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StartseiteForschung aktuellMit Nanopartikeln gegen Schwermetalle 04.02.2019

Grundwasser-ReinigungMit Nanopartikeln gegen Schwermetalle

Geraten Schadstoffe ins Grundwasser, ist die herkömmliche Reinigung nicht nur langwierig sondern auch teuer. Forscher der Universität Duisburg-Essen haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich bis zu 95 Prozent der toxischen Substanzen stoppen lassen – wenn die Rahmenbedingungen stimmen.

Von Simon Schomäcker

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Stark verschmutztes Wasser im englischen Ort Walsall. (Imago/RobertBook Photofusion)
Herkömmliche Methoden zur Grundwasser-Reinigung sind "irrwitzig teuer“, sagt Rainer Meckenstock vom Forschungsprojekt "ReGround". (Imago/RobertBook Photofusion)
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Eine ehemalige Pyrit-Rösterei im portugiesischen Barreiro. Obwohl hier schon lange keine Erze mehr gebrannt werden, gilt die Industriebrache als Umweltproblem. Denn der Boden auf dem Gelände ist durch Schwermetalle wie Arsen und Blei verunreinigt. Damit sich diese toxischen Substanzen mit dem Grundwasser nicht weiter ausbreiten, sind aufwändige Gegenmaßnahmen nötig, erklärt Professor Rainer Meckenstock, Experte für Wasser-Mikrobiologie von der Universität Duisburg-Essen.

Rainer Meckenstock: "Sehr gängig ist, dass man an der Stelle das Wasser rauspumpt, dann wird es an der Oberfläche gereinigt mit bestimmten Maßnahmen. Für Schwermetalle würden Sie spezielle Adsorberharze haben, an die die Schwermetalle binden und somit aus dem Wasser entfernt werden. Und wenn es dann sauber ist, wird es an anderer Stelle wieder reingepumpt. Diese Maßnahmen sind wirksam, aber sie brauchen sehr, sehr lange – und sie sind irrwitzig teuer."

Je nach Größe und Kontamination eines Geländes kann es mehrere Wochen dauern, bis die Rohre der Reinigungsanlage gesetzt sind und alles betriebsbereit ist. Rainer Meckenstock hat deshalb mit einem Forscherteam eine alternative Methode entwickelt. "ReGround" - so haben die Wissenschaftler ihr Forschungsprojekt getauft. Als Basismaterial dienen Eisenoxid-Nanopartikel. Eisenoxid ist schließlich von vornherein im Boden vorhanden und damit nicht umweltschädlich.

Rainer Meckenstock: "Wir hatten diese Nanopartikel entwickelt, eigentlich für einen anderen Zweck, um damit organische Schadstoffe abbauen zu können. Dann kam mir plötzlich mal die Idee, dass man die ja auch für Schwermetalle nehmen könnte, weil Schwermetalle sehr stark an Eisenoxide binden."

Nanopartikel verhalten sich wie Wasser

Die ehemalige Pyritrösterei im portugiesischen Barreiro und eine ähnliche Industriebrache in Spanien waren die perfekten Versuchsobjekte. Denn die Kontamination der Böden ist dort extrem hoch. Somit konnten die Wissenschaftler ihr System umfangreich testen. Aber zuerst mussten die Fließeigenschaften des Eisenoxids optimiert werden, um zu verhindern, dass die Partikel zusammen klumpen, erläutert die Chemikerin Beate Krok.

Beate Krok: "Wir synthetisieren die Partikel so, dass sie metastabil sind. Das heißt, sie sind gelöst, verhalten sich wie Wasser."

So können sich die in Wasser gelösten Eisenoxid-Partikel gleichmäßig im Boden verteilen. Durch die Reaktion mit dem Grundwasser lagern sich die Partikel im Boden ab und binden die Schadstoffe an sich. Fachleute sprechen hierbei von Adsorption.

Wie viel von dem Eisenoxid tatsächlich eingebracht werden muss, hängt von mehreren Faktoren ab, weiß Beate Krok: "Das kommt ganz auf die Kontamination an, die wir dort vorfinden. Wir haben bestimmte Adsorptionskapazitäten für die Partikel, die wir bestimmt haben. Wir berücksichtigen natürlich auch den Grundwasserfluss, also wie schnell fließt es durch die Barriere."

Einfache Messpunkte zur Grundwasserqualität - sogenannte Pegel - reichen aus, um die Eisenoxid-Partikel einzubringen. So könnte auch bei laufendem Industriebetrieb eine Reinigungsbarriere installiert werden, sagt Rainer Meckenstock: "Wir müssen da nicht großartig was ausbaggern. Sondern wir sind ziemlich kurz an einem Standort, injizieren unsere Partikel – und dann ist das für die nächsten 20 Jahre okay."

Nicht für jedes Gelände die richtige Methode

Die Tests belegen: Bis zu 95 Prozent der Schadstoffe lassen sich mit der neuen Methode stoppen. Trinkwasserqualität erreicht das Grundwasser dadurch zwar nicht, aber es wird deutlich sauberer. Übersteigt die Schwermetall-Konzentration eine kritische Schwelle, ist die Eisenoxid-Barriere allerdings überfordert – so geschehen auf den Versuchsgeländen in Portugal und Spanien.

Rainer Meckenstock: "Da haben wir teilweise bis zu sechs Gramm Blei pro Kilogramm Sediment gehabt. Wenn Sie so massive Belastungen haben, dann ist das nicht mehr die richtige Methode."

Außerdem bestimmen die Durchlässigkeit des Bodens und der pH-Wert des Wassers, ob das Grundwasser erfolgreich gereinigt werden kann. Beate Krok: "Niedrigen pH haben wir, wenn wir saures Wasser haben, wie zum Beispiel im Bergbau. Und da ist die Adsorption für Zink zum Beispiel nicht so gut."

Seine Forschungsergebnisse zeigt das Wissenschaftler-Team nun verstärkt auf Fachmessen. Außerdem haben die Forscherinnen und Forscher einen Film produziert, der den Einsatz der neuen Methode dokumentiert. Das Team möchte so zeigen, dass sich das Grundwasser in schadstoffbelasteten Regionen – unter geeigneten Umständen - ohne komplizierte Pumpentechnik reinigen lässt.

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