Wasser 3.0
Das Forschungsprojekt Wasser 3.0 wurde im Jahr 2012 an der Universität Koblenz-Landau gestartet. Die Forschungsarbeiten befassen sich mit der Entwicklung neuer Methoden zur Fixierung und Eliminierung von organischen, anorganischen und inerten Stressoren aus Abwässern und Gewässern. Im Projekt wurden hierzu innovative Hybridkieselgele nach dem Funktionsdesign synthetisiert, die in der Lage sind Stressoren (z.B. Chemikalien, pharmazeutische Rückständen, Schwermetallen und Mikroplastik) zu binden. Unabhängig von Art und Ausmaß der Stoffe sind die Hybridkieselgele sowohl dezentral (am Ort der Verschmutzung) als auch zentral (z.B. Klärwerk) einsetzbar. Wasser 3.0 reagiert damit auf die wachsende Belastung von Abwässern, natürlichen Trinkwasserressourcen, Grundwasservorräten und Fließgewässern mit unterschiedlichen Stressoren und bietet ein neuartiges und bisher einzigartiges Verfahren für den flexiblen, kostengünstigen und gleichzeitig ökologisch unbedenklichen Einsatz.
Projektbeschreibung[Bearbeiten]
Seit seinem Start wird das Forschungsprojekt Wasser 3.0 durch ein wachsendes KMU-Netzwerk Wertschöpfungsketten-übergreifend in der Entwicklung vorangetrieben. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten befassen sich mit der Entwicklung neuer Methoden zur Fixierung und Eliminierung von organischen, anorganischen und inerten Stressoren aus Abwässern und Gewässern. Im Projekt wurden hierzu innovative Hybridkieselgele nach dem Funktionsdesign synthetisiert, die in der Lage sind Stressoren (z.B. Chemikalien, pharmazeutische Rückständen, Schwermetallen und Mikroplastik) zu binden. Unabhängig von Art und Ausmaß der Stoffe sind die Hybridkieselgele sowohl dezentral (am Ort der Verschmutzung) als auch zentral (z.B. Klärwerk) einsetzbar.
Wasser 3.0 basiert auf einem materialwissenschaftlichen Ansatz zur Lösung variabler Verschmutzungsprobleme. Variabel bedeutet hier, dass sich die Zusammensetzung der Verschmutzungsparameter und somit die Konzentration der Spurenstoffe im Gewässer verändern kann. Es ist das erste Verfahren, welches für die Abwassersanierung und Trinkwasseraufbereitung modular adaptierbare Hybridkieselgele als Fixierungsmaterialien für Stressoren bereitstellt. Bei Wasser 3.0 rücken die funktionellen Gruppen der Stressorenmoleküle und deren Reaktivitäten gegenüber anorganisch-organisch strukturierten Materialien in den Vordergrund. Dieses Prinzip wird mit Funktionsdesign beschrieben.
Das Funktionsdesign beruht auf der Analyse der strukturellen Information der Einzelmoleküle und/ oder Stoffklassen, die als Stressoren über die verschiedensten Eintragspfade in die aquatische Umwelt gelangen können. Im Vordergrund der passgenauen Synthesen der Hybridkieselgele steht der Einbau funktioneller Gruppen in die organische Untereinheit, die in der Lage ist irreversibel organisch-chemische Reaktionen einzugehen. Diese können auch durch eine Veränderung in der Reaktionsführung (pH- Wert, Temperatur, Licht) induziert werden. Im Bereich der Schwermetall-Fixierung rückt zusätzlich eine Komplexierungsreaktion in den Fokus. Diese Komplexierung kann auch von Stressoren, die als stabilisierende Chelatliganden fungieren, unterstützt werden und zu einer Komplexierung von Schwermetallen unter gleichzeitiger Reduktion der Stressorenkonzentration führen. Über die Reaktivität der funktionellen Gruppen an Stressor und Hybridkieselgel wird die Entfernungsreaktion induziert.
Synthetisch sind die Hybridkieselgele über Siloxan-Bindungen miteinander verknüpft. Der anorganische Teil besteht aus ein bis drei Siloxy-Funktionen und dient dem organischen Teil als Trägermaterial. Über den organischen Teil werden die Porengröße sowie Lage und Form der Gitterstruktur bestimmt und es erfolgt eine Anpassung an verschiedene Wirkstoffe und Wirkstoffgruppierungen. Dieser Bereich des Hybridmaterials besitzt die Fähigkeit über kovalente Bindungen als Kopplungspartner für die Stressoren zu fungieren. Die verwendeten Hybridkieselgele werden über unterschiedliche Wege innerhalb des sogenannten Sol-Gel-Prozesses hergestellt. Dabei bildet sich über Hydrolyse und Kondensation ein dreidimensionales Netzwerk aus. Das erhaltene strukturierte Hybridmaterial ist in der Lage die organischen Rückstände im aquatischen Umfeld durch eine chemische Reaktion im wässrigen Milieu bei unterschiedlichen pH-Wert-Einflüssen irreversibel zu fixieren. Über die für Hybridkieselgele gängigen Nachweismethoden der IR-Spektroskopie, ESEM (environmental scanning electron mikroscope) und BET-Methode (Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett und Edward Teller Methode) konnten die bisher entwickelten Hybridkieselgele und ihre präorganisierten Precursoren charakterisiert und ihre verschiedenen Eigenschaften hinsichtlich der Fixierungsreaktion von Einzelsubstanzen und Medikamentencocktails untersucht werden.
Wasser 3.0 reagiert damit auf die wachsende Belastung von Abwässern, natürlichen Trinkwasserressourcen, Grundwasservorräten und Fließgewässern mit unterschiedlichen Stressoren und bietet ein neuartiges und bisher einzigartiges Verfahren für den flexiblen, kostengünstigen und gleichzeitig ökologisch unbedenklichen Einsatz.[1][2][3][4]
Übersicht über die Teilprojekte[Bearbeiten]
Die Teilprojekte von Wasser 3.0 befassen sich mit den unterschiedlichen Stressoren und deren Bindung und Entfernung aus den Wässern. Die Struktur der Hybridkieselgele ermöglicht dabei die Adaption auf verschiedene Stressorengruppen und somit deren spezifische Bindung und Entfernung aus den Wässern. Durch Wasser 3.0 wurde somit ein effektives Verfahren zur Entfernung von anthropogenen Stressoren aus dem Wasser geschaffen. [5]
StressFix[Bearbeiten]
Mit Wasser 3.0 – StressFix entsteht aktuell das erste effiziente Verfahren, um Pharmazeutika aus dem Abwasser zu entfernen. StressFix beschäftigt sich mit der Synthese von anorganisch-organischen Hybridkieselgelen zur Fixierung von organischen Spurenstoffen, insbesondere Pharmazeutika und deren Metaboliten im Wasser. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei in der Entwicklung einer Lösung für den Anwendungsbereich in der kommunalen Kläranlage.
StressFix² ist das Folgeprojekt von StressFix und beschäftigt sich mit der Entwicklung von Fixierungsmaterialien zur Entfernung von anorganischen Stressoren und Mikroplastik. Die Materialien werden je nach Anforderungsprofil des aquatischen Umfelds und Belastungsgrades gezielt synthetisiert und eingesetzt. Im Vordergrund der Arbeiten steht hier insbesondere die Erarbeitung von Lösungen zur Reduktion der Mikroplastikeinträgen in Kläranlagen. Hier stehen bioinspirierte Wirt-Gast-Beziehungen im Fokus. [6]
StressDetect[Bearbeiten]
Die analytische Entwicklungen rund um StressDetect bilden die dritte Forschungssäule. Neben den Fixierungsreaktionen, welche zur nachhaltigen Entfernung von anthropogenen Stressoren aus dem aquatischen Umfeld führen, wird im Teilprojekt StressDetect die Detektion von organischen Spurenstoffen erforscht. Insbesondere geht es in diesem Bereich darum durch den Einsatz von Festphasenextraktionstechnik in Kombination mit einer passgenauen Synthese von Silica-Fasern mittels GCMS-Kopplung organische Spurenstoffe, insbesondere Pharmazeutika im aquatische System (Feldmessungen) zu detektieren und die Nachweisgrenzen zu optimieren.[7]
Wasser 3.0 – Bildung und Kommunikation[Bearbeiten]
Bildung und Kommunikation runden das gesamte Projekt Wasser 3.0 ab. Im School-Lab, CrossLinkedLab und MINTovationLab werden nach neusten Konzepten digitale Lehr-/Lerninformationen für alle Bereiche entwickelt, programmiert und vernetzt. Zu den Einzelbausteinen gehören zum Beispiel ein Classroom Response System, ein elektronisches Laborjournal (eLab) und ein elektronisches Schulbuch (booKED) für die Anwendung im Klassenraum und in der freien Natur. Im Bereich der Kommunikation beschreite das Projekt Wasser 3.0 neue Wege der Wissenschaftskommunikation. Da Wasser die wichtigste Ressource auf der Welt ist und ohne Wasser kein Leben stattfindem kann, gehört der Kontakt zu den Menschen zu den Hauptaufgaben der Forschungsgemeinschaft. Ein mobiles Labor, welches in ökologischen Expeditionen europaweit unterwegs ist und Gewässerbeprobungen durchführt, ist auch gleichzeitig das "Sprachrohr für die Menschen". Durch den Ansatz der crossmedialen Kommunikationswege werden in unterschiedlichen Kampagnen Menschen für den Schutz der Ressource Wasser sensibilisiert. [8][9][10][11]
Acknowledgement[Bearbeiten]
Die Forschungsprojekte von Wasser 3.0 werden unter anderem mithilfe der finanziellen Unterstützung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie durch Bereitstellung von ZIM-Mitteln durchgeführt. Als Industriepartner ist mit der Firma abcr GmbH aus Karlsruhe (Deutschland) ein Partner für den materialwissenschaftlichen Scale-up direkt projektinvolviert. Ergänzend hierzu ist mit der Firma SAS Hagmann GmbH aus Horb am Neckar (Deutschland) ein Analytikpartner in die F&E Aufgaben rund um das Projekt Wasser 3.0 eingebunden. Verfahrenstechniker aus den verschiedenen Anwendungsbereichen von Wasser 3.0 mit spezifischen Expertisen ergänzen die Anwendungsbereiche.
Weblinks[Bearbeiten]
- http://www.wasserdreinull.de Wasser 3.0 Homepage
- http://www.mintovation.de/crosslinkedlab Überblick CrossLinkedLab
- http://www.MTED.de MTED Homepage
- http://mintovation.de/news/wasser-3-0-gewinner-der-greentec-awards-2015-in-den-kategorie-wasser-und-abwasser/ Wasser 3.0 - Gewinner der GreenTec Awards 2015 (Kategorie Wasser und Abwasser)
- http://wasserdreinull.de/newsreader/woche-der-umwelt-2016.html Wasser 3.0 bei der Woche der Umwelt auf Schloss Bellevue
- https://www.land-der-ideen.de/ausgezeichnete-orte/preistraeger/wasser-30-innovatives-verfahren-zur-wasserreinigung Wasser 3.0 - "Ausgezeichneter Ort im Land der Ideen"
Einzelnachweise[Bearbeiten]
- ↑ Schuhen, Katrin, Hiller, Carolin, Schober, Dennis, Richter, Wiebke M., Duchscherer, Matthias, Lamour, Yves „Wastewater sanitation, drinking water treatment and groundwater remediation: New concepts, new materials and new application-oriented solutions for clean water – worldwide”, in WaterSolution 05/2016
- ↑ Schuhen, Katrin, Bimmler Philipp, „Neue Wege in der innerbetrieblichen Sanierung hochgradig phosphatbelasteter Industrieabwässer“, wwt wasserwirtschaft-wassertechnik 2016, Ausgabe 3.
- ↑ Schuhen, Katrin, Url, Manfred, Hiller Carolin, „Organische Spurenstoffe in kommunalen Kläranlagen – Ermittlung eines Scoring Modells zur Gegenüberstellung der technischen Möglichkeiten“, KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2016 (63), 2, 119-123.
- ↑ Schuhen, Katrin, „Anthropogenic Stressors in the Environment“, GIT Laboratory Journal, Bd. 9-10. H. 19. GIT Verlag, 2015, 22-23.
- ↑ Schuhen, Katrin, Funktionalisierte, strukturierte Materialien für sauberes Wasser, Nachrichten aus der Chemie. Bd. 62. H. 7. 2014 S. 759 – 762.
- ↑ Herbort, Adrian Frank, Schuhen, Katrin “A Concept for the Removal of Microplastics from the Marine Environment with innovative Host-Guest Relationships”, in Environmental Science and Pollution Research, 2016, DOI 10.1007/s11356-016-7216-x.
- ↑ Strozynska, Monika, Hiller, Carolin, Schuhen, Katrin „Pharmazeutika im Wasser – Neue Methoden- und Verfahrensentwicklung zur Verbesserung der Nachweisgrenzen“ in GIT Labor-Fachzeitschrift 6/2016.
- ↑ Schuhen, Katrin; Schuhen, Michael; Kollmann, Fritjof, Und die richtige Antwort ist..., Nachrichten aus der Chemie. Bd. 61. H. 1. München: De Gruyter 2013 S. 41 – 42.
- ↑ Schuhen, Katrin; Pietrusky, Stefan, Lernpfade, gestalten, analysieren und neue Wege bestreiten, Nachrichten aus der Chemie. Bd. 62. H. 9. 2014 S. 873 – 874.
- ↑ Schuhen, Katrin; Pietrusky, Stefan; Kollmann, Fritjof et al., „Innovationen in der naturwissenschaftlichen Lehre: Neue Wege der Wissensvermittlung im Bereich Chemie – Das MTED Reaktionspfad Modul“, Das elektronische Schulbuch 2014: Fachdidaktische Anforderungen und Ideen treffen auf Lösungsvorschläge der Informatik Reihe: Didaktik. Bd. 15. Münster: LIT Verlag 2014 S. 40 – 49.
- ↑ Schuhen, Katrin, „Den Zufall provozieren“, Nachrichten aus der Chemie: Zeitschrift der Gesellschaft Deutscher Chemiker. Bd. 62. H. 1. München: de Gruyter 2014 S. 55 – 56.
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