Ionische Flüssigkeiten als Extraktionsmittel für Schwermetalle

Ionische Flüssigkeiten sind eine relativ neue Klasse von (bei Temperaturen unter 100C) flüssigen Salzen. Viele ionische Flüssigkeiten liegen sogar schon bei Raumtemperatur geschmolzen vor. Sie bestehen nicht, wie andere Flüssigkeiten, aus ungeladenen Molekülen, sondern ausschließlich aus Ionen, was außergewöhnliche Eigenschaften zur Folge hat, z. B. zeichnen sie sich durch einen sehr niedrigen Dampfdruck und einen großen Flüssigkeitsbereich aus. Eine der herausragenden Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten ist die Möglichkeit der unterschiedlichen Kombination und der chemischen Modifikation von Kation und Anion, wodurch sich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften variieren und steuern lassen. So können im Prinzip für eine gewünschte Aufgabe "maßgeschneiderte" ionische Flüssigkeiten hergestellt werden, u.a. auch hydrophobe ionische Flüssigkeiten, die speziell dazu geeignet sind, bestimmte Stoffe mit hoher Effizienz aus wässrigen Phasen zu extrahieren. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten als selektive Extraktionsmittel für gelöste Salze und Komplexverbindungen toxischer Schwermetalle und Radionuklide aus Abwässern und aus Trinkwasser, wobei die Funktionalisierung durch Inkorporation von geeigneten Donoratomen/-gruppen erreicht werden soll. Damit dieses Ziel erreicht werden kann, bedarf es der genauen Kenntnis der Extraktionsmechanismen. Unsere Hypothese ist, dass durch die schrittweise synthetische Modifizierung der Komponenten einer ionischen Flüssigkeit, verbunden mit der sorgfältigen Untersuchung der jeweils resultierenden Änderungen ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften und ihres Extraktionsverhaltens, ein Verstehen des - in vielen Fällen unbekannten oder zumindest im Detail noch umstrittenen - Extraktionsmechanismus erreichbar sein wird. Durch diesen experimentellen Ansatz könnte ein allgemein gültiger Zusammenhang zwischen den strukturellen Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten und ihrem Extraktionsverhalten gegenüber bestimmten Schwermetallen entdeckt werden. In jedem Fall ist jedoch die Kenntnis der mechanistischen Aspekte der Extraktion eine grundlegende Voraussetzung für die Optimierung der Extraktionsprozesse.

Die anthropogene Schwermetallbelastung von natürlichen Gewässern, vor allem von Trinkwasserreserven wie See-, Fluss- und Grundwässern, stellt weltweit eines der grössten Umweltprobleme unserer Zeit dar. Schwermetalle wie Chrom, Cadmium, Quecksilber und Blei sind aufgrund ihrer toxischen und teilweise krebserregenden Eigenschaften, sowie aufgrund ihrer Neigung, sich im Zuge der Nahrungskette anzureichern, äußerst gefährlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Dem Bericht von 2015 von Green Cross Switzerland und Pure Earth (früher Blacksmith Institute) ist zu entnehmen, dass Schwermetalle und Radionuklide weltweit zu den gefährlichsten Verunreinigungen der Gewässer und Böden zählen. In Europa sorgt die Europäische Wasserrahmenrichtlinie ((2000/60/EC) für die Reinhaltung der Gewässer. Aber auch hier sind noch große Anstrengungen nötig, um das gesteckte Ziel einer guten ökologischen Qualität sämtlicher natürlicher Gewässer zu erreichen. Kommunale Kläranlagen arbeiten mit konventionellen Methoden und sind nicht in der Lage, toxische Schwermetalle vollständig zurückzuhalten. Daher besteht der Bedarf nach der Entwicklung innovativer Methoden zur vollständigen Entfernung von Schwermetallen und Radionukliden aus Abwässern. Das Ziel des vorliegenden Projekts war es, sogenannte task specific ionic liquids zu entwickeln, also maßgeschneiderte ionische Flüssigkeiten, die einerseits stark hydrophob sind, das heißt, sich mit Wasser nicht mischen, und andererseits hervorragend dazu geeignet sind, Schwermetalle und Radionuklide selektiv und vollständig aus wässrigen Lösungen zu entfernen. Im Zuge des Projektes wurden neue, bisher nicht beschriebene ionische Flüssigkeiten synthetisiert, gereinigt, charakterisiert und auf ihre Brauchbarkeit als Extraktionsmittel für Schwermetalle und Radionuklide getestet. Bei den am besten geeigneten Kandidaten wurden Anstrengungen unternommen, den Mechanismus der Extraktion aufzuklären. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Entwicklung einer Methode, die ionischen Flüssigkeiten nach ihrer Verwendung zu regenerieren, so dass sie mehrfach eingesetzt werden können. Von großer Bedeutung für das Projekt war schließlich auch die Frage, ob während des Extraktionsschritts nennenswerte Mengen der ionischen Flüssigkeiten in die wässrige Phase übertreten, und ob die ionischen Flüssigkeiten dort eine toxische Wirkung auf aquatische Organismen entfaltet. Um diese Frage zu beantworten, wurden umfangreiche Experimente sowie Toxizitätstests mit einzelligen Süßwasseralgen durchgeführt. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die im Rahmen des Projekts neu entwickelten ionischen Flüssigkeiten, aber auch kommerziell erhältliche ionische Flüssigkeiten wie Aliquat336 oder CYPHOS Phosphonium Ionic Liquids auf Grünalgen toxisch wirken. Diese toxische Wirkung ist teilweise schon bei sehr geringen Konzentrationen zu beobachten.