Projekt 02989/01

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

Projektdurchführung

Universität des SaarlandesFachrichtung Biochemie
66123 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Entfernung von Schwermetallen aus industriellen Abwässern 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 wäßrigen Lösungen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Ausgangsmaterialien waren Holzspäne, 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 einzuführen. Als vielversprechend erschien vor allem die Umsetzung mit Phosphorsäure und Harnstoff, womit sich eine intensive Phosphorylierung freier Hydroxylgruppen im Kohlenhydratgerüst erreichen läßt. Auf diese Weise erhält man ionenaustauschaktive Biopolymere, die konventionelle Austauscher auf Kunstharzbasis partiell ersetzen können.
Die Eignung solcher halbsynthetischer Biopolymeraustauscher war sowohl im Labormaßstab an Schwermetallhaltigen wäßrigen Lösungen als auch in Praxisversuchen an industriellen Abwässern zu überprüfen (Kooperation mit einem Galvanikbetrieb).


Ergebnisse und Diskussion

Als Ausgangsmaterialien dienten Holzabfälle (Buchenholzspäne), Krabbenschalen (Chitinhaltig) sowie Mycel des Schimmelpilzes Aspergillus niger (Citronensäureproduktion). Alle diese Biopolymere enthalten Kohlenhydratketten mit z. T. noch freien OH-Gruppen bzw. funktionalisierbaren Aminogruppen (Chitosan). Es wurden umfangrei-che Versuche zur Derivatisierung durchgeführt mit dem Ziel der Einführung neuer metallbindender Zentren. Dies gelang z. B. durch Phosphorylierung, Carboxylierung, Carboxymethylierung oder Aminierung.
Die jeweiligen Produkte wurden mittels Standardtests auf ihre Fähigkeit zur Metallbindung überprüft (Beladungstests mit Cadmium- oder Kupferionen). Es zeigte sich, daß vor allem die Phosphoderivate von Holz bzw. Krabbenschalen ein hohes Bindungsvermögen für Schwermetalle aufwiesen. Aber auch Carboxymethylierungen von Holz führte 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 durchzuführen sind, sollten einige der halbsynthetischen Biopolymere in Konkurrenz zu handelsüblichen Ionenaustauschern auf Kunstharzbasis treten können.
Die anwendungstechnische Brauchbarkeit von phosphoryliertem Holz wurde an einem Zinkhaltigen Spülwasser der Galvanikindustrie überprüft. Es zeigte sich, daß dieses Bioprodukt in der Lage ist, Zinkionen effektiv aus dem Spülwasser zu entfernen, so daß letzteres im Kreislauf geführt werden kann (abwasserfreies Recycling). Das Metall läßt sich vom Austauscher ablösen und in den Elektrolysekreislauf zurückführen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der durchgeführten Forschungsarbeiten sind primär 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 Kürze 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 Kürze 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.