreinigung
Photokatalytische Membranfiltrationsanlage im Test. © Markus Breig/ KIT

Abwasser ist häufig durch hormonähnlich wirkende Substanzen aus Arzneimitteln kontaminiert, die sich in der Umwelt anreichern und Menschen und Tieren schaden können. Ein neu entwickeltes Verfahren soll solche Verunreinigung künftig besser aus dem Abwasser entfernen können: Die im Wasser gelösten Steroidhormone werden von beschichteten Filtermembranen festgehalten und dort durch Bestrahlung mit Licht zersetzt. In ersten Praxistests war diese Reinigung bereits erfolgreich.

Überall wo Menschen leben, gelangen hormonelle Wirkstoffe aus Arzneimitteln und in der Landwirtschaft in das Abwasser. Als Mikroverunreinigung können vor allem Steroidhormone, wie etwa Sexualhormone und Corticosteroide, das Verhalten und die Fruchtbarkeit von Menschen und Tieren beeinträchtigen. Umso wichtiger ist es, bei der Abwasserreinigung diese hormonellen Verunreinigungen zu entfernen. Denn das Abwasser aus unseren Toiletten gelangt in den natürlichen Wasserkreislauf, der nach einigen Filterprozessen wiederum die Quelle für unser Trinkwasser ist.

Mit Sonnenlicht und Katalysator

Das Problem: Die Arzneimittelrückstände sind nur schwer aus dem Wasser zu entfernen, gängige Methoden der Wasseraufbereitung versagen hierbei oft. Mit einer möglichen Lösung haben sich nun
Shabnam Lotfi vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und ihre Kollegen beschäftigt. Bisher konzentrierte sich ihre Forschung auf die Entwicklung von Polymermembranen mit nanometerkleinen Poren, durch die das zukünftige Trinkwasser mit hohem Druck gefiltert werden kann. Doch bei diesem Verfahren können sich die Verunreinigungen in den polymeren Membranmaterialien ansammeln und allmählich wieder in das gefilterte Wasser übergehen. Die Arbeit mit hohem Druck im Bereich von zehn Bar erfordert außerdem viel Energie.

Daher entwickelten Lotfi und ihr Team, inspiriert von der Solarzellentechnologie, einen neuen Ansatz zur Wasseraufbereitung. Sie verwendeten eine Membran mit größeren Poren im Mikrometerbereich und beschichteten diese mit Titandioxid. Dieses gilt als ungefährlich und wird in der Industrie bereits als Lebensmittelfarbstoff und Pigmentstoff verwendet. Doch viel wichtiger: Die Titanoxid-Moleküle sind photokatalytisch aktiv. Sie können, Photonen absorbieren und damit Energie aufzunehmen, mit der sie dann weitere Reaktionen in Gang setzen. „Wir haben sozusagen einen Katalysator für Wasser entwickelt“, sagt Andrea Iris Schäfer vom KIT. Im Falle der Wasserreinigung löst die Aktivierung des Titandioxids durch Licht die Zersetzung der in der Membran hängenbleibenden Steroidhormone aus.

WHO-Trinkwasser-Richtlinie fast erreicht

In ersten Tests zeigte dieser Ansatz Wirkung: Mit den photokatalytischen Polymermembranen gelang es den Forschenden, Steroidhormone im kontinuierlichen Durchfluss so weit zu entfernen, dass die analytische Nachweisgrenze von vier Nanogramm pro Liter erreicht wurde – die Werte kamen damit sogar ziemlich nah an den Wert von einem Nanogramm pro Liter heran, den die Trinkwasserrichtlinie der World Health Organization (WHO) vorgibt.

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Die Forschenden wollen ihre Technologie nun noch weiterentwickeln, um den Zeitbedarf und den Energieverbrauch zu senken sowie die Verwendung von natürlichem Licht zu ermöglichen, denn bisher haben sie nur mit einem Sonnen-Simulator gearbeitet. Vor allem aber zielt die weitere Forschung darauf ab, auch andere Schadstoffe mithilfe der Photokatalyse abzubauen, beispielsweise Industriechemikalien wie Alkylsubstanzen oder Pestizide wie Glyphosat. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Technologie in größerem Maßstab zu verwirklichen.

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie; Fachartikel: Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/s41565-022-01074-8

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