20.06.2022 - University of Southern California

Ein ungiftiger Katalysator für sauberes, wiederverwendbares Wasser

Neue Behandlung für schädliche Aldehyde in Abwässern

Platin hat bei Schmuck einen neuen "Goldstandard" gesetzt, und jetzt soll es auch die Qualität Ihres Wassers aufwerten.

Da die Aufbereitung von Abwasser zur Wiederverwendung als Trinkwasser eine praktikable und beliebte Option zur Behebung der Wasserknappheit wird, stellt sich die Frage, welche schädlichen Nebenprodukte bei der Aufbereitung entstehen können und wie man sie beseitigen kann. Eine Gruppe dieser Chemikalien, die Aldehyde, sind dafür bekannt, dass sie sich bei der Aufbereitung hartnäckig halten. Die für den Menschen giftigen Aldehyde werden nach Ansicht von USC-Forschern in den kommenden Wiederverwendungsvorschriften ganz oben auf der Liste der regulierten Nebenprodukte stehen und erfordern nachhaltige Methoden, um aus unserem Trinkwasser entfernt zu werden.

In einer in der Fachzeitschrift Environmental Science & Technology veröffentlichten Studie setzen Forscher der USC Viterbi School of Engineering Platin ein, um selbst die hartnäckigsten Giftstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Platin, das gleiche Metall, das in Katalysatoren zur Reinigung von Luftschadstoffen in Autoabgasen verwendet wird, kann als Katalysator dienen, so Dan McCurry, Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik, und die Oxidation beschleunigen, um einst giftige Aldehyde in harmlose Carbonsäuren umzuwandeln.

Wenn Abwasser recycelt wird, so McCurry, ist das resultierende Wasser "sehr rein, aber nicht 100 Prozent rein. Es ist immer noch eine winzige Menge an organischem Kohlenstoff nachweisbar, und diese Kohlenstoffatome können an Moleküle gebunden sein, die sehr giftig oder völlig harmlos sind." Dies hat die Menschen jahrelang verblüfft, sagte er, vor allem, weil der Kohlenstoff in der Lage ist, so viele Behandlungsschichten und Barrieren zu überwinden.

Eine Studie des UC Berkeley-Forschers David Sedlak ergab, dass "ein Drittel bis die Hälfte" dieser Moleküle in Form von Aldehyden vorhanden sind, so McCurry. Aldehyde sind chemische Verbindungen, die durch ein Kohlenstoffatom gekennzeichnet sind, das eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom, eine Einfachbindung mit einem Wasserstoffatom und eine Einfachbindung mit einem anderen Atom oder einer anderen Gruppe von Atomen aufweist. Sie sind in der Regel auch für den Menschen giftig, was bedeutet, dass ihr langfristiger Konsum zu einer Reihe von chronischen und lebensbedrohlichen Krankheiten wie Krebs führen kann.

Die katalytische Oxidation organischer Schadstoffe in Wasser, ohne Elektrochemie, Zugabe von elektronenaufnehmenden Oxidationsmitteln oder Photochemie, konnte bisher nicht nachhaltig nachgewiesen werden, so McCurry. Bis jetzt.

Eine Lösung für ein bevorstehendes Problem

McCurry erinnerte sich daran, dass er in einem Kurs über organische Chemie, den er während seines Studiums an der Stanford University belegte, etwas über Oxidationsmittel für die Synthese von Molekülen lernte. "Der Dozent ging eine Liste von Oxidationsmitteln durch, die von synthetischen Chemikern verwendet werden, und Platin-Katalysatoren fielen mir auf. Es ist nicht nur eines der wenigen Oxidationsmittel, die ungiftig sind, sondern es kann auch den Sauerstoff im Wasser nutzen, um eine Reaktion abiotisch (ohne den Einsatz von Mikroben) zu katalysieren.

"Ich fand das wirklich aufregend", sagte McCurry, "denn bei der Wasseraufbereitung war es schon immer frustrierend, dass Wasser voller Sauerstoff ist, der aber nicht wirklich etwas bewirkt."

Laut McCurry enthält Wasser etwa acht Milligramm gelösten Sauerstoff pro Liter. Aus thermodynamischer Sicht sei Sauerstoff zwar ein starkes Oxidationsmittel, so McCurry, aber die Reaktion sei langsam. Mit Platin beschleunigt sich der Prozess. Eine Zeit lang haben McCurry und sein Forscherteam Platin für die Oxidation verschiedener Arzneimittel verwendet, um zu experimentieren.

"Wir wussten, dass wir bestimmte Dinge oxidieren konnten, aber wir hatten keine klare Anwendung für diesen Katalysator im Sinn", so McCurry. Letztlich hofften sie, eine wirkungsvolle Anwendung für ihre Arbeit zu finden. Nach einem Jahr des Experimentierens kam ihm schließlich die Idee, als er mit dem Fahrrad vom Stanford-Campus nach Hause fuhr. "Was wäre, wenn wir Platin in der Wasseraufbereitung zur Oxidation von Verunreinigungen einsetzen könnten", sagte er. "Da der Sauerstoff bereits im Wasser vorhanden ist, käme dies einer chemiefreien Oxidation am nächsten.

McCurry räumt ein, dass Platin teuer ist, weist aber auch darauf hin, dass die Kosten, wie beim Katalysator eines Autos, relativ sind. "Ihr Auto enthält wahrscheinlich zwischen einem und 10 Gramm Platin. Die Menge ist nicht trivial. Wenn es billig genug ist, um es in einen Honda Civic einzubauen, ist es wahrscheinlich auch billig genug, um es in eine Wasseraufbereitungsanlage einzubauen", sagte McCurry.

Der Durchbruch, so McCurry, ist für die meisten bestehenden Wasserwiederverwendungsanlagen nicht so relevant, da viele von ihnen die "indirekte Trinkwasserwiederverwendung" bevorzugen. Dabei wird das Wasser nach Abschluss aller Wasseraufbereitungs- und Recyclingprozesse wieder in den Boden gepumpt, so dass im Grunde neues Grundwasser entsteht. "Sobald die Aldehyde im Boden sind, werden sie wahrscheinlich von einer Mikrobe gefressen und das Wasser wird auf diese Weise gereinigt", sagte er.

"Dabei handelt es sich um einen geschlossenen Wasserkreislauf, bei dem das Wasser von der Kläranlage zur Wiederverwendungsanlage und dann entweder zu einer Trinkwasseraufbereitungsanlage oder direkt in das Verteilungssystem für Haushalte und Unternehmen geleitet wird.

In diesen Fällen könnten die Aldehyde möglicherweise die Verbraucher erreichen, sagte McCurry. Obwohl sie derzeit nicht reguliert sind, vermutet McCurry, dass das Vorhandensein von Aldehyden in wiederverwendetem Abwasser bald die Aufmerksamkeit der Behörden auf sich ziehen wird. "Wir wussten nicht, dass wir eine Lösung für dieses Problem haben, aber jetzt wissen wir, dass dieser Katalysator, den wir zur Oxidation von zufälligen Pharmazeutika verwendet haben, auch bei der Oxidation von Aldehyden hervorragend funktioniert - und dass er es ermöglichen würde, dass das Wasser für die direkte Wiederverwendung als Trinkwasser künftige behördliche Richtlinien und Sicherheitsstandards erfüllt", sagte er.

Das Team führte ein erstes Experiment mit Platin in Batch-Reaktoren mit einigen Litern Wasser durch. Die Experimente waren erfolgreich, aber McCurry sagt, dass für eine Massenproduktion weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, um zu ermitteln, wie lange der Katalysator aktiv bleibt. Das Team untersucht auch, wie der Katalysator möglicherweise regeneriert werden kann. McCurry sagt, es sei auch wichtig, das System mit schmutzigerem Wasser zu testen, da der Katalysator dadurch verschmutzt und weniger wirksam werden kann.

Das Verfahren, für das das Team ein Patent angemeldet hat, soll nachhaltiger sein als alternative Methoden, bei denen möglicherweise zusätzliche Chemikalien und Energie eingesetzt werden müssen, so McCurry.

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