Vom Schadstoff zum Wertstoff: Abwasser reinigen, Schätze entdecken
Forscher entwickeln ein 2-in-1-Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen und zur Rückgewinnung wertvoller Seltenerdelemente aus Wasser
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Normalerweise werfen wir ein kaputtes Kameraobjektiv, Kopfhörer oder ein altes Handy weg, das nicht mehr funktioniert und nicht mehr repariert werden kann, da sie uns nutzlos erscheinen, wenn sie nicht mehr funktionieren. Diese Gegenstände enthalten jedoch Seltenerdelemente (REE), die unter anderem in Magneten, der Supraleitung, der Optik und in Batterien zum Einsatz kommen. Wenn solche Gegenstände ins Wasser gelangen, wird die Rückgewinnung von Seltenerdelementen schwierig.
Andererseits können durch industrielle Aktivitäten giftige Metalle wie Blei, Cadmium, Nickel und Mangan in dasselbe Wasser gelangen. Die Herausforderung besteht nicht mehr nur darin, diese unerwünschten, schädlichen Metallverunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen, sondern auch darin, die wertvollen Seltenen Erden effizient zurückzugewinnen.
Was wäre, wenn eine einzige Strategie helfen könnte, beide Probleme anzugehen? Als einen Schritt in diese Richtung haben Forscher des Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), der Universität Cambridge und der Universität Birmingham gemeinsam ein Verfahren entwickelt, das auf einer Klasse hochporöser Materialien basiert, den sogenannten metallorganischen Gerüsten (MOFs). Diese können giftige Metalle effizient aus dem Wasser binden und gleichzeitig wertvolle Seltene Erden aus Abfallströmen zurückgewinnen. Die in „Nature Protocols“ veröffentlichte Studie liefert einen Rahmen für die Entwicklung, Charakterisierung und den Einsatz von MOFs in der Wasseraufbereitung sowie in Anwendungen der Kreislaufwirtschaft unter realen Bedingungen.
Ein intelligenter Filter
Stellen Sie sich das MOF als ein molekulares Fischernetz vor. Seine unzähligen Poren bilden eine riesige Fangfläche, während speziell gestaltete chemische Bindungsstellen wie Haken wirken, die sich an bestimmte Metalle anlagern können. Die Forscher haben dieses Netz so abgestimmt, dass es vorrangig die Metalle einfängt, nach denen sie suchen. Das ist vergleichbar mit dem Identifizieren und gezielten Herauspicken roter und grüner Murmeln aus einem Eimer, der Hunderte von Murmeln in verschiedenen Farben enthält.
Manche MOFs können eine innere Oberfläche von bis zu 7.000 Quadratmetern pro Gramm aufweisen. Um diese Zahl zu veranschaulichen: Ein Gramm mag wie eine winzige Prise Pulver aussehen, doch im Inneren verbirgt sich eine Oberfläche, die mit einem ganzen Fußballfeld vergleichbar ist!
Diese riesige innere Oberfläche macht MOFs als Adsorptionsmittel attraktiv. Einfach ausgedrückt fungieren sie als Materialien, die Substanzen an ihrer Oberfläche festhalten. Während herkömmliche Methoden wie Fällung, Koagulation und Flockung für die Wasseraufbereitung nützlich sein können, sind sie im Allgemeinen pH-empfindlich, wobei die optimale Entfernung auf enge Bereiche beschränkt ist. Grob gesagt bewirkt die Fällung, dass sich schwere Verunreinigungen absetzen, die Koagulation führt dazu, dass sich Verunreinigungen zu Klumpen zusammenballen, und bei der Flockung stoßen kleine Verunreinigungsklumpen zusammen und wachsen zu größeren Clustern heran, die abgetrennt werden können.
Diese Ansätze erfordern zudem eine umfangreiche Infrastruktur und erzeugen große Mengen an Schlamm – einem zähflüssigen, schlammigen Abfall, der anschließend entsorgt werden muss. Andere Verfahren, wie beispielsweise die elektrochemische Behandlung, sind mit hohen wirtschaftlichen und ökologischen Kosten verbunden.
Die Adsorption bietet eine effektive Alternative, die einfach zu handhaben ist, ein breites Anwendungsspektrum aufweist und bereits bei niedrigen Schadstoffkonzentrationen wirksam ist. Da sie auf das Ausmaß der Affinität der Zielmetalle zur maßgeschneiderten Oberfläche abzielt, hat sie das Potenzial, 90–99 % der Schadstoffe wie ein hochselektiver Filter zu entfernen! Durch den Einsatz adsorptionsbasierter Verfahren wird zudem die Entstehung von Sekundärschadstoffen vermieden, und die Materialien lassen sich regenerieren und wiederverwenden. In diesem Bereich zeichnen sich MOFs durch ihre außergewöhnliche Gestaltungsflexibilität beim Einfangen und Rückgewinnen von Metallen aus.
Jenseits des Labors
In der Praxis enthalten Industrieabwässer – also Abfallprodukte, die aus Produktions-, Bergbau- und chemischen Verarbeitungsanlagen in Gewässer eingeleitet werden – nicht nur ein, sondern viele Metalle sowie weitere Schadstoffe wie Pestizide, Reinigungsmittel und organische Schadstoffe.
Das Protokoll beschreibt eine Methodik, mit der MOFs unter kontrollierten Bedingungen als Adsorptionsmittel zur Rückgewinnung und Entfernung von Metallen eingesetzt werden können. Das Protokoll umfasst Tests in komplexen realen Szenarien. So wurden beispielsweise die Entfernung und Rückgewinnung anhand von Abwasser bewertet, das alkalisch (pH ~ 8,5), trüb und reich an gelösten festen Verunreinigungen ist. Die Methode wurde zudem in künstlichem Meerwasser und Proben aus Elektronikschrott getestet. Der in dieser Studie entwickelte Arbeitsablauf lässt sich auf ähnliche Adsorptionsmittel und andere Schadstoffe anwenden.
„Für mich war der interessanteste Aspekt, zu beobachten, wie das MOF in unserem Protokoll erhebliche Adsorptionskapazitäten zeigte“, sagte Dhruv Menon (BTech, IITGN). Er fügte hinzu: „Die Experimente zeigten, dass ein Gramm des kupferbasierten MOF fast ein halbes Gramm Blei (490 mg/g) sowie jeweils etwa ein Viertel Gramm Cadmium (264 mg/g) und Mangan (226 mg/g) binden konnte. Bei Seltenerdelementen konnte es etwa ein Drittel Gramm pro Gramm Material binden (351 mg/g Neodym, 343 mg/g Yttrium, 335 mg/g Dysprosium, 337 mg/g Terbium und 345 mg/g Europium).“ Herr Menon ist derzeit Doktorand am Institut für Chemieingenieurwesen und Biotechnologie der Universität Cambridge.
Auf dem Weg zur Nachhaltigkeit
Wie Prof. Superb Misra erläutert: „Es besteht Bedarf an Ansätzen, die mehrere ökologische Herausforderungen gleichzeitig lösen können. Unser Fokus lag darauf, die Leistungsfähigkeit von MOFs so zu optimieren, dass sie für Anwendungen in der Umweltsanierung eingesetzt werden können. Allerdings ist es entscheidend zu verstehen, dass kontrollierte Chargenversuche das Verhalten in komplexem Abwasser nicht vollständig vorhersagen können. Es müssen Faktoren wie die Herstellung im großen Maßstab, Kostenanalysen, die Lebenszyklusanalyse von MOFs und behördliche Prüfungen berücksichtigt werden“, so Dr. Misra, der den Jibaben-Patel-Lehrstuhl am Fachbereich Werkstofftechnik des IITGN innehat und als leitender Forscher der Bio-Nano-Materials-Gruppe tätig ist.
Zu den weiteren an dieser Studie beteiligten Teammitgliedern gehörten Prathmesh Bhadane (Ph.D., IITGN; Postdoktorand, IIT Bombay), Priya Mahato (Doktorandin, IITGN), Prateek Goyal (Ph.D., IITGN), Dr. Iseult Lynch (Professorin, Fakultät für Geografie, Erd- und Umweltwissenschaften, Universität Birmingham) sowie Dr. Swaroop Chakraborty (NERC-Stipendiat, Universität Birmingham).
Diese Forschung steht im Einklang mit dem „Critical Mineral Recycling Incentive Scheme“ der indischen Regierung, das Teil der „National Critical Mineral Mission“ ist und darauf abzielt, inländische Recyclingkapazitäten für die Trennung und Gewinnung kritischer Mineralien aus Sekundärquellen, einschließlich wachsender Mengen an Elektronik- und Batterieabfällen, aufzubauen. Das IIT Gandhinagar ist Partner des „Centre of Excellence on National Critical Minerals Mission“, das am IIT (ISM) Dhanbad angesiedelt ist. Die Ergebnisse stehen zudem im Einklang mit der britisch-indischen Initiative für Technologiesicherheit („UK-India Technology Security Initiative“), die eine Zusammenarbeit bei der nachhaltigen Gewinnung und Rückgewinnung kritischer Mineralien aus Abfallströmen am Ende ihrer Lebensdauer vorsieht. Sie decken sich außerdem mit den Zielen 6, 9 und 12 der Ziele für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen, die sich auf sauberes Wasser und Sanitärversorgung, Industrie und Innovation sowie verantwortungsvollen Konsum und verantwortungsvolle Produktion konzentrieren.
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