Universität Koblenz Landau

Wasser 3.0.

Problemfeld: Wasser

Problemfeld: Wasser

Die Oberfläche der Erde ist zu ca. 71% von Wasser bedeckt. Hiervon stehen dem Menschen jedoch lediglich 0,3% unmittelbar als Trinkwasser zur Verfügung. Dies macht Wasser und dessen Verfügbarkeit und Qualität nicht nur zu einer besonders kostbaren Ressource, sondern auch zu einem viel diskutiertem entwicklungs- und umweltpolitischem Problem. Seit dem Jahr 2000 ist die Weltbevölkerung um mehr als 1 Milliarde Menschen auf derzeit 7,3 Milliarden Menschen angewachsen. Im gleichen Zeitraum ist der globale Wasserbedarf um etwa 20% gestiegen. Die Situation wird verschärft durch den bis zum Jahr 2050 prognostizierten weiteren Anstieg des globalen Wasserbedarfes um zusätzliche 55% und die damit zunehmend einhergehenden Nutzungskonflikte. Die Übernutzung der globalen Wasserressourcen prägt bereits heute das Erscheinungsbild der Erde. Der Wassermangel hat dabei nicht nur Folgen für den einzelnen Menschen, die Ökosysteme und die wirtschaftliche Entwicklung. Unzureichende Basisversorgung mit Wasser ist zusätzlich auch ein Faktor, der die Stabilität politischer Systeme schwächen kann. Für das Jahr 2050 wird erwartet, dass 40% der Weltbevölkerung in Gebieten mit Wasserstress lebt.

Wasser ist eine unverzichtbare Grundvoraussetzung für eine nachhaltige Entwicklung. Intakte Ökosysteme stellen Rückzugsräume für Mensch und Natur dar und garantieren die langfristige Verfügbarkeit von Wasser. Die Wertschätzung von Ökosystemleistungen sowie die Methoden zur Ermittlung des Wasserbedarfs von Ökosystemen unterlagen in jüngerer Zeit einem erheblichen Wandel. Eine methodisch konsistente, aktuelle und umfassende Zustandsbeschreibung der globalen Wasserressourcen und der damit verbundenen Ökosysteme ist daher eine zentrale Voraussetzung für fundierte regionale und globale Zielsetzungen. Ohne eine gesicherte Wasserversorgung und eine effiziente Abwasserentsorgung sind eine erfolgreiche Armutsbekämpfung, gesellschaftlicher Wohlstand, gesundes Wirtschaftswachstum und effizienter Umweltschutz nicht möglich. Dennoch sehen sich nach wie vor ca. 1,2 Milliarden Menschen weltweit von extremer Wasserknappheit bedroht und rund 748 Millionen Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser. Mehr als doppelt so hoch ist mit 2,5 Milliarden jedoch die Zahl derjenigen, die ohne sanitäre Grundversorgung leben müssen – d.h. sie haben weder eine Toilette, noch einen Anschluss an die Abwasserentsorgung. Die Folgen, die sich hieraus für die betroffenen Menschen selbst, aber auch für die ökonomische und ökologische Entwicklung ihrer Heimatländer ergeben, gleichen einer ,,stillen Tragödie“. Besonders betroffen sind hiervon Städte in den so genannten Entwicklungsländern, da hier auf verhältnismäßig engem Raum sowohl der Wasserverbrauch, als auch der Verschmutzungsgrad desselben bzw. die anfallende Abwassermenge besonders hoch sind. Häufig fehlen adäquate Infrastrukturen zur Abwasserentsorgung und –wiederaufbereitung, sodass den Bewohnern dieser Städte zumeist nur noch schmutziges Wasser zur Verfügung steht. Dies legt die Vermutung nahe, dass eine zuverlässige Trinkwasserversorgung nur im Zusammenspiel mit einer effizienten Abwasserentsorgung verwirklicht werden kann.

Anthropogene Stressoren in der Umwelt

Anthropogene Stressoren in der Umwelt

Die Herkunft sogenannter anthropogen eingetragener, organischer (z.B. Pharmazeutika und Pestizide), anorganischer (z.B. Schwermetalle) und inerter (z.B. Mikroplastik) Spurenstoffe, die sich in kommunalen Abwässern und Gewässern weltweit in unterschiedlichen Konzentrationen wiederfinden, ist vielfältig. Stoffgruppen wie Industriechemikalien oder Pflanzenbehandlungs- und Schädlingsbekämpfungsmittel (PBSM) werden schon seit Jahrzehnten in der aquatischen Umwelt nachgewiesen und deren Auswirkungen auf das Ökosystem untersucht. Insbesondere Pharmazeutika, Körperpflegemittel oder Abfallstoffe aus industriellen Prozessen sind erst in der jüngeren Vergangenheit durch die Weiterentwicklung der analytischen Nachweismethoden in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Unabhängig von den Eintragspfaden und den Arten von Stressoren müssen prozesstechnische Erweiterungen bereits vorhandener Reinigungsstufen oder neue Reinigungsstufen für Kläranlagen und Trinkwasseraufbereitungsanlagen so entwickelt und konzeptioniert werden, dass sie gegenüber einer möglichst großen Anzahl von unterschiedlichen Stressoren funktionieren und die entsprechenden Reduktionsraten erzielen, die im Nachgang die Wasserqualität maßgeblich verbessern. Konzepte, die neben der Entfernung von Schadstoffen auch gekennzeichnet sind durch Konkurrenzreaktionen und/ oder nicht kontrollierbaren Neben- und Abbaureaktionen (z.B. Physisorption, Radikalbildung, Bildung (öko-)toxischer Abbauprodukte) bergen stets limitierende Faktoren. Ganzheitliche Ansätze, die die Faktoren Gewässerschutz, Ressourceneinsatz, Energie und Recycling gleichermaßen betrachten, stellen große Herausforderungen für die Wissenschaft dar.

Wasser 3.0 – Konzept und Wirkungsweise

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 (Abb.1). 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.

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Abb. 1: 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.

Wasser 3.0 – Die Materialien

Wasser 3.0 – Die Materialien

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.

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Abbildung 2: ESEM Aufnahmen verschiedener Hybridkieselgele (Maßstäbe: links 30µm, rechts 10µm)

Forschung aus dem Labor und die direkte Umsetzung in die Realität

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Eine revolutionäre Idee und starke Partner: Wasser 3.0 entstand durch die enge Zusammenarbeit zwischen Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen, ihrem Team und dem Spezialchemie-Experten abcr sowie Prozesstechnikern mit Expertisen in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen.

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