Ein Forschungsteam der Universität Birmingham hat ein Herstellungsverfahren für neuartige Materialien zur Wasserreinigung optimiert. Nach Angaben der Wissenschaftler lassen sich die Produktionskosten für sogenannte Metal Organic Frameworks (MOFs) durch eine angepasste Prozessführung deutlich senken. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Green Chemistry" veröffentlicht.
MOFs sind fortschrittliche Materialien, die aus Metallknoten und organischen Verbindungsmolekülen bestehen. Sie bilden eine käfigartige Molekülstruktur mit ausgedehnten internen Porennetzwerken. Diese große innere Oberfläche wirkt wie ein Schwamm und kann gelöste Schwermetalle selektiv aus Wasser aufnehmen. Als Einsatzgebiet gilt vor allem die Behandlung chemisch komplexer Abwässer aus Bergbau, Elektronik- oder Chemieproduktion.
Bisherige Hürden bei der MOF-Herstellung
Bislang haben zwei Faktoren den breiten Einsatz von MOFs in der Wasseraufbereitung gebremst. Viele Herstellungs- und Nachbearbeitungsverfahren sind lösungsmittel- oder energieintensiv. Zudem können sich die in MOFs verwendeten Metalle während der Anwendung im behandelten Wasser lösen und eine sekundäre Kontamination verursachen. Die meisten MOF-Anwendungen in der Wasseraufbereitung befinden sich daher noch im Pilot- oder Demonstrationsstadium.
Das Team um Swaroop Chakraborty, NERC Independent Research Fellow an der School of Geography, Earth and Environmental Sciences der Universität Birmingham, hatte bereits zuvor ein Verfahren entwickelt, um ein grün synthetisiertes MOF in einem skalierbaren, wasserbasierten Prozess herzustellen. Das Material wurde für die Rückgewinnung von Seltenen Erden und Schwermetallen aus industriellen Abfallströmen konzipiert. Es liegt in Pelletform statt als feines Pulver vor, was laut den Forschenden die Handhabung in der Praxis erleichtert. Die Universität hat über University of Birmingham Enterprise eine Patentanmeldung für Methode und Material eingereicht.
Gefriertrocknung senkt Kosten und Energiebedarf
In der aktuellen Veröffentlichung beschreibt das Team eine Gefriertrocknungs-Technik zur weiteren Verbesserung der Herstellung. Diese steigert die isolierte Ausbeute nach Angaben der Forschenden auf mehr als das Dreifache. Der geschätzte Strombedarf pro Gramm sinkt demnach um rund 74 Prozent. Die geschätzten Produktionskosten im Labormaßstab reduzieren sich von etwa 19 US-Dollar pro Gramm auf gut 5 US-Dollar pro Gramm im Vergleich zur konventionellen Verarbeitung.
Das gefriergetrocknete MOF zeigte in Tests eine hohe Kapazität zur schnellen Entfernung von Blei aus Lösungen. Innerhalb der ersten Stunde entfernte das Material mehr als 90 Prozent des Bleis. Diese Entfernungsrate blieb über vier aufeinanderfolgende Behandlungszyklen erhalten. Nach sieben Tagen Exposition gegenüber Luft, süßwasserähnlichen Bedingungen und künstlichem Meerwasser behielt das Material seine wesentlichen strukturellen Eigenschaften. In Tests mit realen Wasserproben entfernte es Blei aus chemisch komplexen Lösungen bei geringer Kupfer-Auslaugung.
Suche nach Industriepartnern
„Bei Materialien zur Wasseraufbereitung ist die Entfernung des Schadstoffs nur die halbe Geschichte", sagt Chakraborty. „Wir müssen auch verstehen, wie Materialien wie Metal Organic Frameworks hergestellt werden und wie sie sich während des Einsatzes in der Umwelt verändern. Durch die Neugestaltung eines einzigen Verarbeitungsschritts konnten wir deutlich mehr Material zurückgewinnen und die geschätzten Produktionskosten senken, während wir die starke Blei-Aufnahmeleistung unter umweltrelevanten Bedingungen beibehielten."
Die Forschenden suchen nun Industriepartner aus den Bereichen Bergbau, Elektroschrott-Verwertung oder Wasseraufbereitung. Diese sollen die Technologie für konkrete Anwendungen lizenzieren oder gemeinsam einen Pilotversuch im industriellen Umfeld entwickeln.
