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Wissenschaftler der Stanford University entwickeln ein experimentelles Verfahren zum Abspülen von
Schwermetallen aus giftigen Böden

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Gift im Boden lässt sich einfach auswaschen

Giftige Schwermetalle, die Tausende von Standorten im ganzen Land kontaminieren, drohen, in die Nahrungskette einzudringen, und es gab keine einfache Möglichkeit, sie zu beseitigen. Ein experimentelles chemisches Bad und ein elektrochemischer Filter könnten nun Schwermetalle aus dem Boden extrahieren und Felder sicher hinterlassen.
Wenn giftige Schwermetalle wie Blei und Cadmium aus Fabriken oder Minen entweichen, können sie den nahe gelegenen Boden verschmutzen. Da diese Schadstoffe nicht auf einfache Weise beseitigt werden können, müssen Felder abgesperrt werden, damit diese Giftstoffe nicht in die Nahrungskette gelangen und dort die Gesundheit von Mensch und Tier gefährden.

Nach Angaben der Environmental Protection Agency wurden Schwermetalle an Tausenden von Standorten im ganzen Land gefunden. Während einige durch eine Kombination aus Bundes-, Staats- und Privatanstrengungen beseitigt wurden, bleibt die Notwendigkeit für neue Technologien zur Bekämpfung der Schwermetallkontamination bestehen.

Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung des Stanford-Materialwissenschaftlers Yi Cui einen Weg gefunden, um Schwermetalle von kontaminierten Böden mit einem chemischen Verfahren zu waschen, das dem Brauen von Kaffee ähnelt.

Wie sie in Nature Communications am 4. Juni beschrieben, begannen die Forscher damit, kontaminierten Boden mit einer Mischung aus Wasser und einer Chemikalie zu spülen, die Schwermetalle anzieht. Wenn diese Mischung durch den Boden sickert, löst die Chemikalie Schwermetalle. Die Teammitglieder sammelten dann dieses giftige Gebräu und ließen es durch einen elektrochemischen Filter laufen, der die Schwermetalle aus dem Wasser auffing. Auf diese Weise säuberten sie den Boden von Schwermetallen und recycelten das Wasser- und Chemikaliengemisch, um durch stärker kontaminierten Boden zu sickern.

"Dies ist ein neuer Ansatz für die Bodenreinigung", sagte Cui, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften sowie für Photonenkunde. "Unser nächster Schritt ist ein Pilotversuch, um sicherzustellen, dass die Arbeit im Labor praktisch ist, und um herauszufinden, wie viel dieser Prozess kosten wird."

Bisher hat sein Team Böden gereinigt, die mit Blei und Cadmium, zwei weit verbreiteten und gefährlichen Giftstoffen, sowie mit Kupfer, das nur in hohen Konzentrationen gefährlich ist, kontaminiert sind. Cui glaubt, dass dieser Prozess der chemischen Reinigung und der elektrochemischen Filterung mit anderen gefährlichen Schwermetallen wie Quecksilber und Chrom funktioniert. Weitere Laborexperimente sind jedoch erforderlich, um dies zu belegen.

Keine Opferpflanzen mehr

Cui sagte, das Projekt habe vor zwei Jahren begonnen, als er und sein Doktorand Jinwei Xu über die Lösung des Grundproblems nachdachten: Schwermetalle binden sich an den Boden und werden praktisch untrennbar miteinander verbunden. Heute, so Cui, könnten beim Aufräumen kontaminierte Böden ausgegraben und irgendwo abtransportiert werden. Agrarforscher haben auch Phytoremediationstechniken entwickelt: Sie züchten Opferpflanzen in kontaminiertem Boden, um Schwermetalle zu absorbieren, ernten diese Pflanzen und bringen sie zu einer Extraktions- und Entsorgungsanlage. Die Phytoremediation kann jedoch viele Jahre dauern.

Auf der Suche nach einer schnellen und kostengünstigen Möglichkeit, Schwermetalle aus kontaminierten Feldern zu extrahieren, versuchten die Forscher, giftige Bodenproben mit klarem Wasser zu waschen. Sie stellten bald fest, dass klares Wasser die chemische Bindung zwischen den Schwermetallen und dem Boden nicht unterbrechen konnte. Sie brauchten etwas Additiv, um die Verunreinigungen loszuwerden. Sie fanden die Antwort in einer allgemeinen Chemikalie, die unter den Initialen EDTA bekannt war.

Rückblickend war EDTA die naheliegende Wahl, da dieselbe Chemikalie zur Behandlung von Patienten verwendet wird, die mit Blei oder Quecksilber vergiftet sind. Negativ geladenes EDTA bindet so stark an positiv geladene Schwermetallpartikel, dass es Blei oder Quecksilber aus dem Gewebe des Patienten zieht. Die Forscher schlussfolgerten, dass die negativen Haken von EDTA, wenn sie in Wasser aufgelöst werden, Schwermetalle von den Böden lösen würden. Experimente haben dies bestätigt. Wenn EDTA-behandeltes Wasser durch kontaminierten Boden sickerte, trug es die Schwermetalle weg.

Aber die Arbeit des Teams war nur zur Hälfte erledigt. Der Boden war sauber, aber das behandelte Wasser war immer noch giftig. Sie brauchten einen Weg, um das EDTA von den Schwermetallen im Spülwasser zu trennen und diese Toxine ein für alle Mal einzufangen.

Schwermetalle isolieren

Die Wissenschaftler wussten, dass EDTA auch nach dem Einfangen eines positiv geladenen Metallpartikels stark negativ blieb. So bauten die Forscher ein Sieb mit den elektrischen und chemischen Eigenschaften, um das negativ geladene EDTA und positiv geladene Schwermetalle auseinander zu ziehen. Das Ergebnis waren isolierte Schwermetalle und eine Mischung aus Wasser und EDTA, die bereit waren, mehr Boden zu reinigen.

Neben Blei und Cadmium testeten die Forscher das Verfahren an Kupfer, das nur in hohen Konzentrationen gefährlich ist. Als nächstes möchte Cui das Experiment mit anderen Schwermetallen wie Quecksilber durchführen, die so giftig sind, dass zum Schutz der Forscher eine besondere Behandlung erforderlich ist. Aber er findet die Chemie so gut, dass er zuversichtlich ist, im Labor erfolgreich zu sein. Die größere Frage ist, ob der Prozess auf die Behandlung von Tonnen kontaminierten Bodens ausgedehnt werden kann. Die Forscher haben versucht, das Verfahren durch das Stanford Office of Technology Licensing zu patentieren und möchten eine Gelegenheit finden, ein Pilotprojekt auf einem kontaminierten Gebiet durchzuführen.

"Wir haben wirklich keine gute Sanierungstechnologie für Schwermetalle", sagte Cui. "Wenn sich dies in großem Maßstab als praktisch erweist, wird es ein bedeutender Fortschritt sein."

Yi Cui ist außerdem Senior Fellow des Precourt Institute for Energy und Mitglied von Stanford Bio-X und des Wu Tsai Neurosciences Institute. Weitere Stanford-Autoren sind Tong Wu, Jing Tang und Kai Liu, Postdoktoranden in Materialwissenschaften und -technik. Die ehemaligen Stanford-Forscher Chong Liu, Po-Chun Hsu und Jie Zhao haben ebenfalls zu dieser Forschung beigetragen.

Bild: Ein experimentelles Verfahren zur Entfernung von Schwermetallverunreinigungen aus dem Boden kann dazu beitragen, dass diese giftigen Substanzen nicht in die Nahrungskette gelangen. (Bildnachweis: Reuters / Mica Rosenberg)

erschienen am: 2019-06-11 im europaticker



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