Biobasierte Makroporöse Materialien als Schwermetalabsorber

Schwermetalle im Wasserkreislauf sind eine Auswirkung des ständig anwachsenden negativen Einflusses des Menschen auf die Umwelt durch industrielle Prozesse und werden zunehmend zur Belastung. Aus Wasserströmen gehen Schwermetalle in die Nahrungskette über und landen letztendlich auch im menschlichen Körper, wo sie gesundheitliche Probleme verursachen können. Reinigung von (Ab-)Wasserströmen, bspw. mittels Adsorptionsmitteln, ist daher ein wichtiger Beitrag nicht nur zum Erhalt der Umwelt sondern auch zum Gesundheitszustand der Bevölkerung im Allgemeinen. Herkömmliche Adsorbentien bestehen aus synthetischen, erdölbasierenden Polymeren oder anorganischen Stoffen, zu deren Herstellung oftmals aufwändige industrielle Prozesse notwendig sind, die ihrerseits mit gefährlichen Abwässern, und damit Wiederverschmutzung von Wasserströmen, einhergehen. Zudem können Bestandteile des Adsorbens sowie adsorbierte Schmutzpartikel wieder ausgewaschen werden. Aus diesem Grund legen Prof. Alexander Bismarck (Universität Wien) sowie Dr. Youssef Habibi (Luxemburg Institute of Science and Technology) ein Gemeinschaftsprojekt zur Untersuchung, Entwicklung und Produktion von natürlichen, porösen Adsorbens für die Entfernung von Schwermetallen aus Wasserströmen vor. Mittels einer Technologie namens foam/emulsion templating steuert die Gruppe von Prof. Bismarck die Herstellung der Adsorbens bei, wobei die Porosität und Poren-Größe gezielt kontrolliert und an die Anforderungen an Adsorbens für Wasserströme angepasst werden. Diese Adsorbens basieren auf natürlichen Rohstoffen wie Lignin und Nanozellulose, die in der Gruppe von Dr. Habibi durch geeignete Modifizierungen fit für den Einsatz als Adsorbens gemacht werden. Diese Naturstoffe tragen nicht nur zur mechanischen Stabilität der Adsorbens bei sondern fungieren auch als Adsorptionsmedium in den fertigen Adsorbens. Alles in allem visiert das Projekt die Fertigung von porösen Adsorbens aus nachwachsenden Rohstoffen an, die bei gleicher Effizienz eine weitaus geringere Umweltbelastung während Herstellung und Betrieb im Vergleich zu synthetischen Adsorbens aufweisen. Des Weiteren kann dank der im Übermaß vorhandenen natürlichen und nachwachsenden Rohstoffe, und den damit einhergehenden geringen Kosten, davon ausgegangen werden, dass sich diese Adsorbens auf großer Skala industriell fertigen und einsetzen lassen werden. Das könnte zu einer Verringerung der Belastung von Wasserströmen mit Schwermetallen auf weltweiter Ebene beitragen.

Das BioMaMa-Projekt konzentrierte sich auf die Entwicklung nachhaltiger, biobasierter makroporöser Materialien für die Adsorption von Schwermetallen und anderen Schadstoffen aus Wasser. Unter Verwendung erneuerbarer Ressourcen wie Lignin und Zellulose wurden im Rahmen des Projekts erfolgreich funktionelle Materialien mit hoher Adsorptionskapazität und Durchlässigkeit entwickelt, die eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Adsorptionsmitteln darstellen, die auf aus Erdöl hergestellten Polymeren (oder mit anderen Worten: fossilem Kohlenstoff) basieren. Die Ergebnisse des Projekts zeigen ein erhebliches Potenzial für industrielle Anwendungen in der Wasserreinigung, die Verwendung von Lignin für die Herstellung funktioneller Materialien im Allgemeinen und von Lignin-Zellulose-Verbundstoffen, die zur ökologischen Nachhaltigkeit beitragen und das Gebiet der Ligninchemie voranbringen. Es wurde insbesondere gezeigt, dass Schaumstoffe auf Ligninbasis zur Wasserreinigung (sowohl von Schwermetallen als auch von organischen Schadstoffen) verwendet werden können und dass industriell unbehandeltes Lignin in Form von Schwarzlauge (wie sie in Österreich hergestellt wird) direkt für die Herstellung von lignozellulosehaltigen Polymermaterialien und Verbundwerkstoffen auf Basis solcher biologisch gewonnener Polymere eingesetzt werden kann. Über die nachgewiesene Verwendung als Wasserreinigungsplattform für ligninbasierte Materialien hinaus wurde die Wechselwirkung von ligninbasierten Epoxidharzen (und Harzen im Allgemeinen) mit Zelluloseschäumen untersucht. Die Auswirkungen der Benetzung von Harzen auf faserige Verbundstoffvorformen hinsichtlich deren Morphologie wurden untersucht und neue Theorien zu diesem Bereich veröffentlicht. Diese Erkenntnisse ermöglichen es künftigen ForscherInnen, die sich mit der Herstellung von Bioverbundwerkstoffen auf der Basis von Zellulose oder Lignin befassen, spezifische Eigenschaften in der Entwicklung solcher Materiale zu forcieren, wie sie im Zusammenhang mit der Wasserreinigung benötigt werden könnten. Mögliche Anwendungen der allgemeinen Ergebnisse des Projekts sind: i) die Herstellung hochwirksamer Schwermetalladsorptionsmittel auf der Grundlage biogener Ressourcen, ii) die Herstellung von Polymermaterialien auf Ligninbasis, iii) die Herstellung einer neuen Familie poröser Lignin-Zellulose-Verbundwerkstoffe und iv) die Anpassung spezifischer mechanischer und morphologischer Eigenschaften der letzteren. Diese Möglichkeiten sind für die österreichische Industrie angesichts der hoch entwickelten heimischen Zellstoff- und Papierindustrie wirtschaftlich besonders interessant. Reizvoll ist in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, den Kreislauf des Kohlenstoffs zu schließen. Ein polymerer Werkstoff wird am Ende seines Lebenszyklus oft verbrannt. Durch die Herstellung von Polymeren aus pflanzlichen Materialien (wie Lignin oder Zellulose) kann Kohlenstoff, der der Atmosphäre entzogen wurde (in Form von CO2 durch pflanzliches Wachstum), zur Herstellung von Polymeren verwendet werden. Auf der Grundlage der im Rahmen des Projekts BioMaMa durchgeführten Forschungsarbeiten wurden Methoden zur Herstellung poröser und nicht poröser Materialien entwickelt, die teilweise oder vollständig auf atmosphärischem Kohlenstoff basieren, der aus in Österreich erzeugter Pflanzenmasse stammt.