Abwasser wird zur Schatzkiste: Metalle zurückgewinnen

Neue Ionenpumpe reinigt Abwasser und rettet wertvolle Metalle Wer schon einmal versucht hat, aus einer versalzenen Suppe einzelne Zutaten herauszufischen, kennt das Problem: Das Salz ist überall – und das Gewünschte schwimmt irgendwo mittendrin. In Industrieabwässern ist die Lage ähnlich, nur deutlich weniger appetitlich.

Bei der Herstellung von Elektronik, der Metallverarbeitung und anderen industriellen Prozessen können Abwässer entstehen, die gleichzeitig stark salzhaltig und mit Metallionen belastet sind. Das macht ihre Reinigung kompliziert. Denn bislang werden Salz und Metalle häufig in getrennten Schritten behandelt.

Ein Forschungsteam der Rice University und der Vanderbilt University hat nun eine Technologie vorgestellt, die beides miteinander verbinden könnte: Das System entsalzt Wasser und entscheidet gleichzeitig, welche Metalle zurückgehalten werden sollen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Nature Water“ veröffentlicht.

Eine Art Zwischenbahnhof für geladene Teilchen Im Zentrum steht das sogenannte elektrochemische Ionenpumpen, kurz EIP. Dabei wandern elektrisch geladene Teilchen – die Ionen – mithilfe spezieller Elektroden aus dem belasteten Wasser in einen zweiten Flüssigkeitsstrom.

Vereinfacht gesagt funktionieren die Elektroden wie winzige Zwischenbahnhöfe. Sie nehmen Ionen vorübergehend auf und geben sie anschließend wieder ab. Durch rasche Veränderungen im elektrischen Schaltkreis lässt sich diese Bewegung immer wieder neu steuern, ohne die Wasserströme ständig austauschen zu müssen.

Der eigentliche Aha-Moment steckt jedoch in der elektrischen Spannung. Je nachdem, in welchem Spannungsbereich die Anlage arbeitet, verhält sich ein Metallion unterschiedlich: Es reist entweder zusammen mit den übrigen Ionen weiter – oder es bleibt an einer Elektrode hängen.

Die Forschenden können den Ionen gewissermaßen sagen: „Natrium bitte geradeaus, Kupfer einmal hier aussteigen.“

Kupfer bleibt – das Salz wandert weiter In ihren Versuchen verwendeten die Forschenden zunächst synthetisch hergestelltes Abwasser mit Natrium- und Kupferionen. In einer Betriebsart entfernte das System beide Stoffe aus dem Ausgangswasser und leitete sie gemeinsam in den zweiten Flüssigkeitsstrom.

Als das Team die elektrische Spannung veränderte, geschah etwas anderes: Das Salz wurde weiterhin aus dem Wasser transportiert, während sich das Kupfer auf der Elektrode abschied. In diesem Versuch entfernte die Anlage 90 Prozent des Salzes und hielt nahezu das gesamte Kupfer an der Elektrode zurück.

Noch anspruchsvoller wurde es bei einer Mischung aus Natrium, Kupfer und Nickel. Dafür nutzte das Team einen Aufbau mit fünf Elektroden. Nach vier Stunden waren 85 Prozent des Salzes sowie jeweils mehr als 92 Prozent des Kupfers und Nickels aus dem Ausgangswasser entfernt.

Entscheidend war, wohin die Stoffe gelangten: Fast das gesamte zurückgewonnene Kupfer blieb auf der Elektrode, während das Nickel überwiegend in den zweiten Flüssigkeitsstrom wanderte. Das abgeschiedene Kupfer erreichte gegenüber Nickel eine Reinheit von rund 96 Prozent.

Warum herkömmliche Verfahren das nicht einfach erledigen Verfahren wie die Umkehrosmose können Salze aus Wasser entfernen. Sie unterscheiden dabei aber nicht automatisch zwischen gewöhnlichen Salzionen und gelösten Metallionen. Dadurch können konzentrierte Rückstände entstehen, in denen Salz und problematische Metalle weiterhin vermischt sind.

Metalle lassen sich wiederum durch chemische Fällung entfernen. Dafür werden jedoch zusätzliche Chemikalien benötigt, und es kann metallhaltiger Schlamm entstehen, der anschließend behandelt oder entsorgt werden muss. Die neue Ionenpumpe soll diese Aufgaben nicht lediglich hintereinander erledigen, sondern in einem steuerbaren System miteinander verbinden.

Damit folgt die Technik einem erfreulichen Perspektivwechsel: Abwasser wird nicht nur als etwas betrachtet, das möglichst schnell verschwinden soll. Es kann zugleich eine Quelle für Wasser und wiederverwendbare Rohstoffe sein.

Noch kein fertiger Wasserretter So vielversprechend die Ergebnisse klingen: Bislang handelt es sich um Laborversuche mit künstlich zusammengesetzten Lösungen. Echtes Industrieabwasser enthält oft zahlreiche weitere Stoffe, schwankende Konzentrationen und Verunreinigungen, die Elektroden oder Membranen beeinträchtigen können.

Die Studie belegt daher noch nicht, dass das System bereits wirtschaftlich in Fabriken eingesetzt werden kann. Fragen zur Lebensdauer der Elektroden, zum Energieverbrauch im Dauerbetrieb, zur Rückgewinnung weiterer Metalle und zur technischen Skalierung müssen noch untersucht werden.

Doch das Grundprinzip funktioniert: Elektrische Spannung kann nicht nur Ionen bewegen, sondern gezielt darüber entscheiden, welchen Weg einzelne Metalle nehmen.

Vielleicht werden Industrieabwässer deshalb künftig ein wenig anders betrachtet. Nicht als unbrauchbare, salzige Brühe, sondern als ziemlich unordentliche Schatzkiste: Das Wasser liegt darin, die Rohstoffe ebenfalls – man braucht nur einen klugen Weg, beides wieder auseinanderzusortieren.