Nanopartikelbasierte Sanierung von chromverseuchtem Wasser zeigt hohe Effizienz

Grundwasser ist landesweit eine wichtige Trinkwasserquelle. Schwermetallverunreinigungen im Grundwasser stellen jedoch ein erhebliches Gesundheitsrisiko dar. Forscher am Indian Institute of Science (IISc) haben eine nanomaterialbasierte Lösung entwickelt, mit der sich Schwermetalle wie Chrom im Grundwasser wirksam reduzieren lassen.

Das Team besteht aus Forschern des Center for Sustainable Technologies (CST), des Department of Civil Engineering (CiE) und des Department of Instrumentation and Applied Physics (IAP). Die Studie ist veröffentlicht im Zeitschrift für Wasserverfahrenstechnik.

Chrom gelangt typischerweise durch Abwässer aus Industrien wie der Ledergerbung, Galvanik und Textilherstellung in Boden und Grundwasser. „Schwermetalle gelangen durch Urbanisierung und gewisse Misswirtschaftsprozesse in der Industrie in die Umwelt“, sagt Prathima Basavaraju, Doktorandin am CST und Hauptautorin der Studie.

Die meisten aktuellen Methoden zur Entfernung von Schwermetallverunreinigungen basieren auf dem Abpumpen von Wasser aus dem Boden und einer anschließenden Reinigung durch chemische Fällung, Adsorption, Ionenaustausch und Umkehrosmose an einem anderen Ort. Das IISc-Team schlägt stattdessen eine Alternative vor Ort vor, bei der Eisennanopartikel verwendet werden, um die Schwermetalle zu beseitigen.

„Wenn das Grundwasser verunreinigt ist, können wir diese Nanopartikel in den unterirdischen Grundwasserbereich injizieren, wo sie mit dem Chrom reagieren und es immobilisieren, was zu klarem Wasser führt“, erklärt Prathima.

Die Gruppe versuchte zunächst, Nanopartikel aus nano-nullwertigem Eisen (nZVI) zu synthetisieren. Diese Form von Eisen kann mit der giftigen und krebserregenden Form von Chrom (Cr6+) reagieren und es in eine weniger schädliche Form (Cr3+) reduzieren, was wiederum zur Mitfällung führt. Das Team erkannte jedoch bald, dass die nZVI-Partikel zum Verklumpen neigen, was ihre Anwendung einschränkt.

Um ein Verklumpen zu verhindern, griff das Team auf Carboxymethylcellulose (CMC) zurück. „Wir haben nZVI modifiziert, indem wir es mit CMC beschichtet haben. Es bildet eine stabilisierende Schicht um nZVI und trennt einzelne Partikel“, erklärt Prathima. Die CMC-Beschichtung verlängerte zusätzlich die Lebensdauer des Materials, indem sie die Oxidation des Eisenkerns verhinderte.

Das Team steigerte außerdem die Reaktivität des CMC-nZVI, indem es es unter anoxischen Bedingungen schwefelhaltigen Verbindungen aussetzte. Dies ermöglichte die Bildung einer schützenden Eisensulfidschicht auf der Oberfläche, ein Prozess, der Sulfidierung genannt wird. Diese Modifikationen verbesserten die Stabilität des S-CMC-nZVI und behielten seine Reaktivität und Effizienz bei.

S-CMC-nZVI zeigte eine Effizienz von nahezu 99 % bei der Entfernung von Cr6+ unter verschiedenen Bedingungen, wie beispielsweise unterschiedlichen pH-Werten und dem Vorhandensein anderer konkurrierender Ionen, die im Grundwasser vorkommen könnten. Das Team testete dieses verbesserte Nanomaterial unter Bedingungen, die die natürliche Umgebung von Grundwasserleitern nachahmen.

Als sie kontaminiertes Wasser durch Sandsäulen pumpten, die das Nanomaterial enthielten, beobachteten sie eine robuste Sanierungsaktivität. Es wurden auch Experimente an kontaminiertem Boden und Sediment durchgeführt, bei denen nZVI zur Immobilisierung der Schwermetalle eingesetzt wurde. Die Versuche zur Ausweitung der Skalierung sind noch im Gange.

Die Autoren schlagen vor, dass S-CMC-nZVI ein vielversprechendes Material für die Sanierung von mit Chrom kontaminiertem Grundwasser vor Ort ist. „Orte wie der Bellandur-See [in Bengaluru] gibt es viele kontaminierte Sedimente“, betont GL Sivakumar Babu, Professor am CiE und CST und Co-Autor.

„Die entwickelte Technik kann sich auch bei der Beseitigung von Schadstoffen wie Cadmium, Nickel und Chrom in kontaminierten Sedimenten des Bellandur-Sees als sehr nützlich erweisen.“