(openPR) Sie galten einst als Wundermittel – Insektizide wie Lindan oder DDT, die im 20. Jahrhundert millionenfach produziert und eingesetzt wurden. Doch was als Fortschritt gefeiert wurde, führte zu einer globalen Umweltkatastrophe: Persistente organische Schadstoffe (POPs) sind chemisch so stabil, dass sie jahrzehntelang in Böden, Gewässern und Lebewesen verbleiben. Sie reichern sich im Fettgewebe von Tieren an und gelangen so in die menschliche Nahrungskette. Viele dieser Substanzen wurden längst verboten, doch ihre Spuren finden sich noch heute – sogar im menschlichen Blut.
Die Sanierung solcher Altlasten in Böden, Gewässern und Deponien ist eine der grossen offenen Fragen des Umweltschutzes. Wie lassen sich hochstabile Gifte unschädlich machen, ohne neue Probleme zu schaffen? Forschende der ETH Zürich unter der Leitung von Bill Morandi, Professor für synthetische organische Chemie, haben nun einen vielversprechenden Ansatz gefunden. Mit einer neuartigen elektrochemischen Methode gelingt es ihnen, die langlebigen Schadstoffe nicht nur abzubauen, sondern sie in wertvolle Grundstoffe für die chemische Industrie umzuwandeln.
Schadstoffe werden zu Rohstoffen
Ein wesentlicher Unterschied zu früheren Arbeiten besteht darin, dass das Kohlenstoffgerüst der Schadstoffe recycelt und wieder verwertbar gemacht wird. Die Halogenidkomponenten werden als harmloses anorganisches Salz gebunden. «Auch von einem energetischen Punkt aus betrachtet waren die bisherigen Methoden ineffizient», sagt Patrick Domke, Doktorand in Morandis Gruppe, und erklärt: «Die Verfahren waren kostspielig und führten trotzdem noch zu umweltschädlichen Resultaten.»
Gemeinsam mit dem Elektrochemie-Spezialisten Alberto Garrido-Castro, früherer Postdoc in dieser Gruppe, entwickelte Domke ein Verfahren, das die betreffenden Schadstoffe vollständig unschädlich macht. Dabei konnten die beiden Forschenden auf die langjährige Erfahrung von ETH-Professor Morandi zurückgreifen, der sich seit Jahren mit der Umwandlung solcher Verbindungen beschäftigt. «Der entscheidende Durchbruch gelang mit dem Einsatz von Wechselstrom bei der Elektrolyse. Sie spaltet die Halogenatome in harmlose Salze wie NaCl (Kochsalz) und erzeugt gleichzeitig wertvolle Kohlenwasserstoffe», erklärt Morandi.
Gifte zerlegen mit Strom
Die Elektrolyse ermöglicht eine nahezu vollständige Enthalogenierung der Schadstoffe unter milden, umweltfreundlichen und kosteneffizienten Bedingungen. Sie spaltet die stabilen Kohlenstoff-Halogen-Bindungen. Zurück bleiben lediglich harmlose Salze wie Kochsalz sowie nützliche Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Diphenylethan oder Cyclododecatrien. Diese sind wiederum gefragte Zwischenprodukte in der chemischen Industrie, etwa für Kunststoffe, Lacke, Beschichtungen oder pharmazeutische Anwendungen. Damit leistet die Technologie nicht nur einen Beitrag zur Sanierung von Altlasten, sondern auch zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.
«Was unser Verfahren technisch so besonders macht: Wir haben es geschafft, Wechselstrom zu nutzen, also ganz normalen Haushaltsstrom. Eine billigere Ressource gibt es in der Chemie eigentlich nicht», erklärt Garrido-Castro. «Zudem schützt Wechselstrom die Elektroden vor Verschleiss, weswegen wir sie für viele nachfolgende Elektrolysezyklen wiederverwenden können. Ausserdem unterdruckt der Wechselstrom unerwünschte Nebenreaktionen oder die Entstehung von giftigem Chlorgas, sodass die Schadstoffe vollständig in anorganische Salze umgewandelt werden können». Der von den Forschenden verwendete Reaktor besteht aus einer ungeteilten Elektrolysezelle, wobei Dimethylsulfoxid (DMSO) als Lösungsmittel eingesetzt wird, das selbst wiederum ein Nebenprodukt des Zellstoffprozesses bei der Papierherstellung ist.
Kreislaufwirtschaft zu Ende gedacht
Angewendet werden kann das Verfahren nicht nur auf Reinstoffe, sondern auch auf Gemische aus kontaminierten Böden. Erde oder Schlamm kann also ohne Vorreinung oder weitere Trennverfahren behandelt werden. Ein Prototyp des Reaktors wurde bereits erfolgreich an klassischen Umweltgiften wie Lindan und DDT getestet. «Unsere Anlage ist mobil und lässt sich vor Ort zusammenbauen. Somit entfällt der Transport der gefährlichen Stoffe», erklärt Domke.
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Bill Morandi
