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Umweltchemie: Abwasserreinigung mit Sonnenlicht

Neu entwickelte Katalysatoren können mit Hilfe von normalem Sonnenlicht auch hartnäckige Verunreinigungen im Abwasser zersetzen, mit denen die Mikroben in Kläranlagen nicht fertig werden.


Von den unzähligen neuartigen chemischen Verbindungen, die im Laufe des 20. Jahrhunderts den Weg aus den Syntheselabors in die Fabriken oder Haushalte gefunden haben, beenden viele ihre Laufbahn im Abwasser – als Verunreinigung oder gar Schadstoff. Mit manchen kommen die Bakterien in den biologischen Kläranlagen gut zurecht, an andere haben sie sich über die Jahre hinweg angepasst, aber einige organische Verbindungen sind auch für die hartgesottensten Mikroben unverdaulich. Dazu zählen etwa chlorierte Aromaten: benzolähnliche Verbindungen mit einem oder mehreren Chloratomen.

Helfer beim Abbau von Schadstoffen

Eine Möglichkeit, den abwasserreinigenden Mikroorganismen unter die Arme zu greifen, wäre die Zugabe eines geeigneten Katalysators. Katalysatoren können eine Reaktion, die sonst sehr langsam (oder sogar unendlich langsam, also nie) ablaufen würde, derart beschleunigen, dass sie in einer für praktische Zwecke nützlichen Zeitspanne zum Ende kommt. In der Zelle leisten das die Enzyme, von denen sich inzwischen auch die chemische Industrie einige ausgeborgt hat. Doch häufiger bringen Metalle und Metallverbindungen großchemische Prozesse in Schwung.

Besonders ausgeklügelte Katalysatoren können überdies eine Energiequelle anzapfen und sie für die Reaktion nutzbar machen. Handelt es sich dabei um (Sonnen-)Licht, spricht man von Photokatalysatoren. Auch sie gibt es in einer biochemischen Version (beispielsweise repariert die DNA-Photolyase defekte Erbsubstanz mit Hilfe von Licht) und in einer anorganisch-technischen.

Einer der am besten untersuchten anorganischen Photokatalysatoren ist das Titandioxid. Diese ungiftige Verbindung, die auch als weißes Pigment geschätzt wird, kann bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht unerwünschte organische Verbindungen mittels Luftsauerstoff zersetzen, also chlorierte Kohlenwasserstoffe zum Beispiel in Kohlendioxid, Wasser und Salzsäure zerlegen.

Diese Fähigkeit verdankt Titandioxid dem Umstand, dass es ein Halbleiter ist. Bei Lichteinfall wird ein Elektron aus einem niedrigen Energieniveau (dem Valenzband) über die so genannte Bandlücke hinweg in einen höheren Zustand (das Leitungsband) gehievt; das verbliebene "Loch" im Valenzband sowie das angehobene Elektron können dann je-weils chemische Reaktionen auslösen. Nun ist allerdings die Bandlücke in diesem Fall so groß, dass die Energie von gewöhnlichem Licht mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern für den Hebevorgang nicht ausreicht. Deshalb wirkt Titandioxid lediglich im ultravioletten Wellenlängenbereich als Photokatalysator.

UV-Strahlung wird allerdings durch Glas, Wasser und Luft relativ stark absorbiert, sodass vor allem im Winter nur wenig am Erdboden ankommt. Mehrere Teams befassen sich deshalb mit der Entwicklung von Photokatalysatoren, die organische Schadstoffe auch mit sichtbarem Licht zerlegen können. Dazu gehören insbesondere die Arbeitsgruppen von Horst Kisch an der Universität Erlangen-Nürnberg und Wilhelm Maier am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim. Ihnen ist es nun gelungen, den Aktivitätsbereich von Titandioxid in den sichtbaren Teil des Spektrums auszudehnen. Dazu setzten sie dem Halbleiter in geringen Mengen Chloride von Kobalt, Nickel oder Edelmetallen zu (Chemistry European Journal, Bd. 6, S. 379). Offenbar können diese Verbindungen wie Antennen die Energie des sichtbaren Lichts auffangen und gebündelt an das Titandi-oxid weiterleiten. Dadurch ließ sich die Obergrenze des nutzbaren Wellenlängenbereichs von unter 400 auf fast 600 Nanometer anheben. Denselben Effekt erzielten die Forscher auch durch Einbau geringer Mengen Kohlenstoff in das Titandioxid (Applied Catalysis B: Environmental, Bd. 32, S. 215).

Einen anderen Weg gingen Maier, inzwischen an der Universität Saarbrücken, und seine früheren Kollegen am Mülheimer MPI in ihrer jüngsten Studie, bei der sie mit Chlorphenol als Test-Schadstoff arbeiteten. Statt Titandioxid mit allen möglichen Hilfsmitteln zu spicken, suchten sie nach Photokatalysatoren auf der Basis völlig anderer Grundsubstanzen. In einer Art Rasterfahndung testeten sie die Wirksamkeit einer ganzen Bibliothek verschiedener Metalloxide mit diversen Zusatzstoffen durch – je-weils 45 auf einen Streich in einem Raster von 45 Glasfläschchen (Angewandte Chemie, Bd. 113, Nr. 17, S. 3258).

Mehr als eine Geschmacksfrage

Fündig wurden die Forscher bei den Oxiden der Metalle Zinn und Wolfram. Diese zeigen mit den richtigen Hilfsstoffen eine photokatalytische Aktivität im sichtbaren Spektrum, die zwar nicht ganz an die der Titandioxide heranreicht, aber durchaus für Anwendungen interessant werden könnte. Maier und Kollegen vermuten deshalb, dass es noch viele weitere anorganische Photokatalysatoren zu entdecken gibt.

Darunter sollte sich auch der eine oder andere finden, der den Kläranlagen bei der Beseitigung biologisch nicht abbaubarer Schadstoffe helfen könnte. Andere Umweltprobleme ließen sich mit solchen Katalysatoren gleichfalls leichter bewältigen. Dazu gehört sowohl die Sanierung kontaminierten Erdreichs als auch die unerwünschte Bildung chlorierter Aromaten bei der Aufbereitung von Trinkwasser aus Uferfiltrat, bei der Chlor zur Desinfektion benutzt wird. Chlorphenole wie das von Maier und Kisch un-tersuchte verderben den Niederländern derzeit den Geschmack ihres Tees, wenn sie ihn mit solchem Wasser zubereiten. Dem abzuhelfen wäre nicht nur eine Geschmacksfrage.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2002, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2002

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