Forschung zu Eigenschaften von Magnetit zur Abwasseraufreinigung
Die Vereinten Nationen erkannten den Zugang zu sauberem Wasser 2010 als Menschenrecht an. Ziel Sechs der Nachhaltigkeitsziele soll daher „sauberes Wasser und Sanitärversorgung für alle“ sicherstellen. Mit seinen Forschungen zur Wasseraufbereitung trägt das Projekt REPONANO dazu bei, diese Meilensteine zu erreichen. So entwickelte und testete die Arbeitsgruppe von REPONANO eine neue Methode zur Entfernung von Wasserkontaminanten mithilfe des Eisenoxidminerals Magnetit. „REPONANO sollte die Aufbereitung mittels Magnetit generell verbessern, aber den Prozess auch miniaturisieren. Wir arbeiteten also mit neuen Spektroskopieverfahren, um ein Mikrofluidiksystem zu entwickeln und zu visualisieren, wie mit Polymer-Nanomagnetit-Aggregaten Verunreinigungen entfernt werden können“, erklärt Forscherin Evgenia-Maria Papaslioti, die für das durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt arbeitete. Es gibt drei Möglichkeiten, Trink- und Abwasser mittels Magnetit zu dekontaminieren: zunächst kann die Wasserzusammensetzung verändert werden, denn mittels Magnetit können Schadstoffpartikel aus dem Wasser entfernt werden, bevor sie zum Boden absinken. Magnetit-Nanopartikel kommen auch in Mikrofiltern zum Einsatz, um den Durchgang von Schadstoffen zu verhindern. Schließlich bindet Magnetit an Sauerstoff und kann Eisen(hydr)oxid-Aggregate bilden, die wiederum an Schadstoffpartikel binden, sodass sie aus dem Wasser entfernt werden können. Diese Methode eignet sich bislang in der Regel für große Durchflussanlagen oder Batchsystemen, da sie besonders gut giftige Schwermetalle wie Selen, Blei und Arsen beseitigt.
Großangelegte Tests in Batch-Anlagen
REPONANO untersuchte in groß angelegten Batch-Experimenten, wie gut sich Magnetit zur Immobilisierung toxischer Elemente wie Arsen, Antimon und Uran in stark sauren und phosphatreichen Abwässern eignet. Im Bestreben um möglichst umweltfreundliche Aufbereitungsprozesse war das verwendte Magnetit ein Recyclingprodukt aus der Stahlindustrie, für das das Unternehmen HYMAG’IN ein patentiertes Verfahren entwickelt hatte. „Mit unserem neuen dreistufigen Verfahren demonstrierten wir erstmals, dass es möglich ist, mit nullwertigem Eisen den Säuregehalt zu senken. Um Phosphate zu entfernen, wurden sie in das Mineral Vivianit umgewandelt und dann durch das zugeführte Magnetit immobilisiert“, ergänzt Papaslioti.
Mikrofluidik-Tests
Da sich Fluiddynamik am besten im Mikromaßstab erforschen lässt, arbeitete man mit dem französischen Institut für Physik Rennes an der Entwicklung eines mikrofluidischen Polymergeräts, das die Dekontamination mit winzigen Magnetitpartikeln (Nanomagnetit) durchführt. Die Arbeitsgruppe wollte herausfinden, ob sich deren bereits effiziente Dekontamination durch Polymerbeschichtungen zusätzlich steigern lässt. Hierzu entwickelten sie zylinderförmige Aggregate aus einem Gemisch aus Hydrogel (Polyethylenglykol) und Chitosan-beschichteten Magnetit-Nanopartikeln. „Nanomagnetit wird mitunter bereits in Filtern von Kläranlagen eingesetzt.Da die Partikel jedoch sehr klein sind, können sie den Filter passieren oder auch verstopfen“, erklärt Projektkoordinator Laurent Charlet.„Wir vergrößerten also die Nanomagnetitpartikel und veränderten ihre Form, sodass unsere Hybridmaterialien die Filter nicht mehr passieren und damit auch leichter herausgefiltert werden konnten.“ In Durchflussexperimenten wurde getestet, ob die Polymer-Nanomagnetit-Aggregate Antimon immobilisieren können. Um die Verteilung von Antimon und deren Sorption an die Aggregate darzustellen sowie den Oxidationszustand zu bestimmen (der für die Immobilisierung und Entfernung von Antimon aus dem Wasser wichtig ist), wurden erstmals Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie und Röntgenmikrofluoreszenz in solchen Systemen eingesetzt. Per Simulation an einem neuen 3D-Computermodell konnten dann Diffusion und Verteilung von Antimon in den Versuchen geprüft werden. Da spezifische Zonen identifiziert wurden, in denen Antimon mit Nanomagnetit reagiert, konnte man die optimale Form und Zusammensetzung der Aggregate bestimmen. „Auf diese Weise lassen sich natürliche Systeme nicht nur mit effektiveren Methoden beobachten, es könnten auch neue Wasseraufbereitungsmethoden auf der Grundlage mikroskopischer Geräte (z. B. Mikrofluidik) entwickelt werden“, erklärt Papaslioti. Nun plant das Team Sorptionsversuche an einem breiteren Spektrum an Schadstoffen und Bedingungen, d. h. variierenden Schadstoff/Nanomagnetitkonzentrationen, pH-Werten und Durchflussraten sowie veränderter Aggregatzusammensetzung und -form.
Schlüsselbegriffe
REPONANO, Aggregat, Magnetit, Wasser, Aufbereitung, Schadstoff, Dünger, Mikrofluidik, Mikrofilter, Antimon, Sorptionsmittel