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06 | 2018

Special Wasser Neuer

Special Wasser Neuer Forschungsansatz gegen Mikroplastik im Wasser Mikroplastik – Wo kommt es her, wo geht es hin, wo finden wir es? Wie kommen unerwünschte Kunststoffpartikeln, sogenanntes Mikroplastik, wieder aus dem (Ab-)Wasser? Dazu erforscht seit 2015 ein Team rund um Initiatorin Dr. Katrin Schuhen einen neuen Ansatz. Im Projekt Wasser 3.0 – PE-X (Die Abkürzung steht für ganzheitliche (X-) Partikelelimination) stehen die Forscher und Entwickler nun vor der Implementierung der Technik in eine Pilotanlage. Kunststoffe sind in der heutigen Gesellschaft allgegenwärtig [1]. Hauptsächlich werden die chemischen Makromoleküle als Verpackungsmaterial, in der Automobilindustrie oder in Spielzeugen verarbeitet. Trotz der vorteilhaften Eigenschaften wie chemische Stabilität, nicht vorhandene Wasserlöslichkeit (somit als Verunreinigung sichtbar), Verformbarkeit, Flexibilität, Dichte, hohe Festigkeit, niedrige Leitfähigkeit, Langlebigkeit sowie Beständigkeit gegen äußere Einflüsse, welche die Kunststoffe für den alltäglichen Gebrauch unverzichtbar machen, gehören sie zu den Substanzen, die beim Eintrag in die Umwelt erhebliche Schäden anrichten [2–10]. Bis zu 60 Gramm Mikroplastik täglich Ein Teil der primären Mikroplastik- Fracht im Abwasser stammt von Produkten der Kosmetikindustrie wie z. B. Zahncreme oder Peeling. Ein weiterer Teil gelangt durch den haushaltsüblichen Waschprozess ins Wasser. Beim Waschen werden durch die mechanische Beanspruchung der Wäsche Fasern und Partikel freigesetzt, die ins Abwasser gelangen. In der Kläranlage angekommen, wird das Abwasser standardisiert in drei Stufen gereinigt. Viele Stoffe können hier entfernt werden. Für organisch-chemische Verbindungen (Medikamente und deren Abbauprodukte) oder auch Mikroplastik findet eine Entfernung in diesem Reinigungsprozess nur bedingt oder teilweise auch gar nicht statt. Die Folge ist, dass Kläranlagen pro Tag zwischen 10 und 60 Gramm Mikrofasern in die Gewässer entlassen. Da Tiere (u. a. Kleinstkrebse, Fische) nicht zwischen Futter und Kunststoff unterscheiden können, gelangen diese Mikroplastikpartikel in die Nahrungskette. Auf diesem Weg können sie schließlich auch auf unseren Tisch und in unseren Körper gelangen (Abbildung 1) [11–14]. Sekundäres Mikroplastik entsteht durch die Veränderungen der Materialbeschaffenheit von Kunststoffen durch chemische, biologische oder physikalische Einflüsse (zusammengenommen Umwelteinflüsse). Diese Einflüsse führen dazu, dass Makro- und Mesoplastik spröde werden und sie dann durch physikalische oder physikalisch-chemische Prozesse zerkleinert werden können. Durch diese Zerkleinerungsprozesse wurden die Kunststoffe zu kleinen Partikeln, dem sekundären Mikroplastik umgewandelt. Auch diese Form des Mikroplastiks landet im Wasserkreislauf und früher oder später auch im Abwasser unserer Kläranlagen. Polymere mit Additiven Organisch-chemische Verbindungen wie Mikrokunststoffe oder hoch viskose Oligomere können nicht innerhalb der vierten Reinigungsstufe einer Kläranlage durch Aktivkohleeinsatz eliminiert werden. Diese synthetisch hergestellten, organisch-chemischen Makromoleküle zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine oder eine nur sehr langsame chemische Reaktion/Degradation eingehen. Es handelt sich um Polymere, denen oftmals eine Vielzahl an Additiven (z. B. Flammschutzmittel, UV-Adsorber, Weichmacher, etc.) zugesetzt werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern [2, 15]. Durch die grundlegend verschiedenen physikochemischen Eigenschaften gegenüber gelösten organisch-chemischen oder anorganischchemischen Stressoren ist bei der Elimination von Mikrokunststoffen gegenüber der Elimination von gelösten Spurenstoffen ein Einsatz von Aktivkohle ausgeschlossen. 22 UmweltMagazin Juni 2018

WassernSpecial REM Aufnahme eines Polyethylenpartikels (Maßstab 200 µm), so wie er aus der Produktionsanlage kommt. Aktuell werden zur Entfernung von Mikroplastik nur sehr kostenintensive und für den Abwasserbereich ineffiziente Verfahren wie Mikro-, Nanound Ultrafiltration oder Umkehrosmoseverfahren eingesetzt [16]. Diese können bisher eine geringfügige Partikelabscheidung gewährleisten, jedoch ist diese limitiert. Mikro- und Ultrafiltration können unter anderem keine Nähr- und Spurenstoffe wie Sulfate, Chloride, Nitrate, Pestizide oder Huminstoffe zurückhalten. Nanofiltration und Umkehrosmose können diese entfernen, sind aber bei einer „Dead- End-Filtration“ zu schnell mit einer Deckschicht aus weiteren Schmutzpartikeln belegt und benötigen häufige Reinigungs- und Spülintervalle. Mittels Filtrationsverfahren wie z. B. Tuchfiltersysteme in der Kläranlage Oldenburg ist es möglich, 97% der Gesamtbelastung an Mikroplastikpartikeln zu reduzieren (von 1131 auf 29 Mikroplastikpartikel und Fasern 1 / m3) und einen Rückhalt von Kunststoff-Partikel bis zu einer gewissen Größe (abhängig vom Porendurchmesser) zu gewährleisten [17]. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Filter schnell verstopfen können, weshalb ein Rückspülen notwendig ist und somit der Reinigungsprozess unterbrochen werden muss. Durch mechanische Beanspruchung der Tuchfilter werden zusätzliche Mikroplastikpartikel/-fasern generiert, die eine sogenannte Sekundärquelle darstellen. Agglomerat aus Partikel und Anhaftungs-Wachstumsförderer (Maßstab 1 mm) [24]. Wasser 3.0 – Innovativer Ansatz, nur wie funktioniert dieser? Zusammen mit den Spezialchemikalienherstellern der Firma abcr GmbH und der Zahnen Technik GmbH arbeitet das Forscher- und Entwicklerteam aus Synthesechemikern, Umweltwissenschaftlern und Abwassertechnikern an adaptierbaren Systemen, die in einer Wasser-induzierten Reaktion Schadstoffe binden und aufgrund des resultierenden Partikelwachstums die Gesamtheit unerwünschter Partikel einfach abtrennbar macht [18–20]. Das erste effiziente Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus Abwässern wurde in einem Pilotversuch in der Kläranlage der EW Landau 2017 erfolgreich getestet. Verwendet werden dabei anorganisch-organische Hybridkieselgelen, die, in modifizierter Form, ebenfalls zur Entfernung von reaktiven organischen Stressoren, zu denen unter anderem Medikamente, deren Abbauprodukte oder auch Pestizide gehören, angewendet werden können [21–23]. Nach dem Prinzip der Cloud Point Technologie wurde eine neuartige Separationstechnik entwickelt, die zum einen ein Partikelwachstum induziert und durch das Aufschwimmen der Partikelverbünde zum anderen eine leichtere Abtrennung nach dem Stand der Technik ermöglicht [25–27]. Drei-Schritt-Synthese Das von Herbort und Schuhen entwickelte Konzept basiert auf einer Drei- Schritt-Synthese, welches neben Lokalisation, auch die Agllomeration und den Einschluss der Mikroplastikpartikel beinhaltet wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten kontinuierlich vereinfacht und hinsichtlich den Kriterien Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit überarbeitet [18]. Die Arbeitsgrundlage basiert auf der Hypothese, dass Van der Waals Wech- Bilder: Wasser 3.0 Einblicke in den Transferversuch. Auch in einem 2000 l Reaktor führten die Laborversuche zum Ziel; links: Zugabe von Mikroplastik zum Brauchwasseer. Nach Reaktion mit dem Agglomerationsreagenz bilden sich große, aufschwimmende Partikelverbünde [31]. UmweltMagazin Juni 2018 23

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