2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15608Der weltweite Trinkwasserbedarf stieg in den vergangenen 30 Jahren kontinuierlich um ca. 1% Jahr. Nach konservativen Schätzungen wird dieses Wachstum so bis ins Jahr 2050 Bestand haben. Parallel haben im Jahr 2019 etwa 30% der Weltbevölkerung keinen sicheren Zugang zu sauberem Trinkwasser; aber sicheres Trinkwasser und sanitäre Einrichtungen sind als grundlegende Menschenrechte anerkannt. Die Gründe für die schlechte Trinkwasser¬versorgungs¬situation weltweit sind vielfäligt: Die Rohwasserverfügbarkeit ist durch unzureichendes Wassermanagement häufig nicht ausreichend gegeben; der Klimawandel trägt zur weiteren Verschärfung bei; Rohwässer sind durch geogene Kontaminationen (z.B. durch Arsen oder Chrom) bzw. durch unzureichende Aufbereitung von Abwässern (z. B. patogene Mikroorganismen) kontaminert; effektive Technologien für eine sichere Trinkwasseraufbereitung sind nicht verfügbar bzw. zu energie- und kostenintensiv. In diesem Spannungsfeld setzt das vorgeschlagene Innovationsprojekt an. Projektziel ist es auf der Basis einer interdiziplinären Kooperation zwischen dem TUHH-Institut „Wasserressourcen und Wasserversorung“ und dem Institut für Polymerforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) mit einer neuartigen funktionalisierten Polyacrylnitrilmembran (PAN) ein Trinkwassser-aufbereitungs¬system zu entwickeln, mit dem zum einen mikrobiologisch sicheres Trinkwasser und gleichzeitig weltweit häufig vorkommende Problemstoffe der Trinkwasseraufbereitung (Arsen, Chrom) entfernt werden können. Arsen ist eine krebserregende Substanz und gehört zu den von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) identifizierten 10 höchstprioritären Chemikalien für die öffentlichen Gesundheit. Hohe Konzentrationen an Arsen in Grundwässern stellen für mehr als 300 Millionen Menschen in etwa 100 Ländern eine hohe Gesundheitsgefährdung dar. Arsen wird dabei im neutralen pH Bereich als Arsenat (As(V)) bzw. Oxyanion [HAsO42-] durch Trinkwasser aufgenommen. Die WHO empfehlt einen Richtwert von 10 μg/L As, der in betroffenen Gebieten um Größenordnungen überschritten wird. Ein weiterer Problemstoff der weltweiten Trinkwasserbereitstellung ist Chrom. Neben Verunreinigungen durch industrielle Aktivitäten spielt regional die Auswaschung aus chromhaltigen Gesteinen eine große Rolle. In wässrigen Lösungen liegt Chrom im neutralen pH Bereich in dreiwertiger (Cr(III)) oder sechswertiger Form (Cr(VI)) vor. Während Cr(III)-Verbindungen in geringen Mengen essentiell für bestimmte Stoffwechselprozesse des Menschen sind, werden Cr(VI)-Verbindungen als sehr problematisch weil kanzerogen angesehen. Häufig ist Chrom geogen auch mit Arsen assoziert; es tritt dann ebenfalls als Oxyanion (CrO42-) auf. Für beide Zielstoffe (As, Cr) existieren zwar Aufbereitungstechnologien zur Enfernung. Diese benötigen jedoch zum einen Chemikalienzugaben (z.B. Fe (II)/ Fe (III); Al-Salze), zum anderen auch weitere nachgeschaltete Aufbereitungsschritte wie Filtation zur Partikelabtrennung. In entsprechenden Koagulation-Verfahren wird dann hochtoxischer arsen- bzw. chrombeladener Schlamm produziert [2,4]. Für die Arsenatentfernung existieren auch adsorptive Technologien, diese werden aber von anderen Wasserinhaltsstoffen (Partikeln, Ortho-Phosphat, Silikat) und auch von gelösten organischer Stoffe gestört. Entsprechende Adsorbentien auf Eisenhydroxid- bzw. Aluminiumbasis, die nicht regeneriert werden können, sind darüber hinaus sehr kostenintensiv. Mit dem neuen vorgeschlagenen Verfahren „Smart PAN-UF“ soll nun ein einstufiges Aufbereitungssystem entwickelt werden, das bei niedrigen Betriebsdrücken (max. 0.3 bar Transmembrandruck) arbeitet und das einen vollständigen Partikelrückhalt durch ca. 10-30 nm große PAN Membranporen gewährleistet. Zum Anderen soll das Membranmaterial durch die chemische Nachbehandlung mit entsprechenden Ionenaustausch-Funktionalitäten modifiziert werden, so dass die selektive Entfernung der Oxyanionen Arsenat bzw. Chromat in einem einzigen Aufbereitungsschritt möglich wird. Ein solches einstufiges Verfahren ist hochinnovativ und natürlich auch marktattraktiv. Die vollständige Partikelfiltration durch die Ultrafiltationsmembran (UF) stellt die perfekte Vorbehandlung für den nachgeschalteten Ionentausch für Arsenat bzw. Chromat dar. Das Permeat ist frei von pathogenen Bakterien und damit mikrobiologisch sicher. Um hohe Ausbeuten zu erreichen, erfolgt der Betrieb im Dead-End Modus. Daher muss die PAN Ultrafiltrationsmembran (UF) regelmäßig zurückgespült werden. Auf diese Weise kann die Regeneration der eingebrachten Ionenaustauschergruppen erfolgen. Die Regeneration kann mit Neutralsalzen (z.B. NaCl) oder durch gesättigte CO2-Lösung (Kohlensäure über H+ bzw. HCO3-) erfolgen.Global demand for drinking water has risen continuously by about 1% per year over the past 30 years. According to conservative estimates, this growth will continue into 2050. In parallel, about 30% of the world's population will not have safe access to clean drinking water in 2019, but safe drinking water and sanitation are recognized as basic human rights. The reasons for the poor drinking water supply situation worldwide are diverse: Raw water availability is often insufficient due to inadequate water management; climate change contributes to further aggravation; raw waters are contaminated by geogenic contaminants (e.g., arsenic or chromium) or by inadequate treatment of wastewater (e.g., patogenic microorganisms); effective technologies for safe drinking water treatment are not available or are too energy and cost intensive. This is where the proposed innovation project comes in. Based on an interdisciplinary cooperation between the TUHH Institute "Water Resources and Water Supply" and the Institute of Polymer Research of the Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG), the aim of the project is to develop a drinking water treatment system using a novel functionalized polyacrylonitrile membrane (PAN), which can be used to remove microbiologically safe drinking water and, at the same time, frequently occurring problematic substances in drinking water treatment (arsenic, chromium). Arsenic is a carcinogenic substance and is one of the 10 highest priority public health chemicals identified by the World Health Organization (WHO). High concentrations of arsenic in groundwater pose a high health risk to more than 300 million people in about 100 countries. Arsenic is absorbed through drinking water in the neutral pH range as arsenate (As(V)) or oxyanion [HAsO42-]. The WHO recommends a guideline value of 10 μg/L As, which is exceeded by orders of magnitude in affected areas. Another problem substance in the global drinking water supply is chromium. In addition to contamination from industrial activities, leaching from chromium-containing rocks plays a major role regionally. In aqueous solutions, chromium is present in the neutral pH range in trivalent (Cr(III)) or hexavalent form (Cr(VI)). While Cr(III) compounds in small amounts are essential for certain metabolic processes in humans, Cr(VI) compounds are considered very problematic because they are carcinogenic. Frequently, chromium is also geogenically associated with arsenic; it then also occurs as an oxyanion (CrO42-). For both target substances (As, Cr), treatment technologies for removal exist. However, these require chemical additions (e.g. Fe (II)/Fe (III); Al salts) on the one hand, and further downstream processing steps such as filtration for particle separation on the other. In corresponding coagulation processes, highly toxic arsenic- or chromium-laden sludge is then produced [2,4]. Adsorptive technologies also exist for arsenate removal, but these are interfered with by other water constituents (particulate, ortho-phosphate, silicate) and also by dissolved organic matter. Moreover, corresponding adsorbents based on iron hydroxide or aluminum, which cannot be regenerated, are very cost-intensive. The new proposed process "Smart PAN-UF" is now intended to develop a single-stage treatment system that operates at low operating pressures (max. 0.3 bar transmembrane pressure) and that ensures complete particle retention through PAN membrane pores of approx. 10-30 nm in size. On the other hand, the membrane material should be modified by chemical post-treatment with appropriate ion exchange functionalities, allowing selective removal of the oxyanions arsenate or chromate in a single treatment step. Such a single-step process is highly innovative and, of course, attractive to the market. Complete particle filtration through the ultrafiltration membrane (UF) represents the perfect pretreatment for the downstream ion exchange for arsenate or chromate. The permeate is free of pathogenic bacteria and thus microbiologically safe. To achieve high yields, operation is in dead-end mode. Therefore, the PAN ultrafiltration membrane (UF) must be backwashed regularly. In this way, the regeneration of the introduced ion exchange groups can take place. The regeneration can be done with neutral salts (e.g. NaCl) or by saturated CO2 solution (carbonic acid via H+ or HCO3-).