„Wissen schafft“ Wasser 3.0

Wasser 3.0 – Entfernung unerwünschter Stoffe aus dem Wasser

Wasser ist die wichtigste Ressource der Welt. Doch obwohl nahezu 70 Prozent der Erdoberfläche von Wasser bedeckt ist, stehen den Menschen nur etwa 0,007 Prozent der irdischen Wasservorräte direkt zur Verfügung. Gerade Pharmazeutika spielen hier eine nicht zu vernachlässigende Rolle.

Deren Wirkstoffe und Abbauprodukte werden durch Mensch und Tier ausgeschieden und gelangen über das Abwasser in den Wasserkreislauf. Hinzu kommen abgelaufene Medikamente, die über die Toilette entsorgt werden. Die Kläranlagen sind derzeit auf die Entfernung dieser Stoffe nicht ausgelegt oder haben längst das Limit ihrer Leistungsfähigkeit erreicht. Deshalb sind neue Konzepte notwendig, die das Wasser auch von diesen Substanzen reinigen und somit die Wasserqualität entscheidend verbessern.

Was ist Wasser 3.0?

Mit Wasser 3.0 StressFix entstand das erste effiziente Verfahren, um Pharmazeutika aus dem Abwasser zu entfernen. Doch Wasser 3.0 beschäftigt sich mit mehr als nur der Entfernung von Pharmazeutika.

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Hybridkieselgele können mittlerweile unabhängig von der Art und der Menge der unerwünschten Stoffe, passgenaue Materialien synthetisiert werden, die die organischen (z. B. Pharmazeutika, Pestizide), anorganischen (z. B. Blei, Cadmium, Quecksilber) und sogenannten inerten (z.B. Mikroplastik) Stressoren dezentral (am Ort der Entstehung) oder zentral (in Kläranlagen) entfernen.

Gute Idee trifft Gute Chemie
abcr GmbH – Gute Chemie

Eine revolutionäre Idee und ein starker Partner: Wasser 3.0 entstand durch die enge Zusammenarbeit zwischen Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen / Universität Koblenz-Landau und dem Spezialchemie-Experten abcr. Als Spezialist für R&D und Scale-up hat abcr das Projekt von der ersten Stunde an begleitet.

abcr unterstützt die Weiterentwicklung des innovativen Produktes von der Laboridee bis zum Einsatz im industriellen Maßstab.

  • R&D Service: Kundensynthesen, abcr Produktlinie
    Made in Germany, abcr Labor Bremen
  • Produktion: Synthesen und Scale-up im Tonnenmaßstab
    Made in Europe, abcr labs Spanien
  • Bulk Business: Beschaffung, Scale-up und Vertrieb
    von Rohmaterialien
  • Katalog Business: ++100.000 Spezialchemikalien
    & Exclusiv Produktportfolio
  • Service: Sourcing und Distribution weltweit,
    Lager- und Logistikprofi, Gefahrstoffversand international
Wasser 3.0 – Lösung: Hybridkieselgele
Gute Chemie – von der Laboridee bis zum Einsatz im industriellen Maßstab. (Foto: abcr)

Das Geheimnis von Wasser 3.0 sind innovative Hybridkieselgele aus der Produktionsstätte von abcr. Mit ihrer porösen Oberfläche können diese maßgeschneiderten Materialien große Mengen an Spurenstoffen aufnehmen, chemisch umwandeln und so fest fixieren. Das Konzept der Synthese modular adaptierbarer anorganischer und organischer Hybridkieselgele ist auch unter dem Begriff Funktionsdesign bekannt.

Alle Teilprojekte von Wasser 3.0 werden unter Einhaltung der Kriterien zur Ökoeffizienz und Nachhaltigkeit bearbeitet. Genau aus diesem Grund gehören die Entwicklung von Recyclingkonzepten, Arbeiten rund um die Energieeffizienz und das ganzheitliche Stoffstrommanagement ebenfalls zu den Forschungsbereichen.

StressFix und AdFix

Die modularen Hybridmaterialen bestehen aus einem anorganischen und einem organischen Teil und können als singuläre Lösung (StressFix) oder als Kombination (AdFix) verschiedenartiger Hybridkomponenten (Fix) und Aktivkohle (Ad) verwendet werden.

Synthetisch sind die Hybridkieselgele über Siloxan-Bindungen miteinander verknüpft. Der anorganische Teil besteht aus ein bis drei Siloxy-Funktionen und dient dem organischen Teil als Trägermaterial. Über den organischen Teil werden die Porengröße sowie Lage und Form der Gitterstruktur bestimmt und es erfolgt eine Anpassung an verschiedene Wirkstoffe und Wirkstoffgruppierungen. Dieser Bereich des Hybridmaterials besitzt die Fähigkeit über kovalente Bindungen als Kopplungspartner für die Stressoren zu fungieren. Die verwendeten Hybridkieselgele werden über unterschiedliche Wege innerhalb des sogenannten Sol-Gel-Prozesses hergestellt. Dabei bildet sich über Hydrolyse und Kondensation ein dreidimensionales Netzwerk aus. Das erhaltene strukturierte Hybridmaterial ist in der Lage, die organischen Rückstände im aquatischen Umfeld durch eine chemische Reaktion im wässrigen Milieu bei unterschiedlichen pH-Wert-Einflüssen irreversibel zu fixieren.

ESEM Aufnahmen verschiedener Hybridkieselgele (Maßstäbe: links 30µm, rechts 10µm)
ESEM Aufnahmen verschiedener Hybridkieselgele (Maßstäbe: links 30µm, rechts 10µm)
Wasser 3.0 – Konzept und Wirkungsweise

Wasser 3.0 basiert auf einem materialwissenschaftlichen Ansatz zur Lösung variabler Verschmutzungsprobleme. Variabel bedeutet hier, dass sich die Zusammensetzung der Verschmutzungsparameter und somit die Konzentration der Spurenstoffe im Gewässer verändern kann. Es ist das erste Verfahren, welches für die Abwassersanierung und Trinkwasseraufbereitung modular adaptierbare Hybridkieselgele als Fixierungsmaterialien für Stressoren bereitstellt (s. Grafik). Bei Wasser 3.0 rücken die funktionellen Gruppen der Stressorenmoleküle und deren Reaktivitäten gegenüber anorganisch-organisch strukturierten Materialien in den Vordergrund. Dieses Prinzip wird mit Funktionsdesign beschrieben.

Wirkungsweise von Wasser 3.0
Wirkungsweise von Wasser 3.0

Das Funktionsdesign beruht auf der Analyse der strukturellen Information der Einzelmoleküle und/oder Stoffklassen, die als Stressoren über die verschiedensten Eintragspfade in die aquatische Umwelt gelangen können. Im Vordergrund der passgenauen Synthesen der Hybridkieselgele steht der Einbau funktioneller Gruppen in die organische Untereinheit, die in der Lage ist, irreversibel organisch-chemische Reaktionen einzugehen. Diese können auch durch eine Veränderung in der Reaktionsführung (pH-Wert, Temperatur, Licht) induziert werden. Im Bereich der Schwermetall-Fixierung rückt zusätzlich eine Komplexierungsreaktion in den Fokus. Diese Komplexierung kann auch von Stressoren, die als stabilisierende Chelatliganden fungieren, unterstützt werden und zu einer Komplexierung von Schwermetallen unter gleichzeitiger Reduktion der Stressorenkonzentration führen. Über die Reaktivität der funktionellen Gruppen an Stressor und Hybridkieselgel wird die Entfernungsreaktion induziert.

Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen

Katrin Schuhen

Seit 2012 forscht Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen zusammen mit ihrer Arbeitsgruppe am Institut für Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau. Im Mittelpunkt ihrer Forschung steht die Entwicklung von innovativen Materialien, die Reststoffe vollständig aus Ab-(Wasser) und Trinkwasser entfernen. Der Fokus liegt dabei auf Hybridkieselgelen, die mit ihren organischen und anorganischen Einheiten ideale Reaktionspartner für die unterschiedlichsten Stoffe sind.

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