Filtersystem für Schwermetalle und Gold

Kerntechnik ist eine Hybrid-Filtermembran aus Molkeproteinfasern und Aktivkohle.

Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich haben ein Filtersystem entwickelt, das verschiedene giftige Schwermetall-Ionen und radioaktive Substanzen aus verunreinigtem Wasser entfernt. Und das fast vollständig in nur einem Durchgang. Auch für die Rückgewinnung von Gold lässt es sich nutzen. Kerntechnik ist eine Hybrid-Filtermembran aus Molkeproteinfasern und Aktivkohle. Die beiden Komponenten sind den Angaben zufolge günstig erhältlich und ohne großen Aufwand herzustellen.

Die Hybridmembran nimmt verschiedene Schwermetalle unspezifisch auf, wie Prof. Raffaele Mezzenga von der ETH Zürich, Laboratory for Soft Materials, seine Entwicklung erläutert. Dazu zählen Elemente wie Blei, Quecksilber, Gold oder Palladium. Sie absorbiert aber auch radioaktive Substanzen wie Uran oder Phosphor-32, die bei radioaktivem Abfall oder für bestimmte Krebstherapien relevant sind. Überdies entfernt die Membran hochgiftige Metall-Cyanide aus Wasser. Zu dieser Stoffklasse zählt Gold-Cyanid, das die Elektronikindustrie häufig für die Herstellung von Leiterbahnen auf Platinen benötigt. Das Edelmetall Gold lässt sich mittels der Membran herausfiltern und auf einfache Weise zurückgewinnen.

Zahlreiche Bindungsstellen für Giftstoffe

Das Verfahren zur Filtration ist laut Mezzenga denkbar einfach: „Verunreinigtes Wasser wird mithilfe eines Vakuums durch die Membran gesogen. Ein genügend großes Vakuum könnte man auch mit einer einfachen Handpumpe erzeugen; dadurch kann das Filtersystem auch ohne Strom betrieben werden. Zudem ist das System fast beliebig skalierbar, sodass auch große Wassermengen kostengünstig filtriert werden können.“ Die giftigen Substanzen bleiben beim Durchsaugen des Wassers hauptsächlich an den Proteinfasern „kleben“. Letztere haben zahlreiche Bindungsstellen, an denen einzelne Metall-Ionen andocken können. Und auch die Aktivkohle mit ihrer großen Oberfläche kann große Mengen von Giftstoffen absorbieren. Mezzenga: „Dies verschiebt die Sättigungsgrenze der Membran nach oben. Darüber hinaus verleihen die Proteinfasern der Membran ihre mechanische Stärke und erlauben bei hohen Temperaturen die chemische Umwandlung der gefangenen Ionen in wertvolle metallische Nanopartikel.“

„Unübertroffenes Absorptionsvermögen“

Raffaele Mezzenga ist von der Filterkapazität der Hybridmembran „begeistert“: „Bei Tests mit Quecksilberchlorid etwa sank die im Filtrat vorhandene Quecksilberkonzentration um mehr als 99,5 Prozent. Noch effizienter absorbierte die Hybridmembran eine giftige Kalium-Gold-Cyanid-Verbindung oder Blei-Salze: Erstere wurden zu 99,98 Prozent in der Membran gebunden, letztere zu 99,97 Prozent. Vom radioaktiven Uran wurden durch die Filtration 99,4 Prozent der ursprünglichen Konzentration gebunden. Diese hohen Werte erzielten wir mit nur einem Durchgang.“ Auch über mehrere Durchläufe hinweg filtert die Hybridmembran Giftstoffe den Angaben nach sehr zuverlässig heraus. Zwar stieg die Quecksilber-Konzentration im Filtrat nach zehn Durchläufen auf das Zehnfache, von 0,4 auf 4,2 ppm (parts per million). Die eingesetzte Menge Protein war jedoch extrem klein. Um insgesamt einen halben Liter verschmutztes Wasser zu filtrieren, verwendete der Forscher eine Membran, die gerade mal ein zehntel Gramm wog, davon entfielen sieben Gewichtsprozent auf die Proteinfasern. „Mit einem Kilogramm Protein lassen sich 90.000 Liter Wasser – in etwa der lebenslange Bedarf eines Menschen – reinigen“, hebt Mezzenga hervor. „Die Effizienz der Filtermembran kann nach Bedarf weiter gesteigert werden, indem ihr Proteingehalt entsprechend erhöht wird.“ Und Mezzenga ist zuversichtlich, dass seine Technologie den Weg auf den Markt finden wird: „Anwendungen dafür gibt es viele, und das Wasserproblem ist eines der drängendsten unserer Zeit.“ Der Forscher hat seine Technologie patentieren lassen und ist im März 2015 für den „Spark Award“ der ETH Zürich nominiert worden.

www.ethz.ch

Foto: ETH Zürich/Laboratory for Soft Materials

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