Dipl.-Chem. Hans-Jürgen Friedrich ist als Gruppenleiter am Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Dresden tätig. Er beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von Materialien zum elektrochemischen Abbau von Pharmarückständen im Wasser.
Fraunhofer IKTS
Springer Professional: Welche Menge an Arzneimitteln werden aktuell verbraucht und wieviel findet sich davon in der Kläranlage und in den Gewässern wider?
Hans-Jürgen Friedrich: Nach Untersuchungen des Umweltbundesamtes beläuft sich die Menge der in Deutschland in Verkehr gebrachten Arzneimittel auf etwa 38.000 Tonnen pro Jahr, wobei mehr als 2.800 unterschiedliche Arzneimittel zugelassen sind. Hinsichtlich der Wirkstoffgruppen sind Analgetika (Schmerzmittel) mit circa 1.800 Tonnen pro Jahr am bedeutsamsten, gefolgt von Medikamenten zur Behandlung von Diabetes. Auch Antibiotika, Antirheumatika, Röntgenkontrastmittel und Antiepileptika werden in Mengen von jeweils einigen hundert Tonnen pro Jahr in Verkehr gebracht. Die bloße Mengenangebe täuscht aber darüber hinweg, dass spezielle Medikamente wie zum Beispiel Kontrazeptiva (Medikamente beziehungsweise Wirkstoffe zur Verhütung einer Schwangerschaft wie Ethinylestradiol) bereits in sehr niedriger Konzentration von weniger als einem Mikrogramm je Liter aquatische Ökosysteme negativ beeinflussen können. Bei den in vielen Alltagsartikeln aus Kunststoffen enthaltenen Weichmachern werden im Übrigen ähnliche Wirkungen vermutet. Belastbare Daten darüber, welcher Anteil der pharmazeutischen Wirkstoffe einschließlich ihrer Metaboliten letztlich in die Gewässer gelangt, sind uns nicht bekannt.
Die Spurenstoffelimination auf den Kläranlagen wird derzeit vor allem oxidativ und adsorptiv angegangen. Am IKTS wurde eine elektrochemische Aufbereitungsmethode zur Entfernung von Medikamentenrückständen entwickelt. Wie funktioniert diese?
Das Verfahren, nach dem wir die Elimination vornehmen, nennt sich "Elektrochemische Totaloxidation". Man leitet hierzu das zu behandelnde Wasser durch den Anodenraum einer mit einer speziellen Anode ausgerüsteten Elektrolysezelle. An der Anode werden die Stoffe elektrochemisch letztlich zu Kohlendioxid oxidiert, weshalb man das Verfahren auch als kalte Verbrennung bezeichnen kann. Ein Problem besteht allerdings darin, dass die genannten Anoden zurzeit noch sehr teuer sind und es schlicht zu kostspielig wäre, eine große Kläranlage damit auszurüsten. Wir suchen deshalb nach Alternativen und setzen erhebliche Hoffnungen in eine kombinierte elektrochemisch- und sonochemisch stimulierte Elimination. Eigens hierfür haben wir ein integriertes Elektroden-Sonotrodensystem entwickelt. Wir können hierdurch die Umsetzungsgeschwindigkeit aktuell um den Faktor drei erhöhen und man braucht demzufolge dann wesentlich kleinere Reaktoren für die gleiche Reinigungsleistung. Der Energiebedarf erhöht sich dabei erfreulicherweise nur marginal.
Denkbare Einsatzbereiche sind dann dezentrale Kläranlagen an Hotspots wie Krankenhäusern?
Ja, die vorrangige Behandlung sogenannter Hotspots ist zu bevorzugen, aber unsere Entwicklungsarbeiten haben durchaus einen breiteren Fokus.
Was sind die verfahrenstechnischen Vorteile Ihrer Methode und können über die Medikamente hinaus auch andere Stoffgruppen eliminiert werden?
Der große Vorteil unseres Verfahrens besteht darin, dass man die zu entfernenden Stoffe bei Bedarf wirklich nahezu quantitativ eliminieren und dabei in vergleichsweise harmloses Kohlendioxid überführen kann. Das Verfahren lässt sich gut regeln, ist unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und die Technik ist modular aufgebaut, sodass man auf einfache Weise durch Zusammenschaltung einer entsprechenden Zahl von baugleichen Elektrolysezellen (Modulen) die benötigten Kapazitäten realisieren kann. Wir beschäftigen uns schon sehr lange mit dieser Materie, wobei der Ausgangspunkt Industrieabwässer und radioaktive Abfalllösungen waren, bei denen ausgenommen die klassische Abwasserverbrennung mit keinem anderen Verfahren die gewünschte Reinigungsleistung erzielt werden konnte. Zu nennen sind zum Beispiel Nitroaromaten, chlorierte Kohlenwasserstoffe, diverse Ether, Cyanate oder komplexe Cyanide. Die Elektrochemie erwies sich bezüglich Abbauleistung dabei letztlich allen übrigen Verfahren gegenüber als überlegen.
Welche Eliminationsraten können mit dem Verfahren im Labor erzielt werden?
Das hängt in erster Linie von Menge und Art der Organikfracht im zu behandelndem Wasser ab. Für Chemieabwässer mit persistenten Inhaltsstoffen und mit TOC-Werten von 5.000 bis 10.000 Milligramm je Liter liegt die spezifische Abbauleistung (>98 Prozent Abbau) im Bereich einiger Liter je Quadratmeter Anodenfläche und Stunde. Beim Abbau von Spurenstoffen liegt sie derzeit um den Faktor 30 bis 100 darüber. Mit kombinierter elektro- und sonochemischer Anregung kann dieser Wert deutlich gesteigert werden.
Bis zur Praxisreife ist weitere Forschungsarbeit zu leisten. Welche Aufgaben sind noch zu lösen?
Derzeit arbeiten wir intensiv an einer Maßstabsvergrößerung des integrierten Sono-Elektroden-Systems, um damit perspektivisch technische Elektrolysezellen ausrüsten zu können. Ein weiterer Schwerpunkt stellt die Entwicklung von Anodencoatings dar, wobei wir den zwar sehr leistungsfähigen, aber eben auch sehr teuren Bor-dotierten Diamant durch andere nicht-edelmetallbasierte Coatings ersetzen wollen.