Sauberes Wasser durch Strom

"Green Talents" nennt sich das Programm mit dem Wissenschaftler gefördert werden, die einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz leisten. Jetzt sind 28 junge Forscherinnen und Forscher aus 21 Ländern vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgezeichnet worden.

Einer von ihnen ist Sergi Garcia-Segura. Ihm liegt die Sauberkeit unseres Wassers am Herzen. Deshalb verfolgt der Chemiker von der Universität Barcelona das Ziel, organische Schadstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Darunter ist eine Vielzahl ganz unterschiedlicher Verbindungen, die oft nur in Spuren vorkommen und unsichtbar sind, weil sie im Wasser gelöst sind. Aber sie sind sehr stabil.

Herkömmliche Wasseraufbereitungsanlagen können diese Moleküle nicht entfernen. So gelangen etwa Rückstände von Medikamenten - etwa Antibiotika - ins Abwasser. "Diese Schadstoffe können die Gesundheit der Menschen gefährden. Effekte können auch in niedrigen Konzentrationen auftreten, sogar chronische Erkrankungen, wenn Menschen den Stoffen über längere Zeit ausgesetzt sind", warnt Garcia-Segura.

Auch Bleichmittel oder petrochemische Verbindungen lassen sich in geklärten Abwässern noch nachweisen - selbst wenn die Kläranlagen den höchsten heute üblichen Standards entsprechen.

Organische Verbindungen verbrennen

Aus diesem Grund hat der Chemiker einen elektrochemischen Prozess entwickelt, der dazu führt, dass die gefährlichen Moleküle aufgebrochen und immer weiter abgebaut werden. Das Schlüsselwerkzeug dazu sind Hydroxylradikale - auch als OH-Radikale bekannt. Das sind hochreaktive Moleküle mit sehr kurzer Lebenserwartung. "Das interessante an den OH-Radikalen ist nicht nur, dass sie sehr oxidationsfreudig sind, sondern sie sind auch nicht sehr wählerisch: Es spielt keine Rolle, welche Art von Schadstoff man hat - wenn es eine organische Verbindung ist, werden sie damit reagieren."

Allerdings zerstören die Hydroxylradikale die organischen Verbindungen nicht sofort - es dauert eine Weile. Zum Beispiel wird ein Benzolring zunächst in ein Phenol aufgebrochen. Erst in einem nächsten Schritt nehmen sich die OH-Radikale dieses Phenol vor und "verbrennen" es zu kurzkettigen Carbonsäuren. Und in einem letzten Schritt werden diese dann zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. "Es funktioniert wie ein Verbrennungsprozess", sagt Garcia-Segura, "nur dass er vom Hydroxylradikal vermittelt wird. Am Ende bekommt man CO2 und Wasser - und vielleicht noch wenige anorganische Moleküle."

Fast wie im Physikunterricht

Um die OH-Radikale herzustellen, die man für die Wasserreinigung braucht, bedient sich Garcia-Segura der Elektrolyse. Wie im Physikunterricht steckt er eine Anode und eine Kathode in einen Wassertank und schaltet den Strom an. Und wie im Physikunterricht bildet sich an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff - ein Gemisch bekannt als Knallgas.

Aber bei dem Versuchsaufbau des Erfinders sind es eben besondere Anoden und Kathoden. Die Anode besteht nicht aus Metall, sondern aus Bor-dotiertem-Diamant (BDD) - einem Halbleitermaterial. Das Besondere daran: An der Oberfläche entstehen die gewünschten OH-Radikale - nur noch nicht genug, um effizient Wasser zu reinigen.

Deshalb kommt ein weiterer elektrochemischer Prozess ins Spiel: Der Elektro-Fenton-Prozess, benannt nach dem britischen Chemiker Henry John Horstman Fenton, der ihn im 19. Jahrhundert entdeckt hatte.

Mithilfe einer Eisen-Diffusions-Kathode wird ein katalytischer Prozess in Gang gesetzt: Zunächst entsteht Wasserstoffperoxid, und daraus wird Wasser und das OH-Radikal. So bekommt man auch viel mehr der gewünschten hochreaktiven Moleküle als sie nur die BDD-Anode liefern könnte. Und die OH-Radikale entstehen nicht mehr nur direkt an der Anodenoberfläche, sondern überall im Wassertank.

Über Jahrzehnte wartungsfrei

"Das ist die Idee - es geht schnell und ist effektiv", sagt Garcia-Segura. "Die Kathode kann nicht korrodieren, weil sie einen elektro-chemischen Schutz hat. Und das BDD-Material ist als Halbleiter sehr stabil und korrodiert praktisch nicht." Ein Wasserreinigungsgerät das damit läuft, könnte also auch ein halbes Jahrhundert funktionieren.

Es gibt nur noch ein Problem: Die Eisenkathode reagiert mit einigen der Säuren in der Lösung und bildet dabei sehr stabile Moleküle, die die Hydroxylradikale nicht mehr aufbrechen können. "Hier würde der Prozess also stoppen", sagt der Chemiker. Damit er weiter geht, hat er deshalb noch eine weitere Lösung in petto: "Wenn man die Lösung gleichzeitig mit UV-Licht - etwa Sonnenlicht - bestrahlt, setzt eine Photo-Decarboxylierung ein. Ein CO2 Molekül wird aus der Verbindung abgespalten, mit dem Effekt, dass der Anteil der restlichen organischen Verbindungen auf Null sinkt"

Mit anderen Worten: Sonnenlicht erledigt den Job, und bekommt das Wasser perfekt sauber. Man muss also nur das Wasser durch einen Solarkollektor pumpen und selbst die letzten Schadstoffe werden zu harmlosen Mineralien und CO2 zersetzt.

Bisher nur als Prototyp

Garcia-Seguras Versuchsreaktor sieht etwa so aus wie eine Brennstoffzelle, in der die Kathoden und Anoden aufeinander geschichtet sind - wie in einer Batterie. Daran schließen sich Schläuche an, die das Wasser zu einem Röhrenkollektor führen - ähnlich denen von thermischen Solaranlagen zur Wassererwärmung. Und das Gerät hat unter Beweis gestellt, dass es mit löslichen organischen Molekülen belastetes Abwasser schnell und zuverlässig reinigen kann.

Für seine Erfindung wurde der Chemiker zum "Green Talent 2015" ernannt. Neben dem Preis des Bundesministeriums für Bildung und Forschung hatte der Nachwuchswissenschaftler jetzt die Möglichkeit einige deutsche Forschungseinrichtungen zu besuchen, die sich mit Wasserreinhaltung beschäftigen, darunter die Universitäten von Bonn und Hannover und das Wasserinstitut in Koblenz. Später kann er sich entscheiden, in welcher der drei Institutionen, er einen dreimonatigen Forschungsaufenthalt absolvieren möchte.

Sind Sie selbst Forscher und haben etwas erfunden, was die Welt etwas grüner macht? Bewerben Sie sich doch auch als "Green Talent" - vielleicht im kommenden Jahr! Mehr über die bisherigen Preisträger und das Bewerbungsverfahren auf der Webseite des BMBF.