Nanotechnik für die Wasserpraxis war das Thema der Tagung. Fraunhofer UMSICHT lud am 10. November nach Oberhausen, um den Austausch über das Thema zwischen Stakeholdern aus Wissenschaft, Industrie, Politik und Gesellschaft zu fördern. Erklärtes Ziel der Tagungsreihe ist es, die Wasser- und Abwassertechnik stärker als bisher von Nanomaterialien und nanotechnischen Verfahren profitieren zu lassen.

Rund 10 000 öffentliche Kläranlagen sorgen in Deutschland für hohe Wasserqualitäten. Heutige Klärtechnik ist so ausgereift, dass das geklärte Abwasser die Kläranlage glasklar verlässt. Aber der Schein trügt. Viele Reststoffe aus der produzierenden Industrie gelangen unbeeinträchtigt in den Kläranlagenablauf. Dort reichern sie sich über Jahre und Jahrzehnte so stark an, dass sie in kritischer Konzentration nachgewiesen werden. Bisphenol A, ein Zusatz in Konservendosen, ist ein Beispiel für solch einen Reststoff. Schon in geringen Konzentrationen kann er zur Verweiblichung von Fischen führen. Auch der gestiegene Eintrag von schwerabbaubaren Arzneimitteln in Gewässer wird mit zunehmender »Überalterung« der Gesellschaft und dem gleichzeitigem Überangebot an medizinischen Präparaten zu einem ernsthaften Problem für die Umwelt.

Kleine Mengen – große Wirkung

Diclofenac, ein geläufiges, apothekenpflichtiges Schmerzmittel, wird mit herkömmlichen Verfahren kaum abgebaut und nahezu komplett in die Vorfluter eingeleitet. In Kläranlagen-abläufen und Oberflächengewässern wurden schon maximale Konzentrationen von Diclofenac von zwei Mikrogramm pro Liter gemessen. Das klingt wenig. Aber bereits die 1,5-fache Menge führt bei Fischen in weniger als einem Monat zu schwerwiegenden Organschäden.

Wenn kleine Schadstoffmengen unkontrolliert in die Umwelt gelangen, sind die Auswirkungen groß. In NRW zeigte dies vor fünf Jahren der Nachweis perfluorierter Tenside (PFT) in Gewässern drastisch. Landwirte hatten unwissentlich ein Abfallgemisch zur »Düngung« verwendet und auf landwirtschaftlich genutzte Flächen im Hochsauer-landkreis und im Kreis Soest aufgebracht. Von diesen Flächen aus waren die perfluorierten Verbindungen in die Flüsse Möhne und Ruhr gespült worden. Die Trinkwasserversorgung aus der Ruhr für über 4 Millionen Einwohner war davon betroffen!

Nanotechnologie optimiert traditionelle Klärtechnik

Fest steht, dass die traditionelle Klärtechnik nicht ausreicht, um hochkomplexe, schwer abbaubare Schadstoffe zu eliminieren. Der Einsatz von Nanotechnik in der Wasserpraxis kann Abhilfe schaffen.

Professor Mathias Ulbricht, der an der Universität Duisburg-Essen an neuen nanostrukturierten Membranen für die Wasseraufbereitung forscht, ist angetan von der Entwicklung der letzten Jahre: »Heute können mit nanostrukturierten Membranmaterialien sehr effektiv selektive Trennungen in der Wassertechnik durchgeführt werden. Und das bei einem hohen Durchsatz. Jetzt gilt es, schrittweise die Limitierungen der Technik aufzuheben. Gefragt sind Verfahren, mit denen gezielt ultradünne Schichten zum Schutz der Membranen aufgebracht werden können. Spannende Ergebnisse werden erwartet, wenn zusätzliche Eigenschaften, wie Absorptionsfähigkeit und katalytische Eigenschaften, in die Membranmaterialien integriert werden. Erreichbar wird dies zum einen durch die Kombination von Membranen, die es schon gibt und Nanomaterialien, die man separat herstellen kann. Membranen und Nanomaterialien schon während des Herstellungs-prozesses zu verbinden, das ist es, was die Industrie derzeit besonders interessiert. Weiterhin muss daran gearbeitet werden, die Effizienz von Membranen zu steigern sowie die Kosten zu minimieren. Insgesamt gesehen, sind schon eine ganze Reihe von Materialien und Verfahren etabliert, deren positiven Ergebnisse durch die Verwendung von Nanostrukturmaterialien bedingt sind.«

Technologie in der Übergangsphase

Die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von nanopartikulärem Titandioxid als effizientem Katalysator oder von leistungsstarken funktionalisierten Wasserfiltern sind in der Wasserpraxis noch nicht angekommen. Vielleicht liegt dies daran, dass Nanotechnik eine Querschnittstechnologie in der Übergangsphase ist. »Dann spricht man von „Emerging Risks“, was angesichts des „Neuen“ noch fehlende Erfahrung und Unsicherheiten zum Ausdruck bringt«, weiß der ehemalige Direktor der Swiss Re, Dr. Thomas Epprecht. »Wenn Zweifel bestehen, ob vom Wissen über Risiken bisheriger Technologien auf jene neuer Technologien geschlossen werden kann, wird es insbesondere bei jungen Querschnittstechnologie schwierig, den allmählichen oder multifaktorellen Wandel zu berücksichtigen.« Soll heißen: »Risiken technischer Quanten-sprünge sind – zumindest in der Übergangsphase – nicht immer identifiziert, beschrieben, bewertet oder verstanden.«, so Epprecht, der als unabhängiger Risikoexperte tätig ist.

Verhalten von Nanopartikeln in Wasser weitgehend unerforscht

Derzeit ist recht wenig darüber bekannt, was mit Nanopartikeln, die ins Wasser gelangen, passiert. Sind sie zurückholbar? Binden sie sich an andere Stoffe? Schließen sie sich zu größeren Partikeln zusammen? Erst allmählich bringen Forschungsarbeiten Licht ins Dunkel. So wie die Arbeiten von Dr. Ralf Kägi, der in der schweizerischen Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz, kurz Eawag, forscht. Er untersuchte mit seinem Team das Verhalten von Silbernanopartikeln im urbanen Wasserzyklus, speziell in Abwasserreinigungsanlagen und der Kanalisation. In einer Pilotanalage der Eawag zur Abwasserreinigung (70 Einwohnergleichwerte) wurde in einem Langzeitversuch Folgendes festgestellt: Die Silbernanopartikel haften an den Schlammflocken. Rund 95 Prozent der Silbernanopartikel werden mit dem Überschussschlamm abgezogen und gelangen nicht in den Vorfluter. Weiterhin wurde der Großteil des metallischen Silbers in unbelüfteten Becken zu Silbersulfid umgewandelt, das um mehrere Größenordnungen weniger toxisch als metallisches Silber ist. Herausfinden bleibt nun, ob sich die gewonnenen Ergebnisse auch auf oberflächenfunktionalisierte Silbernanopartikel übertragen lassen.

Mikrosiebe mit Beschichtungen im Nanometerbereich

»Wir haben uns bereits vor einigen Jahren von der Begeisterung für die Nanotechnik anstecken lassen und fassen bei uns unter dem Bergriff „nanoinspirierte Wasserforschung“ seitdem diverse Forschungsprojekte zusammen, die auf die Entwicklung völlig neuer, effizienter Verfahren zur Wasserreinigung abzielen.« umreißt Volkmar Keuter die Arbeiten bei Fraunhofer UMSICHT. Entwicklung und Einsatz metallischer Mikrosiebe gehören zu den Spezialitäten der Oberhausener. Mikrosiebe sind dünne Folien oder Wafer aus organischen oder anorganischen Materialien, die sich durch eine definierte reproduzierbare und geordnete Porengeometrie auszeichnen. Mikrosiebe können zur Herstellung von keimfreiem Trinkwasser, zur innovativen, umweltschonenden Behandlung von Abwasserströmen eine Schlüsselfunktion übernehmen.

Die Mikrofiltration ist längst etabliert. Milch und Trinkwasser beispielsweise werden damit keimfrei gemacht. Doch die klassischen Filter haben Nachteile. Bislang ist kaum ein Filter mit exakter Porengröße im Einsatz. Die Materialien weisen Löcher unterschiedlicher Durchmesser auf. Das macht es unmöglich, gezielt Partikel einer bestimmten Dicke – verschiedene Keime zum Beispiel – aus den Flüssigkeiten zu entfernen.

Die Mikrosiebe der Oberhausener sind mit Mikroporen exakt gleicher Größe ausgestattet. Um das wohlgeordnete Metallgitter herzustellen, nutzen die Forscher Schablonen. Darauf scheiden sie das Metall hauchdünn ab. Anschließend wird die Metallfolie abgelöst. Je nach Schablonen-Struktur lässt sich der Folie ein anderes Lochmuster aufprägen. Die herkömmlichen Filtermaterialien – mit Kunststoffen beschichtete Vliese, Keramiken oder der feinporige Naturstoff Kieselgur – sind deutlich weniger geordnet. Darüber hinaus ist ihr Durchfluss – die „Permeatleistung“ – bis zu zehn Mal größer als die herkömmlicher Schmutzbarrieren. Der Grund: Der Filter besteht aus hauchdünnem Metallfolien mit sehr glatter Oberfläche, die leicht von den Flüssigkeiten durchströmt werden.

Die Filtratleistung nimmt jedoch steil ab, sobald Schmutzwasser filtriert werden sollen. Die Partikel sammeln sich auf der Filteroberfläche, bilden einen Filterkuchen und verringern den Durchfluss. Von Zeit zu Zeit ist eine Reinigung fällig. Die Produktion steht dann still. Idee ist deshalb, die Oberfläche der Mikrosiebe so zu verändern, dass sich keine Filterkuchen ausbilden können. Dafür bringen die Forscher Schichten aus Titandioxid auf dem Mikrosieb auf, die bis zu 100 nm dünn sind. Titandioxid wird bei Belichtung mit UV-Licht aktiviert und leitet die chemische Zersetzung von organischen Schmutzstoffen und Bakterien auf der Oberfläche ein. Die Mikrosieboberfläche bleibt frei von störenden Partikeln. Positiver „Nebeneffekt“: Auch das filtrierte Wasser wird klarer, da andere organische Verunreinigungen, wie z. B. Spurenstoffe, an den Oberflächen der Mikrosiebe ebenfalls zersetzt werden.

Gegenwärtig experimentieren die Forscher mit neuartigen UV-LEDs um die Nanoschichten noch energiesparender und gezielter aktivieren zu können.

Keine Definition ist perfekt

Hohe reaktive Oberflächen und einzigartige Festigkeiten sind nur einige Eigenschaften, die nanotechnische Materialien als neuartige Werkstoffe für die Wassertechnik auszeichnen.

Doch beim Definitionsvorschlag von Nanomaterialien setzt die EU-Kommission nur auf deren Größe und nicht auf die Eigenschaften. Im Official Journal der EU wird Nanomaterial beschrieben als »ein natürliches, bei Prozessen anfallendes oder hergestelltes Material, das Partikel in ungebundenem Zustand, als Aggregat oder als Agglomerat enthält, und bei dem mindestens 50 Prozent der Partikel in der Anzahlgrößenverteilung ein oder mehrere Außenmaße im Bereich von 1 Nanometer bis 100 Nanometer haben.«

Der Beschluss der EU-Kommission für eine rein größenbezogene Definition schafft Probleme. Homogenisierte Milch etwa enthält Fettpartikel im Nanometerbereich. Sie könnte künftig absurder Weise als Nano-Produkt gekennzeichnet werden müssen. Verbraucher würde dies verunsichern. Denn trotz guter Informationsportale im Bereich Nanotechnologie, ist die Kommunikation darüber, noch auf den Expertenkreis beschränkt.

Nano meets water 2012

Die Kommunikation der Experten über Nanotechnik für die Wasser-Praxis wird im nächsten Jahr weitergehen, wenn es am 8. November 2012 bereits zum vierten Mal in Oberhausen bei Fraunhofer UMSICHT heißt: nANO meets water.

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Randinformationen zur Nanotechnik in Deutschland

Mittlerweile befassen sich bereits 1000 Unternehmen in Deutschland mit Nanotechnik. In Deutschland sind zwischen 50.000 und 100.000 Arbeitsplätze direkt oder indirekt von Nanotechnik abhängig. 75 Unternehmen beschäftigen sich in Deutschland nach eigenen Angaben mit Nanotechnik für die Umwelttechnik. Das BMBF fördert Nanotechnik in einem Aktionsplan Nanotechnologie 2015 im Rahmen einer Hightech-Strategie und stellt Fördermittel von 200 Millionen Euro zur Verfügung.