Wissenschaftler aus Stuttgart, Karlsruhe und Würzburg haben im Auftrag der Baden-Württemberg Stiftung ein Verfahren entwickelt, um den Rohstoff Phosphat mithilfe magnetischer Mikropartikel aus dem Abwasser zu fischen. In einer aktuellen Studie stellen die Forscher zwei Materialien vor, die sich besonders gut für die Beschichtung der Partikel eignen.
Phosphat ist für alle Lebewesen ein essenzieller Nährstoff. Mit wachsender Weltbevölkerung steigt auch der Bedarf an phosphathaltigen Düngemitteln, für die gut 80% des weltweit geförderten Phosphats verbraucht werden. Während der Vorrat an Rohphosphat zunehmend verknappt, reichert sich der Nährstoff im Abwasser an – mit negativen Folgen für die Umwelt, wie zum Beispiel dem unerwünschten Wachstum von Algen in stehenden Gewässern.
Kreislauf im Klärbecken. bdw-Grafik; © Fraunhofer ISC, R. Bischoff
Die meisten gängigen Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat aus Abwasser sind mit einem hohen Verbrauch an Chemikalien verbunden. Ausnahme ist ein Verfahren namens „SuPaPhos“, in dessen Entwicklung die Baden-Württemberg Stiftung im Rahmen ihres über 4 Millionen Euro schweren Programms „Umwelttechnologieforschung“ investiert. Um den Nährstoff unter minimalem Chemikalieneinsatz aus dem Wasser zu fischen, haben die Wissenschaftler hinter dem Projekt spezielle, 20 Mikrometer große Partikel entwickelt, die sich auf zweifache Weise auszeichnen: Zum einen sind die Partikel magnetisierbar. Dadurch lassen sie sich mithilfe eines Magneten jederzeit auf einfache Weise wieder aus dem Wasser entfernen. Zum anderen ist die Hülle der Kügelchen so konstruiert, dass sich das Phosphat gut daran anlagern, aber auch wieder abgelöst werden kann. Dies ermöglicht einen wiederholten Einsatz der Partikel im Klärbecken (siehe Grafik).
Großes Interesse am Verfahren
Das Verfahren, bei dem Ingenieure vom Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie mit Chemikern vom Fraunhofer Institut für Silicatforschung in Würzburg und Bronnbach kooperieren, hat bereits viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen: Im vergangenen Jahr erhielt Dr. Karl Mandel, der im Rahmen seiner Promotion entscheidend zur Entwicklung der Mikropartikel beigetragen hat, hierfür den mit 25.000 Euro dotierten Studienpreis der Körber-Stiftung. Die Baden-Württemberg Stiftung sieht in der Technologie so großes Potenzial, dass sie diese gleich in mehreren Ländern zum Patent angemeldet hat.
Gute Ergebnisse bei Versuchen im großen Maßstab
Die Wissenschaftler stehen aktuell vor der Herausforderung, das Verfahren zu optimieren und zu demonstrieren, dass es auch im großen Maßstab funktioniert. Im Zuge der Optimierung hat Asya Drenkova-Tuhtan am Stuttgarter ISWA mit ihren Kollegen aus einer Reihe von Metallhydroxiden diejenigen identifiziert, die sich am besten für die Beschichtung der Mikropartikel eignen. „Insgesamt hatten wir über 50 Verbindungen im Test“, sagt Frau Drenkova-Tuhtan. „Auf Basis der Stabilität und der Phosphoreliminationsleistung haben wir 13 dieser Materialien ausgewählt, um sie genauer zu untersuchen.“
Sowohl mit destilliertem Wasser, das sie mit Phosphat angereichert hatten, als auch mit kommunalem Abwasser testeten die Wissenschaftler, wie schnell diese Materialien welche Mengen an Phosphat aufnehmen. Je nach Zusammensetzung des Materials hafteten bei neutralem pH-Wert innerhalb einer Stunde zwischen 32 und 47 Milligramm Phosphor pro Gramm Adsorber an.
Die beste Leistung zeigten dabei zwei Materialien, die den Schlüsselbestandteil Zink enthielten, und zwar Zink-Eisen-Zirkon- und Calcium-Zink-Eisen-Zirkon-haltige Hydroxide. An diesen haftete das Phosphat nicht nur verhältnismäßig spezifisch in großen Mengen an. In einem Bad aus verdünnter Natronlauge löste sich das Phosphat auch gut wieder ab. So konnten die Wissenschaftler den Prozess über 50mal wiederholen, ohne dass es zu einem Materialverschleiß kam.
Als nächstes planen die Forscher am ISWA, mit einem Kilogramm Zink-Eisen-Zirkon-Hydroxid-beschichteter Partikel einen Pilotversuch durchzuführen. Damit lassen sich über 400 Liter Abwasser von ihrer Phosphatfracht befreien. Um die Phosphat-beladenen Partikel wieder aus dem Abwasser zu entfernen, steht bereits ein Magnet-Trommelabscheider am Stuttgarter ISWA.
„Wenn die Aufskalierung des Verfahrens funktioniert, könnte man es in kommunalen Kläranlagen einsetzen und damit den Phosphatgehalt des Abwassers unter die Bestimmungsgrenze senken“, sagt Asya Drenkova-Tuhtan. „Darüber hinaus eignet sich die Methode sogar für Industrieabwässer, die über 50 mal mehr Phosphat enthalten können als kommunales Abwasser.“
Weitere Informationen:
www.iswa.uni-stuttgart.de
