Fischen nach Phosphaten

Wie sich die kostbaren Substanzen aus dem Abwasser zurückgewinnen lassen

von Rolf Metzger

Phosphor ist lebenswichtig. Ohne das chemische Element mit der Ordnungszahl 15 könnten weder Pflanzen noch Tiere oder Menschen gedeihen. Phosphorverbindungen stecken in der Erbsubstanz DNA, in Blut und Knochen und sind an der Energieversorgung der Zellen beteiligt. Phosphor wird aus Erzen gewonnen – der größte Teil davon in Bergwerken in afrikanischen Ländern wie Marokko und Südafrika. Genutzt werden Phosphate – phosphorhaltige chemische Verbindungen – vor allem in der Landwirtschaft, als Düngemittel oder in Viehfutter.

Über menschliche Fäkalien oder durch die Auswaschung aus dem Boden gelangen die Phosphate über das Abwasser in Kläranlagen – und durch chemische Fällung letztlich in den Klärschlamm. Den brachten Landwirte früher auf ihren Feldern aus, sodass das Phosphat erneut beim Wachstum der Pflanzen helfen konnte. Doch da Klärschlamm oft giftige Schwermetalle enthält, wird er heute zumeist verbrannt und die Asche deponiert – und der Phosphor-Kreislauf dadurch unterbrochen.

Wissenschaftler suchen daher nach effizienten Verfahren, um Phosphate für eine erneute Nutzung wiederzugewinnen. Das Phosphat-Recycling steht auch deshalb im Fokus der Forschung, weil der Bedarf an Phosphor weltweit stark wächst, während die abbaubaren Vorräte schrumpfen. Schon in etwa 20 Jahren könnte die Nachfrage das Angebot übersteigen – auch weil künftig zum Beispiel viel Phosphor für die Akkus von Elektroautos benötigt wird.

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In einem von der Baden-Württemberg Stiftung finanzierten Projekt haben Wissenschaftler an der Universität Stuttgart, am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Phosphate aus dem Klärwasser fischen lassen. Es basiert auf winzigen, nur etwa 10 bis 20 Nanometer (millionstel Millimeter) kleinen Partikeln aus Magnetit (Eisenoxid), die mit einer speziellen Beschichtung überzogen sind. Daran heften sich im Klärwasser Phosphat-Ionen (elektrisch geladene Atome) an. Mit einem Magnetfeld lassen sich die beladenen Magnetit-Teilchen wieder aus dem Wasser herausholen und von ihren Phosphat-Anhängseln befreien. Damit das funktioniert, verpacken die Forscher die magnetischen Nanoteilchen zudem in eine mehrere Mikrometer dicke Hülle aus Siliziumdioxid.

Bei Versuchen im Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität Stuttgart im Rahmen des Projekts „SuPaPhos“ zeigte sich, dass die Methode auch bei geringen Phosphat-Konzentrationen von weniger als 10 Milligramm pro Liter gut funktioniert. Rund 90 Prozent der kostbaren phosphorhaltigen Moleküle lassen sich damit aus dem Abwasser fischen. Die Forscher konnten zudem belegen, dass der Kreislauf aus Beladen und Abtrennen der Magnetit-Teilchen mit Phosphat mehr als ein Dutzend Mal wiederholbar ist, ohne dass die Wirksamkeit der magnetischen „Köder“ wesentlich nachlässt. Die so zurückgewonnenen Phosphate können leicht aufbereitet werden und erneut als Dünger dienen.

Das Verfahren, mit dem sich – wie die Forscher herausgefunden haben – auch andere unerwünschte Stoffe wie Arsen, Blei oder Quecksilber aus dem Wasser holen lassen, ist in Europa inzwischen patentiert. Auch in anderen Ländern ist es zum Patent angemeldet. Die Wissenschaftler wollen es nun weiter fit machen für den Einsatz in großen kommunalen Kläranlagen.

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