Abwasserreinigung: Aus giftigem Chlorphenol entsteht harmlose Apfelsäure

Einfach, sauber und schnell: So sollte das ideale Verfahren zur Abwasserreinigung funktionieren - und dabei noch möglichst preisgünstig sein. Für den Abbau persistenter Chlorphenole, die beispielsweise in Abwässern der Papierindustrie eine wichtige Rolle spielen, haben nun Wissenschaftler der amerikanischen Carnegie Mellon Universität und des GSF-Forschungszentrums für Umwelt und Gesundheit in der neuesten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science ein viel versprechendes Verfahren vorgestellt. Dabei wird ein von dem amerikanischen Chemiker Terrence Collins entwickelter neuartiger Eisen-Komplex eingesetzt, der als Katalysator Wasserstoffperoxid zur Oxidation von Chlorphenolen anregt. Die GSF-Wissenschaftler Professor Karl-Werner Schramm und Professor Dieter Lenoir wiesen nach, dass sowohl der Katalysator selbst als auch die entstehenden Substanzen ungiftig sind und insbesondere durch die Oxidation keine Dioxine gebildet werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass toxische Chlorphenole im Abwasser nicht durch womöglich ebenso giftige Abbauprodukte ersetzt werden. "Wir wollten den Prozess des Abbaus der Chlorphenole im Rahmen des Konzeptes "Nachhaltige Chemie" möglichst umweltfreundlich gestalten", erläutert Lenoir die Motivation der Wissenschaftler, "die meisten der bisher verwendeten Katalysatoren haben den Nachteil, dass sie selbst toxisch sind". Die erfolgreiche Kooperation der beiden Forschergruppen könnte somit der Industrie ein lang erwartetes Mittel an die Hand geben, Abwässer effektiv und umweltfreundlich zu reinigen.

Früher enthielten zahlreiche Produkte Chlorphenole, z.B. Pestizide, Desinfektionsmittel oder Holzschutzmittel. Innerhalb der letzten zehn Jahre wurden diese Substanzen aufgrund ihrer Toxizität weitgehend verboten. Allerdings sind viele Chlorphenole wie z.B. Pentachlorphenol (PCP) oder 2,4,6 -Trichlorphenol (TCP) nur schwer biologisch abbaubar und nach wie vor in der Umwelt verbreitet. Zusätzlich sind Chlorphenole ein bedeutendes Nebenprodukt der Zellstoffindustrie, wo sie bei der Chlor-Bleichung von Papier entstehen. Daher könnte der neue Katalysator besonders für die Reinigung von Abwässern aus Papierfabriken interessant sein.

Der durch ein Patent geschützte Katalysator besteht aus einem Eisen-Atom, das in ein Gerüst aus vier Stickstoff-Liganden eingebettet ist und wird als Fe-TAML bezeichnet (Eisen-Komplex mit TetraAmidoMacrozyklischen Liganden). Dieses Molekül aktiviert Wasserstoffperoxid und versetzt es so in die Lage, die chlorhaltigen Verbindungen zu knacken. Als Produkte entstehen unter anderem Apfelsäure, Malonsäure und Kohlendioxid. Bemerkenswerte 95-98 Prozent des Chlors liegen nach der Oxidation als Chlorid vor.

Von biologischen Oxidationsverfahren ist bekannt, dass sie beim Abbau von Chlorphenolen zur Bildung von Dioxinen führen. Vor diesem Hintergrund überprüften Schramm und Lenoir, ob bei der hier ablaufenden chemischen Oxidation ebenfalls geringe Mengen giftiger Dioxine gebildet werden. Auch hochempfindliche analytische Nachweismethoden " ein Gebiet, auf dem die GSF führend ist " ergaben aber keine Hinweise auf Dioxine, sodass davon ausgegangen werden kann, dass diese chemische Oxidation in diesem Punkt "natürlichen" Verfahren überlegen ist.

Leuchtbakterien und Wasserflöhe als Versuchsorganismen bewiesen bei ökotoxikologischen Tests, dass sowohl der Katalysator selbst als auch die entstehenden Abbauprodukte nicht nur im Hinblick auf Dioxine, sondern auch bezüglich ihrer Gesamt-Toxizität unbedenklich sind.

Aufgrund dieser viel versprechenden Ergebnisse untersuchen Lenoir und Schramm bereits die Eignung einer etwas abgewandelten Form des Katalysators für ein weiteres Einsatzgebiet: Die Reinigung von Abwasser aus Färbereien. Unbehandelte Abwässer schillern in allen Regenbogenfarben, und bisher lassen sich die Farbstoffe in Kläranlagen oft nur schwer entfernen. Auch hier zeigten erste Versuche, die an der GSF mit dem Azofarbstoff "Acid Orange 7" unternommen wurden, ermutigende Resultate: Die behandelte Probe entfärbte sich wie von Zauberhand. Es scheinen sich nur ungiftige Spaltprodukte zu bilden.

Quelle: GSF - Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit