Projekt 02989/01

Entwicklung chemisch modifizierter Biopolymere und ihre Anwendung zur Entfernung von Schwermetallen aus industriellen AbwÀssern

ProjekttrÀger

UniversitÀt des SaarlandesFachrichtung Biochemie
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66123 SaarbrĂŒckenZielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Entfernung von Schwermetallen aus industriellen AbwĂ€ssern unterliegt gesetzlichen Regelwerken und verpflichtet zur Einhaltung z. T. sehr niedriger Grenzwerte. Diese bedingen sehr oft den Einsatz von Ionenaustauschern oder Komplexbildnern auf synthetischer Basis. Andererseits fallen große Mengen an Biopolymeren (Holz, Chitin) als Abfallstoffe an. Zielsetzung des Vorhabens ist die Nutzung dieser nachwachsenden Rohstoffe nach entsprechender chemischer Derivatisierung zur Entfernung von Schwermetallen aus wĂ€ĂŸrigen Lösungen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Ausgangsmaterialien waren HolzspĂ€ne, Krabbenschalen und Abfallmycel von Aspergillus niger vorgesehen. Nach entsprechender mechanischer Aufbereitung und Vorreinigung waren die Naturprodukte verschiedenen chemischen Umwandlungen zu unterwerfen, wie sie von der klassischen Kohlenhydrat-chemie bekannt sind (Phosphorylierungen, Carboxylierungen, Carboxymethylierungen etc.) mit dem Ziel, neue metallbindende Zentren einzufĂŒhren. Als vielversprechend erschien vor allem die Umsetzung mit PhosphorsĂ€ure und Harnstoff, womit sich eine intensive Phosphorylierung freier Hydroxylgruppen im KohlenhydratgerĂŒst erreichen lĂ€ĂŸt. Auf diese Weise erhĂ€lt man ionenaustauschaktive Biopolymere, die konventionelle Austauscher auf Kunstharzbasis partiell ersetzen können. Die Eignung solcher halbsynthetischer Biopolymeraustauscher war sowohl im Labormaßstab an Schwermetallhaltigen wĂ€ĂŸrigen Lösungen als auch in Praxisversuchen an industriellen AbwĂ€ssern zu ĂŒberprĂŒfen (Kooperation mit einem Galvanikbetrieb). Ergebnisse und Diskussion Als Ausgangsmaterialien dienten HolzabfĂ€lle (BuchenholzspĂ€ne), Krabbenschalen (Chitinhaltig) sowie Mycel des Schimmelpilzes Aspergillus niger (CitronensĂ€ureproduktion). Alle diese Biopolymere enthalten Kohlenhydratketten mit z. T. noch freien OH-Gruppen bzw. funktionalisierbaren Aminogruppen (Chitosan). Es wurden umfangrei-che Versuche zur Derivatisierung durchgefĂŒhrt mit dem Ziel der EinfĂŒhrung neuer metallbindender Zentren. Dies gelang z. B. durch Phosphorylierung, Carboxylierung, Carboxymethylierung oder Aminierung. Die jeweiligen Produkte wurden mittels Standardtests auf ihre FĂ€higkeit zur Metallbindung ĂŒberprĂŒft (Beladungstests mit Cadmium- oder Kupferionen). Es zeigte sich, daß vor allem die Phosphoderivate von Holz bzw. Krabbenschalen ein hohes Bindungsvermögen fĂŒr Schwermetalle aufwiesen. Aber auch Carboxymethylierungen von Holz fĂŒhrte zu austauschaktiven Produkten. Umfangreiche Charakterisierungsstudien erlauben eine Abgrenzung der einzelnen Produkte hinsichtich ihrer Eignung als technische Ionenaustauscher mit z. T. Selektivcharakter. Da die Ausgangsstoffe wohlfeil zu erlangen und die chemischen Umsetzungen meist einfach durchzufĂŒhren sind, sollten einige der halbsynthetischen Biopolymere in Konkurrenz zu handelsĂŒblichen Ionenaustauschern auf Kunstharzbasis treten können. Die anwendungstechnische Brauchbarkeit von phosphoryliertem Holz wurde an einem Zinkhaltigen SpĂŒlwasser der Galvanikindustrie ĂŒberprĂŒft. Es zeigte sich, daß dieses Bioprodukt in der Lage ist, Zinkionen effektiv aus dem SpĂŒlwasser zu entfernen, so daß letzteres im Kreislauf gefĂŒhrt werden kann (abwasserfreies Recycling). Das Metall lĂ€ĂŸt sich vom Austauscher ablösen und in den Elektrolysekreislauf zurĂŒckfĂŒhren. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Die Ergebnisse der durchgefĂŒhrten Forschungsarbeiten sind primĂ€r zur Erstellung von drei Dissertationen vorgesehen (eine Dissertation liegt bereits vor). Die Verwendung von phosphoryliertem Holz als Io-nenaustauscher ist zum Patent angemeldet (Erteilung ist in KĂŒrze zu erwarten). Über die Forschungsar-beiten wurde auf der Tagung Ökosystemanalyse der Akademie der Wissenschaften und der Literatur in Mainz, Dezember 1995 vorgetragen. Eine schriftliche Zusammenfassung erscheint in KĂŒrze in dem entsprechenden Symposiumsband. Fazit Das Forschungsvorhaben hat gezeigt, daß es partiell möglich ist, vollsynthetische Kunstharzpolymere durch umweltfreundlichere Biopolymere zu ersetzen. Damit steht ein umfangreiches Aufgabengebiet erst am Anfang und bedarf im weiteren der großtechnischen Umsetzung und Anwendung. Generell sollten sich die erprobten Derivatisierungsschritte auch auf andere Polymere biologischen Ursprungs anwenden lassen.

Übersicht

Telefon

0681/3023282

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Bundesland

Saarland

Fördersumme

72.092,16 €

Förderzeitraum

01.10.1993 - 10.03.1995