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Fe-NANOSIT – Eisenbasierte Nanopartikel und Nanokomposit-Strukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern
Im Verbundprojekt Fe-NANOSIT wurden Nano-Katalysatoren auf der Basis von Eisen oder magnetischen Eisenoxiden entwickelt und umfassend getestet. Die Entwicklungsarbeiten an den Katalysatoren sollten ihren technologischen Einsatz für die Grundwasser- und Abwasserreinigung weiter verbessern und erproben.
Im Mittelpunkt der Grundwasserreinigung stand die Weiterentwicklung eines Nanomaterials aus Eisen Nanopartikel und Aktivkohle (Carbo-Iron). Dieses soll den Abbau von schädlichen Chlorkohlenwasserstoff-Verbindungen(CKW) im verunreinigtem Grundwasser beschleunigen. Im Vergleich zu reinen Eisen Nanopartikel gelang dabei die Herstellung eines verbesserten Nanomaterials in Bezug auf Stabilität an der Luft, den Injektions- und Transporteigenschaften, sowie einer hohen Reaktivität gegenüber CKW.
Vorbereitung der Carbo-Iron Lösungen für den Feldversuch. © Fe-NANOSIT Konsortium
So konnte Carbo-Iron erstmalig an einem mit Chlorkohlenwasserstoff-Verbindungen kontaminierten Standort (unter einer ehemalige Wäscherei) erprobt werden.
Dazu wurde Carbo-Iron in das belastete Grundwasser injiziert und anschließend durch ein umfangreiches Monitoring nachgewiesen, das ein sehr guter chemischer Abbau der CKWs über einen Zeitraum von > 2 Monaten erfolgte. Zusätzlich wurde ein weiterer Abbau durch eine erhöhte Aktivität von Mikroorganismen im Grundwasserleiter beobachtet. Dabei wird vermutet, dass durch den Eintrag von Eisen aus den Nanokatalysatoren in das Grundwasser ein Düngungseffekt hervorgerufen wird, so dass dort vermehrt Mikroorganismen wachsen. Dieser Effekt wird gegenwärtig in Folgeprojekten näher untersucht. Im Vergleich zur Anwendung reiner Eisen Nanopartikel blieb zudem beim Einsatz von Carbo-Iron die Bildung des unerwünschten Nebenproduktes Vinylchlorid völlig aus.
Auch für die Reinigung von verschmutzten Abwässern sollten innovative Nano-Katalysatoren entwickelt werden. Dabei sollten die magnetischen Eigenschaften von eisenhaltigen Nanomaterialien ausgenutzt werden, um eine Abtrennung aus den Abwässern zu ermöglichen. Das verhindert einerseits eine Freisetzung in die Umwelt, andererseits ist es Ressourcen-schonender, da die Nano-Katalysatoren für mehrere Reinigungszyklen eingesetzt werden können. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene hochaktive Materialien sowohl für Reduktions- als auch für Oxidationsprozesse ausgewählt und weiterentwickelt.
Als Anwendungsbeispiel diente hier ein reales Abwasserproblem aus der formaldehydverarbeitenden Industrie. Sogenannte Eisen-Zeolith Nano-Katalysatoren zeigten im Technikumsmaßstab, dass ein schneller Abbau kleiner Schadstoffmoleküle auch im neutralen pH-Bereich erreichbar ist.
Da eine Freisetzung in die Umwelt im Falle des Carbo-Iron beabsichtigt erfolgt und für die Nano-Katalysatoren zur Abwasserbehandlung nicht völlig ausgeschlossen werden kann, wurde begleitend eine mögliche Gefährdung von Umweltorganismen durch die entwickelten Materialien untersucht. Diese öktotoxikologischen Untersuchungen zeigten keine Effekte auf verschiedene Modellorganismen oder Effekte der Nanomaterialien erst in sehr hohen Konzentrationen. Unter Berücksichtigung der Stabilität der Partikelsuspension, der möglichen auftretenden Konzentrationen in der Umwelt sowie der hohen Konzentration und Toxizität der zu entfernenden Schadstoffe wurde eine Umweltgefährdung durch die in diesem Projekt entwickelten Nanomaterialien als sehr gering eingestuft.
Förderkennzeichen: BMBF - FKZ 03X0082
Laufzeit: 01.05.2010 - 30.04.2013 (verlängert bis 31.10.2013)
Projektleitung
Projekt-Partner
Veröffentlichungen
2019
- Weil, M. , Mackenzie, K., Foit, K., Kühnel, D., Busch, W., Bundschuh, M., Schulz, R., Duis, K., (2019). Environmental risk or benefit? Comprehensive risk assessment of groundwater treated with nano Fe0-based Carbo-Iron®.Sci. Total Environ. 677 , 156 – 166..
2015
- Busch J., Meißner T., Potthoff A., Bleyl S., A. Georgi, Mackenzie K., Trabitzsch R., Werban U., Oswald S.E., (2015). A field investigation on transport of carbon-supported nanoscale zero-valent iron (nZVI) in groundwater.J. Contam. Hydrol., 181: 59-68. Weil M., Meißner T., Busch W., Springer A., Kühnel D., Schulz R., Duis K., (2015). The oxidized state of the nanocomposite Carbo-Iron® causes no adverse effects on growth, survival and differential gene expression in zebrafish. Sci Tot Environ 530-531:198–208.
2014
- Busch J., Meißner T., Potthoff A., Oswald S.E., (2014). Investigations on mobility and retardation of carbon colloid supported nanoscale zero-valent iron in a column experiment and a laboratory 2D-aquifer test system.Environ. Sci. Pollut. Res., 21(18): 10908-10916.
- Busch J., Meißner T., Potthoff A., Oswald S.E., (2014). Transport of carbon colloid supported nanoscale zero-valent iron in saturated porous media. J. Contam. Hydrol., 164:25-34.
2013
- Bleyl S., Kopinke FD., Georgi A., Mackenzie K., (2013). Carbo-Iron® - ein maßgeschneidertes Reagenz zur In-situ-Grundwassersanierung. Chem-Ing-Tech 85(8): 1302-1311.
2012
- Mackenzie K., Bleyl S., Georgi A., Kopinke FD., (2012). Carbo-Iron® – An Fe/AC composite – as alternative to nano-iron for groundwater treatment.Water Res. 46 (12), 3817 – 3826.
- Bleyl S., Kopinke FD., Mackenzie K., (2012). Carbo-Iron® - Synthesis and stabilization of Fe(0)-doped colloidal activated carbon for in situ groundwater treatment. Chem. Eng. J. 191, 588 – 595.
2011
- Georgi, A., Mackenzie, K., Scholz, S., Potthoff, A., Springer, A., (2011). Eisenbasierte Nanopartikel und Nanokompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern. WING.DE 2011 – Tagungsband : Werkstoffe gestalten Zukunft, 4.-6. Oktober 2011 Berlin. Bundesministerium für Bildung und Forschung, Berlin, S. 86 - 88. [TIB Hannover]
- Technische Universität Dresden (2014). Eisenbasierte Nanopartikel und Nanokompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern (Fe-NANOSIT) : Teilprojekt 7: Elektronenmikroskopische Nachweisverfahren nanoskopischer Partikel (ElekNP) : Laufzeit des Vorhabens: 1.5.2010-30.9.2013; Schlussbericht / M. Gelinsky, TU Dresden; FKZ 03X0082C, TIB Hannover
- Golder Associates GmbH (2014). Eisenbasierte Nanopartikel und Nanokompositstrukturen zur Schadstoffentferung aus Grund- und Abwässern (Fe-NANOSIT) : Teilvorhaben: Technologische Lösungen zur Grundwassersanierung ; Abschlussbericht zum BMBF-Forschungsvorhaben ; Laufzeit des Projektes: 01.04.2010 - 31.12.2013; Doose, Heide; Golder Associates GmbH. FKZ 03X0082E, TIB Hannover
- ECT Oekotoxikologie GmbH (2014). Eisenbasierte Nanopartikel und Nanokompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern (Fe-Nanosit) : Teilprojekt 5: Akute und chronische Wirkungstests mit aquatischen Organismen verschiedener trophischer Ebenen ; BMBF-Verbundprojekt ; Abschlussbericht; Weil, Mirco; ECT Oekotoxikologie GmbH; FKZ 03X0082F, TIB Hannover
- IBL Umwelt- und Biotechnik GmbH (2014). Verbundvorhaben: (Fe-NANOSIT) : eisenbasierte Nanopartikel und Nanokompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern ; Schlussbericht ; Laufzeit des Vorhabens: 01.5.2010 - 31.04.2013, kostenneutral verlängert bis 31.12.2013; Seitz, Frank; IBL Umwelt- und Biotechnik GmbH; FKZ 03X0082G, TIB Hannover
- Kombination von Kohlenstoff und Nanoeisen eröffnet neue Perspektiven zur Wasserreinigung. Erste Ergebnisse eines Pilotversuchs auf AquaConSoil vorgestellt. Pressemitteilung Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ), 15. April 2013 (ufz.de, 2013)
- Kleine Partikel mit großem Potenzial? - Schwerpunktthema Oktober 2012. Beitrag Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Oktober 2012 (ufz.de, 2012)