Chlorierte Kohlenwasserstoffe sind beliebte Lösungsmittel, zum Beispiel in der Metallverarbeitung. Und sie sind als Schadstoffe im Grundwasser weit verbreitet, sagt Primius Boldo, Professor an der Universität von Savoyen in Frankreich.
"Sie stammen aus der Industrie oder von chemischen Reinigungen. Es sind klassische Lösungsmittel und bekannte Schadstoffe im Wasser. Nicht in den Städten, aber in der Nähe älterer Industriestandorte findet man große Mengen chlorierter Lösungsmittel im Grundwasser."
Um solche Quellen dennoch zur Trinkwassergewinnung zu nutzen, müssen die chlorhaltigen Lösungsmittel so gut es geht entfernt werden. Ist die Konzentration nur gering, kann der Schadstoff mit Aktivkohle herausgefiltert werden. Doch wenn größere Mengen von Trichlorethylen und verwandten Substanzen eine Quelle verschmutzen, konnte diese bisher nicht genutzt werden. Primius Boldo versuchte daher, zwei Verfahren zu kombinieren, die – jedes für sich – bereits in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden: UV-Licht und Ultraschall.
"Unter dem Einfluss von UV-Licht und von Ultraschall entstehen sehr reaktionsfreudige Teilchen, die sogenannten Radikale. Diese Radikale sind im Stande, die Moleküle auseinanderzubrechen. So wird zum Beispiel Trichlorethylen völlig zersetzt, genau wie wenn man es verbrennt. Es entstehen dabei einerseits Chlorid-Ionen und andererseits Kohlendioxid."
Eine kalte Verbrennung also: ohne Flamme, nur mit UV-Licht und der Energie von Ultraschallwellen. Wie die Lösungsmittelmoleküle genau zerstört werden, ist noch nicht ganz klar. Bekannt ist, dass ultraviolette Strahlung chemische Bindungen angreift – auch solche von biologischen Molekülen. Deshalb nutzt man UV-Licht zur Desinfektion von Wasser. Lösungsmitteln setzen die ultravioletten Strahlen ebenfalls zu. Für eine Reinigung würde das allein aber nicht ausreichen.
"Der Haken dabei ist, dass die Lösunsgsmittelmoleküle direkt in Kontakt mit den aggressiven Radikalen kommen müssen. Die entstehen sehr schnell im ultravioletten Licht, aber die Flüssigkeit mischt sich nicht. Der größte Teil des Lösungsmittels kommt also gar nicht in die Nähe der UV-Quelle. Hier ist Ultraschall sehr effektiv. Er bewirkt, dass die Flüssigkeit durcheinander gewirbelt wird, so dass alle Lösungsmittelmoleküle in Kontakt mit der UV-Strahlung kommen."
Im Labor von Primius Boldo gelang es so, chlorhaltige Lösungsmittel in einem drei Liter großen Gefäß kalt zu verbrennen. Um die praktische Anwendung des Verfahrens zu erproben, stand der französische Forscher jedoch vor einer schwierigen Aufgabe. In diesem Fall genügt es nämlich nicht, statt eines kleinen Reaktors einfach einen 20 Mal größeren zu verwenden, der genauso aufgebaut ist.
"Die größte Herausforderung ist, industrietaugliche Materialien mit einer hohen Leistung zu finden. Bei der UV-Lampe ist das kein so großes Problem, weil UV-Licht auch zur Desinfektion eingesetzt wird und entsprechende Lampen auf dem Markt sind. Ziemlich schwierig ist es, eine leistungsfähige Ultraschallquelle aufzutreiben – wir sind dabei in Deutschland fündig geworden. Es ist auch nicht einfach, die Kombination hinzubekommen, also die bestmögliche Orientierung der Ultraschallquelle und der UV-Lampe zueinander zu finden. Dazu müssen die Strömungsverhältnisse im Reaktor genau eingestellt werden."
Es war also viel Tüftelei nötig, bis die Fachleute einen Reaktor konstruiert hatten, der 60 Liter fasst. Das verunreinigte Wasser wird sehr langsam hindurchgepumpt: Im Laufe einer Stunde wird der Inhalt höchstens vier Mal ausgetauscht. Das klingt nicht nach viel, aber ein Wasserwerk könnte eine große Zahl dieser Module parallel betreiben. Die lange Verweildauer im Reaktor ist wichtig; nur so werden immerhin fast drei Viertel der Menge an Trichlorethylen abgebaut. Der Rest kann mit Aktivkohle herausgefiltert werden. Den französischen Wasserversorger Suez hat die "kalte Verbrennung" aus dem Labor von Primius Boldo überzeugt: Das Unternehmen will das Verfahren schon bald bei verschmutzten Quellen einsetzen.
"Sie stammen aus der Industrie oder von chemischen Reinigungen. Es sind klassische Lösungsmittel und bekannte Schadstoffe im Wasser. Nicht in den Städten, aber in der Nähe älterer Industriestandorte findet man große Mengen chlorierter Lösungsmittel im Grundwasser."
Um solche Quellen dennoch zur Trinkwassergewinnung zu nutzen, müssen die chlorhaltigen Lösungsmittel so gut es geht entfernt werden. Ist die Konzentration nur gering, kann der Schadstoff mit Aktivkohle herausgefiltert werden. Doch wenn größere Mengen von Trichlorethylen und verwandten Substanzen eine Quelle verschmutzen, konnte diese bisher nicht genutzt werden. Primius Boldo versuchte daher, zwei Verfahren zu kombinieren, die – jedes für sich – bereits in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden: UV-Licht und Ultraschall.
"Unter dem Einfluss von UV-Licht und von Ultraschall entstehen sehr reaktionsfreudige Teilchen, die sogenannten Radikale. Diese Radikale sind im Stande, die Moleküle auseinanderzubrechen. So wird zum Beispiel Trichlorethylen völlig zersetzt, genau wie wenn man es verbrennt. Es entstehen dabei einerseits Chlorid-Ionen und andererseits Kohlendioxid."
Eine kalte Verbrennung also: ohne Flamme, nur mit UV-Licht und der Energie von Ultraschallwellen. Wie die Lösungsmittelmoleküle genau zerstört werden, ist noch nicht ganz klar. Bekannt ist, dass ultraviolette Strahlung chemische Bindungen angreift – auch solche von biologischen Molekülen. Deshalb nutzt man UV-Licht zur Desinfektion von Wasser. Lösungsmitteln setzen die ultravioletten Strahlen ebenfalls zu. Für eine Reinigung würde das allein aber nicht ausreichen.
"Der Haken dabei ist, dass die Lösunsgsmittelmoleküle direkt in Kontakt mit den aggressiven Radikalen kommen müssen. Die entstehen sehr schnell im ultravioletten Licht, aber die Flüssigkeit mischt sich nicht. Der größte Teil des Lösungsmittels kommt also gar nicht in die Nähe der UV-Quelle. Hier ist Ultraschall sehr effektiv. Er bewirkt, dass die Flüssigkeit durcheinander gewirbelt wird, so dass alle Lösungsmittelmoleküle in Kontakt mit der UV-Strahlung kommen."
Im Labor von Primius Boldo gelang es so, chlorhaltige Lösungsmittel in einem drei Liter großen Gefäß kalt zu verbrennen. Um die praktische Anwendung des Verfahrens zu erproben, stand der französische Forscher jedoch vor einer schwierigen Aufgabe. In diesem Fall genügt es nämlich nicht, statt eines kleinen Reaktors einfach einen 20 Mal größeren zu verwenden, der genauso aufgebaut ist.
"Die größte Herausforderung ist, industrietaugliche Materialien mit einer hohen Leistung zu finden. Bei der UV-Lampe ist das kein so großes Problem, weil UV-Licht auch zur Desinfektion eingesetzt wird und entsprechende Lampen auf dem Markt sind. Ziemlich schwierig ist es, eine leistungsfähige Ultraschallquelle aufzutreiben – wir sind dabei in Deutschland fündig geworden. Es ist auch nicht einfach, die Kombination hinzubekommen, also die bestmögliche Orientierung der Ultraschallquelle und der UV-Lampe zueinander zu finden. Dazu müssen die Strömungsverhältnisse im Reaktor genau eingestellt werden."
Es war also viel Tüftelei nötig, bis die Fachleute einen Reaktor konstruiert hatten, der 60 Liter fasst. Das verunreinigte Wasser wird sehr langsam hindurchgepumpt: Im Laufe einer Stunde wird der Inhalt höchstens vier Mal ausgetauscht. Das klingt nicht nach viel, aber ein Wasserwerk könnte eine große Zahl dieser Module parallel betreiben. Die lange Verweildauer im Reaktor ist wichtig; nur so werden immerhin fast drei Viertel der Menge an Trichlorethylen abgebaut. Der Rest kann mit Aktivkohle herausgefiltert werden. Den französischen Wasserversorger Suez hat die "kalte Verbrennung" aus dem Labor von Primius Boldo überzeugt: Das Unternehmen will das Verfahren schon bald bei verschmutzten Quellen einsetzen.