Schwefelsäure ist die weltweit am häufigsten verwendete Chemikalie. Es ist ein wichtiges Reagens, das in vielen Branchen verwendet wird und bei der Herstellung von Papier, Pharmazeutika und Kosmetika bis hin zu Batterien, Waschmitteln und Düngemitteln verwendet wird. Daher ist es eine weltweite Herausforderung, dass Schwefelsäure oft einen der giftigsten Stoffe enthält – Quecksilber. Forscher der Technischen Universität Chalmers, Schweden, haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich der Quecksilbergehalt in Schwefelsäure um mehr als 90 % senken lässt – selbst bei niedrigen Werten.
„Bisher gibt es überhaupt kein praktikables Verfahren zur Reinigung von fertiger Schwefelsäure. Mit einer derart radikalen Reduzierung des Quecksilbergehalts unterschreiten wir die aktuellen Grenzwerte deutlich. Solch reine, hochwertige Schwefelsäure ist in industriellen Anwendungen sehr gefragt.“ und ein wichtiger Schritt zur Reduzierung der Umweltbelastung“, sagt Forschungsleiter Björn Wickman, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik in Chalmers.
Schwefelsäure wird entweder aus Schwefel aus der Erdölindustrie oder als Nebenprodukt in den Hütten der Bergbauindustrie hergestellt. Im letzteren Fall kann Quecksilber, das natürlicherweise im Erz enthalten ist, in die fertigen Produkte gelangen. Auch recycelte Ströme in den Schmelzhütten können Quecksilber enthalten.
Giftige Emissionen, die alles Leben auf der Erde beeinträchtigen
Die Verbreitung von Quecksilber ist ein weltweites Problem, da der Stoff flüchtig ist und über die Luft über große Gebiete verteilt werden kann. Dieses giftige Schwermetall wird dann bei Regen in Bäche und Seen geschwemmt. Es wird im Boden, im Wasser und in lebenden Organismen gespeichert und hat Auswirkungen auf die gesamte Nahrungskette. Es kann das Gehirn und das zentrale Nervensystem von Menschen und Tieren schädigen.
Laut a Bericht des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP).) stiegen die Quecksilberemissionen in die Atmosphäre von 2010 bis 2015 um schätzungsweise 20 %.
Im Jahr 2015 wurden durch menschliche Aktivitäten wie die Zementherstellung, den Goldabbau in kleinem Maßstab, die Kohleverbrennung, die Metallproduktion und andere verarbeitende Industrien etwa 2.200 Tonnen Quecksilber in die Luft emittiert. Darüber hinaus gelangten im selben Jahr schätzungsweise 1.800 Tonnen Quecksilber in den Boden und ins Wasser. Dem Bericht zufolge könnte die Quecksilberkonzentration in der Atmosphäre im letzten Jahrhundert um 450 % gestiegen sein.
„Jede Art und Weise, wie wir die Quecksilberemissionen reduzieren können, ist gut, denn jedes freigesetzte Quecksilber reichert sich in der Umwelt an und stellt noch Jahrtausende lang eine Gesundheitsgefahr dar“, sagt Wickman.
Fängt das Metall mithilfe der Elektrochemie ein
Vor fünf Jahren präsentierte sein Forschungsteam in Chalmers eine bahnbrechende Methode zur Entfernung von Quecksilber aus Wasser mithilfe elektrochemischer Prozesse. Das Verfahren basiert darauf, dass eine Metallelektrode das giftige Metall aufnimmt und eine Legierung bildet. Anschließend kann das Quecksilber sicher entfernt und die Elektrode wiederverwendet werden. Jetzt haben die Forscher diese Technologie einen Schritt weitergeführt und in einer neuen Studie gezeigt, wie Quecksilber aus konzentrierter Schwefelsäure entfernt werden kann.
Die Experimente mit Schwefelsäure wurden in Zusammenarbeit mit dem Bergbau- und Metallraffinerieunternehmen Boliden und dem Unternehmen Atium, einem Spin-off der Chalmers School of Entrepreneurship, mit dem Ziel durchgeführt, die Entfernung von Quecksilber aus Wasser und Chemikalien auf den Markt zu bringen. Die Forscher hoffen nun, gemeinsam mit ihren Partnern einen Reaktortyp entwickeln zu können, durch den Schwefelsäure strömen und gleichzeitig gereinigt werden kann.
Potenzial zur Reduzierung von Kosten und Umweltbelastung
Heutzutage wird Quecksilber größtenteils in einem früheren Stadium entfernt – aus den Konzentraten und recycelten Strömen in der Schmelze, bevor Schwefelsäure hergestellt wird. Dies ist ein etablierter Prozess, der jedoch Spuren von Quecksilber im Endprodukt hinterlässt.
„Auch die Reinigung der Schwefelsäure verhindert zusätzliche Quecksilberemissionen und ermöglicht der Industrie gleichzeitig einen kosteneffizienteren Betrieb und die Herstellung eines hochreinen, ungiftigen Produkts. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Methode auf einen Pilotprozess auszuweiten, der näher dran ist.“ zu realen Volumina von Tausenden Tonnen“, sagt Vera Roth, Doktorandin bei Chalmers und Erstautorin des in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels ACS ES&T Engineering.
Ich hoffe auf niedrigere Grenzwerte
Entsprechend der Statista-DatenbankDas weltweite Marktvolumen für Schwefelsäure beträgt rund 260 Millionen Tonnen pro Jahr. Bis 2029 soll diese Zahl auf 314 Millionen Tonnen steigen. Je geringer der Quecksilbergehalt der Schwefelsäure ist, desto wertvoller ist sie. Schwefelsäure für kommerzielle Zwecke gilt als von akzeptabler Qualität, wenn ihr Quecksilbergehalt unter 0,30 Milligramm pro Kilogramm liegt.
Liegt der Gehalt unter 0,08 Milligramm pro Kilogramm, gilt die Schwefelsäure als hochrein. Mit der neuen Methode haben die Forscher in ihrer Pilotstudie den Quecksilbergehalt auf 0,02 Milligramm pro Kilogramm Schwefelsäure gesenkt.
„Die Grenzwerte dafür, wie viel Quecksilber Schwefelsäure enthalten darf, basieren auf der heute verfügbaren Technologie. Mit der neuen Methode zur Reinigung von Schwefelsäure hoffen wir, dass die Gesetzgebung rund um die Grenzwerte im globalen Maßstab bei Quecksilberwerten verschärft wird.“ im Allgemeinen viel höher“, sagt Wickman.
Mehr Informationen:
Vera Roth et al., Quecksilberentfernung aus konzentrierter Schwefelsäure durch elektrochemische Legierungsbildung auf Platin, ACS ES&T Engineering (2023). DOI: 10.1021/acsestengg.2c00417