Modifizierte Aktivkohle senkt Arsen im Wasser unter den Sicherheitsgrenzwert

Ein modifiziertes Kohlefiltermaterial hat in Labortests den Arsengehalt von belastetem Wasser unter den empfohlenen Sicherheitsgrenzwert gesenkt.

Damit rückt eine kostengünstige, stromlose Lösung für Haushalte und kleine Gemeinden näher, die auf unsichere Brunnen angewiesen sind.

Im Inneren der Kartusche

In einer üblichen Auftisch-Filterkartusche reinigte das Material stark belastetes Wasser bei einem konstanten, haushaltsüblichen Durchfluss.

Silvia Goyanes vom argentinischen Nationalen Rat für wissenschaftliche und technische Forschung (CONICET) sowie von der Universität Buenos Aires (UBA) zeigte mit diesem Aufbau, dass die Kartusche den Arsengehalt zuverlässig von 100 parts per billion auf unter 10 senkte.

Bei mehr als 2.113 Gallonen behandeltem Wasser, entsprechend rund 8.000 Litern, blieb die Belastung ohne Zusatz von Chemikalien oder Energie unter dem empfohlenen Grenzwert.

Diese Leistung unter kontrollierten Bedingungen bildet nun den Maßstab dafür, wie der Filter bei realen Brunnen mit konkurrierenden Mineralien und schwankenden Arsenkonzentrationen funktionieren muss.

Warum Arsen im Wasser bleibt

Eine langfristige Arsenbelastung kann das Krebsrisiko erhöhen und Herz, Lunge sowie Haut schädigen.

Das Element wird aus bestimmten Gesteinen freigesetzt, kann sich im Grundwasser lösen und anschließend unbemerkt durch Leitungen und Speichertanks gelangen.

Nach den US-Vorschriften legt die Umweltschutzbehörde EPA den Grenzwert für Trinkwasser auf 10 parts per billion fest – eine äußerst geringe Menge im Wasser.

Da sich viele kleine Versorgungssysteme keine fortschrittliche Aufbereitung leisten können, kann eine Kartusche, die diesen Grenzwert erreicht, einen erheblichen Unterschied machen.

Aktivkohle gezielt gegen Arsen

In vielen Filtern sorgt Aktivkohle – ein porenreiches Kohlematerial, das Chemikalien einfängt – für besseren Geschmack und entfernt einige Pestizide wirksam.

Um gezielt Arsen zu binden, beschichtete das Team die Kohle mit Metallsalzen und verband diese mithilfe eines essbaren Bindemittels.

„Die Veränderungen, die wir an kommerziell verfügbarer Aktivkohle vornehmen, können durch Verfahren ohne Hitze und mit kostengünstigen Geräten erfolgen, die in der Industrie sehr verbreitet sind“, sagte Alicia Vergara, Forscherin bei CONICET.

Eine solche Anpassung könnte es ermöglichen, dieselbe Kartuschenbasis auf örtliche Wasserprobleme auszurichten, sofern Hersteller eine gleichbleibende Qualität sicherstellen.

Die Bedeutung der Metallsalze

Metallsalze verändern die Oberfläche der Kohle und schaffen Bindungsstellen, die gelöstes Arsen anziehen, statt es hindurchfließen zu lassen.

Sobald diese Stellen entstanden sind, kann die Adsorption – der Vorgang, bei dem Schadstoffe an einer festen Oberfläche haften – Arsen lange genug festhalten, damit es sicher entsorgt werden kann.

In einer frühen Studie entwickelten Wissenschaftler mit Eisen beladene Aktivkohle und zeigten, dass sie Arsen aus Trinkwasser entfernt.

Mit den passenden Metallen lässt sich zudem Magnetismus integrieren, was den Weg für Sensoren öffnen könnte, die eine verbrauchte Kartusche anzeigen.

Lebensmittelechte Beschichtung

Ein essbares Polymer – ein langkettiges Molekül, das zur Herstellung von Gelen verwendet wird – umhüllte die Kohlepartikel und formte sie zu stabilen Granulaten.

Wenn Wasser durch die Kartusche strömt, verhindert diese Beschichtung, dass feiner Kohlestaub das gefilterte Wasser trübt.

Da das Polymer lebensmittelecht ist, können Ingenieure Verbraucherkartuschen entwickeln, ohne einen riskanten Binder im Wasserkontakt befürchten zu müssen.

Die Verbindung von Metallen und Kohle ermöglicht später auch eine Wiederverwendung, weil sich Schadstoffe durch eine kontrollierte Spülung ablösen lassen.

Realität des Durchflusses

Mit etwa 0,49 Litern pro Minute – 0,13 Gallonen pro Minute – konnte der Testaufbau eine 1-Liter-Flasche in ungefähr zwei Minuten füllen.

Ein höherer Durchfluss verkürzt die Kontaktzeit, sodass Arsen weniger Gelegenheit hat, an den behandelten Oberflächen des Materials zu haften.

Durch eine Anpassung der Kartuschengeometrie könnte das Team diese Füllzeit verkürzen und zugleich eine hohe Entfernungseffizienz bewahren.

Das Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Sicherheit wird in echten Küchen entscheidend sein, weil Menschen Filter aufgeben, die ihnen zu langsam erscheinen.

Weitere getestete Chemikalien

Neben Arsen leitete das Team auch gefärbtes Wasser und mit Antibiotika versetzte Proben durch das Material; in beiden Fällen gingen die Belastungen deutlich zurück.

Viele Mikroorganismen und Pestizide, darunter Paraquat und Atrazin, wurden bislang nicht getestet, weshalb entsprechende Aussagen derzeit nur auf der Chemie beruhen.

„Die Ergebnisse waren sehr gut, ebenso wie bei Antibiotikabelastungen, etwa durch Tetracyclin, bei denen das Material ein hohes Entfernungspotenzial zeigte“, erklärte Matías Barella, Forscher an der UBA.

Solange keine Tests mit Bakterien, Viren und Pilzen veröffentlicht sind, sollten Käufer diese zusätzlichen Zusagen als Ziele und nicht als nachgewiesene Leistung betrachten.

Wiederverwendung und Entsorgung

Jede Kartusche ist irgendwann mit aufgefangenem Arsen gesättigt; für eine langfristige Nutzung muss daher erkennbar sein, wann das Material verbraucht ist.

Nach der Behandlung einer Wassermenge kann die Desorption – das Ablösen eingefangener Chemikalien vom Material – Bindungsstellen für den nächsten Durchlauf wiederherstellen.

„Darüber hinaus bietet es den Vorteil, wiederverwendbar zu sein, da der Schadstoff mit einem einfachen Verfahren desorbiert und das Material erneut eingesetzt werden kann“, ergänzte Vergara.

Die Spülflüssigkeit muss sicher behandelt werden, denn bei der Regeneration wird Arsen in einem kleineren Volumen konzentriert und darf nicht ins Freie gelangen.

Kosten und Skalierung

Der Preis ist bei Filtern ein entscheidender Maßstab, und das Team von CONICET und UBA erklärte, sein Material entspreche hochwertigen Kartuschen, die in Argentinien verkauft werden.

Die Verwendung handelsüblicher Zutaten hielt auch die prognostizierten Kosten niedrig, weil das Kartuschenmedium aus im Einzelhandel verfügbaren Materialien hergestellt werden könnte.

„Dabei handelt es sich um ein Füllmaterial, das in verschiedenen kommerziellen Filterkartuschen als Ersatz für herkömmliche Aktivkohle eingesetzt werden könnte“, sagte Goyanes.

Ob die Kartusche das Labor verlässt und Gemeinden mit Bedarf an sichereren Brunnen erreicht, hängt davon ab, ob sich ein Unternehmenspartner findet.

Feldversuche stehen bevor

Diese abgestimmte Kohlemischung zeigt, wie kleine Veränderungen am Material eine gewöhnliche Kartusche in einen auf Arsen ausgerichteten Wasserreiniger verwandeln können.

Feldversuche, eindeutige Austauschhinweise und sichere Regenerationsverfahren werden darüber entscheiden, ob sich das Versprechen auch außerhalb von kontrolliertem Testwasser erfüllt.

Foto: mit freundlicher Genehmigung der Forschenden.