Nicht alle Substanzen werden in Kläranlagen abgebaut. Rückstände von Medikamenten, Bioziden und Industriechemikalien etwa gelangen daher in die Umwelt. Zwar verfügen Kläranlagen häufig über eine nachgeschaltete Aktivkohleadsorption, aber auch hier können diese Spurenstoffe nur zum Teil zurückgehalten werden. Hinzu kommt, dass Aktivkohle ein fossiler Rohstoff ist, der in erster Linie unpolare oder we­nig polare Substanzen binden kann. Polare und ionisierte Stoffe hingegen bleiben meist im Wasser zurück. Hier setzt das Projekt BioSorb an.

Fraunhofer UMSICHT entwickelt gemeinsam mit dem Fraunhofer ITWM neue Adsorptionsmittel für die Eliminierung von Spurenstoffen in kommunalen Abwässern. Die Adsorptionsmittel sollen auf nachwachsenden Rohstoffen basieren und dabei deutlich ressourcenschonender und auch selektiver als herkömmliche Aktivkohle vorgehen. Besonders proteinbasierte Materialien sind vielversprechende Biosorbenzien, da diese weltweit in großem Umfang und endlos vorhanden sind; oft sogar als Abfallstoffe.

Schritt für Schritt zu sauberem Wasser

Dazu wird beim Fraunhofer UMSICHT zunächst ein Screening verschiedener proteinhaltiger Materialien durchgeführt. Die natürlich nachwachsenden Rohstoffe werden genau untersucht und in ersten Adsorptionsversuchen in kleinem Maßstab auf ihre Eignung getestet. Erste Versuche zeigen, dass oftmals eine einfache chemische Behandlung – wie eine Kombination aus Säure- und Wärmebehandlung – die Adsorptionsfähigkeit deutlich verbessern kann.

Anschließend werden im Rahmen einer groß angelegten Versuchsreihe vielversprechende Materialien auf ihre Wirksamkeit als Adsorbenz gegenüber Perfluorbutansulfonsäure (PFBS) geprüft. PFBS ist ein Vertreter der 850 verschiedene Substanzen umfassenden Stoffgruppe der perfluorierten Tenside. Diese sind nahezu überall verbreitet, kaum abbaubar und oft gesundheitsschädlich. Eingesetzt werden sie z. B. als Imprägnierungsmittel für Papier, Kleidung und viele andere Materialien, in Feuerlöschschäumen und Reinigungsmitteln sowie als Antistatika bei der Chipherstellung. Über das Grund- und Oberflächengewässern gelangen sie in Kläranlagen, wo sie jedoch nicht abgebaut werden. 

Fraunhofer ITWM liefert Simulationsexpertise

Parallel zur Versuchsreihe erfolgt die Entwicklung eines numerischen Adsorptionsmodells. Das Fraunhofer ITWM nutzt dazu selbst entwickelte Simulationswerkzeuge. Dieses Vorgehen ermöglicht es, in Kombination mit hoher Rechnerkapazität und der Erfahrung mit Simulationsstudien, die Adsorbenzien und insbesondere Effekte chemischer Behandlungen mit einer Multiskalensimulation virtuell zu bewerten.

Basierend auf den Laborexperimenten und Erkenntnissen aus den Simulationen optimieren die Forschenden daraufhin die Biosorbenzien. In einem nächsten Schritt werden sie in Wasser getestet, das aus dem Kläranlagenablauf in Wuppertal-Buchenhofen stammt.