Elektrochemische Verfahren zur Umwandlung halogenierter Schadstoffe in wertvolle Rohstoffe

Halogenierte Chemikalien sind in unzähligen Alltagsprodukten unverzichtbar - von Pflanzenschutzmitteln über Flammschutzmittel in Elektronik bis hin zu medizinischen Kontrastmitteln.

Doch ihre chemische Stabilität, die sie für Anwendungen so wertvoll macht, wird zum ökologischen Fluch: Sie reichern sich in Ökosystemen an und kehren nicht in den Wertstoffkreislauf zurück.

Besonders fluorierte Verbindungen wie PFAS oder chlorierte Pestizide wie Lindan widerstehen dem natürlichen Abbau über Jahrzehnte und belasten Umwelt sowie Gesundheit. Ein in CellPress veröffentlichter Perspektiven-Artikel von Prof. Siegfried R. Waldvogel und Dr. Sebastian Beil zeigt einen Ausweg auf.

Ressourcen im Abfall: Globale Depots als Rohstoffquelle

Weltweit lagern gigantische Mengen halogenierter Schadstoffe, die als künftige Rohstoffquellen dienen könnten. Dazu zählen Lindan-Rückstände aus der Pestizidproduktion mit einem geschätzten Volumen von vier bis sieben Millionen Tonnen, die bei der Herstellung des Insektizids als Abfallisomere anfielen.

Ebenso relevant sind PVC-Abfälle aus der Bauindustrie, von denen jährlich etwa 60 Millionen Tonnen anfallen, sowie bromierte Flammschutzmittel in Kunststoffen, die bis zu 33 Gewichtsprozent ausmachen. Selbst scheinbar geringe Kontaminationen wie iodierte Kontrastmittel in Klinikabwässern oder Industriegase wie Schwefelhexafluorid aus Elektroanlagen werden zu relevanten Ressourcen, wenn man ihre globale Verbreitung betrachtet.

Diese "Abfalldepots" enthalten wertvolle Halogene, insbesondere Chlor, Brom und Iod, die durch konventionelle Methoden kaum rückgewinnbar sind. Prof. Siegfried Waldvogel will mit seiner Forschung sieht in der Elektrochemie eine Lösung: "Die Elektrochemie bietet eine energieeffiziente Strategie, um globale Schadstoffprobleme in nachhaltige Wertschöpfungsketten zu überführen."

Elektrochemie als Schlüsseltechnologie

Das Team um Waldvogel nutzt elektrischen Strom, um Halogene gezielt aus Schadstoffen abzuspalten und für neue Synthesen verfügbar zu machen. Der Ansatz kombiniert mehrere Vorteile: Die Reaktionen laufen unter milden Bedingungen bei Raumtemperatur ab, vermeiden toxische Zusatzstoffe und können mit erneuerbarem Strom betrieben werden, was die CO₂-Bilanz signifikant verbessert.

Konkrete Erfolge unterstreichen das Potenzial. So dient Lindan-Abfall als Chlorquelle zur Herstellung neuer Dichlorverbindungen - ein Prozess, der gleichzeitig Benzol als nutzbares Nebenprodukt freisetzt. Bei PVC-Abfällen ermöglicht die elektrochemische Dechlorierung nicht nur die Rückgewinnung von Chlor für Synthesen, sondern erhält auch das Polymerrückgrat zurück. Selbst komplexe bromierte Flammschutzmittel wie HBCD lassen sich so in wertvolles Cyclododecatrien umwandeln.

Erweiterung des Konzepts: Von Iod bis Schwefelhexafluorid

Die elektrochemischen Verfahren sind erstaunlich vielseitig einsetzbar. Bei iodierten Kontrastmitteln wie Iomeprol gelingt die nahezu vollständige Deiodierung mit über 95 Prozent Rückgewinnungsrate. Diesen Ansatz prüfen Industriepartner wie die Bayer AG bereits auf Praxistauglichkeit. Selbst extrem stabile Verbindungen wie das Isoliergas Schwefelhexafluorid werden durch kombinierte Licht-Elektrochemie in Bausteine für medizinische Anwendungen transformiert.

Um die Handhabung der reaktiven Halogene zu vereinfachen, entwickelten die Forschenden zudem innovative Speichermethoden: Durch Einlagerung in stabile Polyhalogenid-Ionen oder cyclodextrinbasierte Trägermaterialien entfallen Risiken beim Transport und Lagerung.

Perspektiven: Kreislaufwirtschaft und Defossilisierung

Diese elektrochemischen Ansätze ebnen den Weg für eine nachhaltige "Halogen-Kreislaufwirtschaft" mit dreifachem Nutzen. Erstens entlasten sie die Umwelt, indem Schadstoffe wie Lindan oder PCBs nicht deponiert, sondern als Rohstoffe genutzt werden. Zweitens schonen sie Ressourcen, da fossile Halogenquellen wie Steinsalz substituiert werden. Drittens generieren sie Wertschöpfung, indem Kohlenstoffgerüste aus PVC oder Lindan als nicht-fossile Grundchemikalien dienen.

Für die großtechnische Umsetzung arbeiten die Forschenden an standardisierten Reaktoren und angepassten Prozessparametern, unterstützt durch Projekte wie den BMBF-geförderten Zukunftscluster "ETOS" und die Initiative "Halocycles" der Carl-Zeiss-Stiftung. Wie Waldvogel betont, erfordert die Umsetzung jedoch gemeinsame Anstrengungen: "Wissenschaft, Behörden und Politik müssen gemeinsam Rahmenbedingungen schaffen, um diese Technologien in die Praxis zu überführen."

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Quelle: Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC)