Februar 2002

Leuchtendes Zinkoxid zeigt PCB-Abbau an (7.2.2002)

Umwelttechnik

Pestizide und Holzschutzmittel verschmutzen weite Gewässer mit giftigen chlorierten Phenolen. Diese organischen Substanzen – darunter auch das weit verbreitete PCB (Polychloriniertes Biphenyl) – können mit Sonnenlicht und bestimmten lichtempfindlichen Katalysatoren abgebaut werden. US-Chemiker entdeckten nun, dass Zinkoxid nicht nur als Katalysator dienen, sondern auch die Verschmutzung durch PCB mit einem schwachen Leuchten anzeigen kann.

Findet sich nur ein Teil eines chlorierten Phenols in einer Millionen Teile Wasser, sendet Zinkoxid ein grünes Licht aus. Während die organische Substanz bei der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht nach und nach in harmlose Stoffe zersetzt wird, verringert sich diese so genannte Fluoreszenz, berichten die Forscher der University of Notre Dame in Indiana im Fachblatt Journal of Physical Chemistry B (Vol. 106, S. 788).

Ist der Abbauprozess jedoch abgeschlossen, nimmt die Intensität des grünen Lichtes um rund 15 Prozent zu. So kann Zinkoxid nicht nur als Katalysator, sondern auch als empfindlicher Sensor für eine giftige Konzentration an chlorierten Phenolen dienen.

Dieser photokatalytische Effekt wurde bisher schon bei Titandioxid nachgewiesen, konnte aber noch nicht in einem kommerziellen Produkt umgesetzt werden. Nun hoffen die Wissenschaftler, dass Zinkoxid diesen Schritt mit seiner Doppelfunktion als Sensor und Katalysator ermöglicht. Allerdings stehen noch weitere Untersuchungen zur Effizienz und zur Geschwindigkeit dieser Abbau-Reaktion aus.

Jan Oliver Löfken

Die Sachsen sind Spitze im Wassersparen (4.2.2002)

Leipziger Volkszeitung (4.2.2002)

Im Freistaat deutschlandweit geringste Ausgaben für Trink- und Abwasser

Dresden. Kurios, aber wahr: Ausgerechnet in Sachsen, wo seit vielen Jahren heftig um zu hohe Kommunalabgaben gestritten wird, zahlen die Bürger deutschlandweit am wenigsten für Abwasser. Eine jetzt vorgestellte Umfrage des Bundesverbandes der Gas- und Wasserwirtschaft (BGW) unter 1150 Abwasserentsorgern ergab, dass in Sachsen im vergangenen Jahr durchschnittlich pro Kopf lediglich 83 Euro an Entgelten ausgegeben wurden. Negativ-Spitzenreiter war indes Nordrhein-Westfalen mit 146 Euro.

Erklären lässt sich das überraschende Ergebnis nur mit der Wassersparsamkeit der Sachsen. Tatsächlich liegen die Verbrauchszahlen seit Jahren unter dem Bundesdurchschnitt. Fließen im Freistaat pro Einwohner und Tag nur 89 Liter Wasser durch die Leitungen, sind es bundesweit laut BGW 129 Liter. Bei der Höhe der Abwassergebühren rangiert Sachsen im Vergleich mit den Ostländern ebenfalls auf den billigen Plätzen. In westdeutschen Bundesländern sind die Ausgaben allerdings deutlich geringer. Deutschlandweit lag die durchschnittliche Abwassergebühr im Jahr 2001 nach BGW-Angaben bei 2,18 Euro pro Kubikmeter. Das Abwasserentgelt betrug damit jährlich rund 117 Euro je Einwohner. Jeder Bürger zahlte demnach täglich rund 32 Cent für die Wasserbeseitigung. Die Abwasserentgelte seien im Vergleich zum Vorjahr stabil geblieben und lediglich um 0,3 Prozent gestiegen, sagte Dieter Bongert, wasserpolitischer Sprecher des BGW.

Grund für die großen Ost-West-Unterschiede sind die nach wie vor hohen Kosten für den Bau von Klärwerken und der Kanalisation. Das sächsische Umweltministerium rechnet mit weiteren Ausgaben von 1,7 Milliarden Euro bis 2006. Bis dahin sollen gemäß einer EU-Vorschrift rund 85 Prozent der Bevölkerung an die Entsorgungsnetze angeschlossen sein, erklärt Ministeriumssprecher Dirk Reelfs. Derzeit liegt der Anschlussgrad bei 77 Prozent nach nur 56 Prozent 1990. In den vergangenen zehn Jahren flossen laut Reelfs bereits 4,6 Milliarden Euro in den Ausbau der Abwassersysteme.

Sven Heitkamp

Abwasserreinigung mit Sonnenlicht

Spektrum der Wissenschaft - Februar 2002, Seite 21-22

Neu entwickelte Katalysatoren können mit Hilfe von normalem Sonnenlicht auch hartnäckige Verunreinigungen im Abwasser zersetzen, mit denen die Mikroben in Kläranlagen nicht fertig werden.

Von Michael Groß

Von den unzähligen neuartigen chemischen Verbindungen, die im Laufe des 20. Jahrhunderts den Weg aus den Syntheselabors in die Fabriken oder Haushalte gefunden haben, beenden viele ihre Laufbahn im Abwasser - als Verunreinigung oder gar Schadstoff. Mit manchen kommen die Bakterien in den biologischen Kläranlagen gut zurecht, an andere haben sie sich über die Jahre hinweg angepasst, aber einige organische Verbindungen sind auch für die hartgesottensten Mikroben unverdaulich. Dazu zählen etwa chlorierte Aromaten: benzolähnliche Verbindungen mit einem oder mehreren Chloratomen. Helfer beim Abbau von Schadstoffen

Eine Möglichkeit, den abwasserreinigenden Mikroorganismen unter die Arme zu greifen, wäre die Zugabe eines geeigneten Katalysators. Katalysatoren können eine Reaktion, die sonst sehr langsam (oder sogar unendlich langsam, also nie) ablaufen würde, derart beschleunigen, dass sie in einer für praktische Zwecke nützlichen Zeitspanne zum Ende kommt. In der Zelle leisten das die Enzyme, von denen sich inzwischen auch die chemische Industrie einige ausgeborgt hat. Doch häufiger bringen Metalle und Metallverbindungen großchemische Prozesse in Schwung.

Besonders ausgeklügelte Katalysatoren können überdies eine Energiequelle anzapfen und sie für die Reaktion nutzbar machen. Handelt es sich dabei um (Sonnen-)Licht, spricht man von Photokatalysatoren. Auch sie gibt es in einer biochemischen Version (beispielsweise repariert die DNA-Photolyase defekte Erbsubstanz mit Hilfe von Licht) und in einer anorganisch-technischen. Einer der am besten untersuchten anorganischen Photokatalysatoren ist das Titandioxid. Diese ungiftige Verbindung, die auch als weißes Pigment geschätzt wird, kann bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht unerwünschte organische ^

Verbindungen mittels Luftsauerstoff zersetzen, also chlorierte Kohlenwasserstoffe zum Beispiel in Kohlendioxid, Wasser und Salzsäure zerlegen. Diese Fähigkeit verdankt Titandioxid dem Umstand, dass es ein Halbleiter ist. Bei Lichteinfall wird ein Elektron aus einem niedrigen Energieniveau (dem Valenzband) über die so genannte Bandlücke hinweg in einen höheren Zustand (das Leitungsband) gehievt; das verbliebene "Loch" im Valenzband sowie das angehobene Elektron können dann jeweils chemische Reaktionen auslösen. Nun ist allerdings die Bandlücke in diesem Fall so groß, dass die Energie von gewöhnlichem Licht mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 Manometern für den Hebevorgang nicht ausreicht. Deshalb wirkt Titandioxid lediglich im ultravioletten Wellenlängenbereich als Photokatalysator.

UV-Strahlung wird allerdings durch Glas, Wasser und Luft relativ stark absorbiert, sodass vor allem im Winter nur wenig am Erdboden ankommt. Mehrere Teams befassen sich deshalb mit der Entwicklung von Photokatalysatoren, die organische Schadstoffe auch mit sichtbarem Licht zerlegen können. Dazu gehören insbesondere die Arbeitsgruppen von Horst Kisch an der Universität Erlangen-Nürnberg und Wilhelm Maier am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim. Ihnen ist es nun gelungen, den Aktivitätsbereich von Titandioxid in den sichtbaren Teil des Spektrums auszudehnen. Dazu setzten sie dem Halbleiter in geringen Mengen Chloride von Kobalt, Nickel oder Edelmetallen zu (Chemistry European Journal, Bd. 6, 5. 379). Offen bar können diese Verbindungen wie Antennen die Energie des sichtbaren Lichts auffangen und gebündelt an das Titandioxid weiterleiten. Dadurch ließ sich die Obergrenze des nutzbaren Wellenlängenbereichs von unter 400 auf fast 600 Nanometer anheben. Denselben Effekt erzielten die Forscher auch durch Einbau geringer Mengen Kohlenstoff in das Titandioxid (Applied Catalysis B: Environmental, Bd. 32, S. 215).

Einen anderen Weg gingen Maier, inzwischen an der Universität Saarbrücken, und seine früheren Kollegen am Mülheimer MPI in ihrer jüngsten Studie, bei der sie mit Chlorphenol als Testschadstoff arbeiteten. Statt Titandioxid mit allen möglichen Hilfsmitteln zu spicken, suchten sie nach Photokatalysatoren auf der Basis völlig anderer Grundsubstanzen. In einer Art Rasterfahndung testeten sie die Wirksamkeit einer ganzen Bibliothek verschiedener Metalloxide mit diversen Zusatzstoffen durch - jeweils 45 auf einen Streich in einem Raster von 45 Glasfläschchen (Angewandte Chemie, Bd. 113, Nr. 17, S. 3258). Mehr als eine Geschmacksfrage Fündig wurden die Forscher bei den Oxiden der Metalle Zinn und Wolfram. Diese zeigen mit den richtigen Hilfsstoffen eine photokatalytische Aktivität im sichtbaren Spektrum, die zwar nicht ganz an die der Titandioxide heranreicht, aber durchaus für Anwendungen interessant werden könnte. Maier und Kollegen vermuten deshalb, dass es noch viele weitere anorganische Photokatalysatoren zu entdecken gibt. Darunter sollte sich auch der eine oder andere finden, der den Kläranlagen bei der Beseitigung biologisch nicht abbaubarer Schadstoffe helfen könnte. Andere Umweltprobleme ließen sich mit solchen Katalysatoren gleichfalls leichter bewältigen. Dazu gehört sowohl die Sanierung kontaminierten Erdreichs als auch die unerwünschte Bildung chlorierter Aromaten bei der Aufbereitung von Trinkwasser aus Uferfiltrat, bei der Chlor zur Desinfektion benutzt wird. Chlorphenole wie das von Maier und Kisch untersuchte verderben den Niederländern derzeit den Geschmack ihres Tees, wenn sie ihn mit solchem Wasser zubereiten. Dem abzuhelfen wäre nicht nur eine Geschmacksfrage.

Michael Groß ist Biochemiker und Honorary Science Writer in Residence am Birkbeck College in London.