Modifiziertes Aktivkohle-Filtermaterial senkt Arsen in Wasser unter 10 ppb

Ein modifiziertes Filtermaterial auf Kohlenstoffbasis hat in Labortests gezeigt, dass es Arsen in belastetem Wasser unter den empfohlenen Sicherheitsgrenzwert senken kann.

Damit rückt eine günstige Option ohne Strom und ohne aufwendige Technik näher – besonders für Haushalte und kleinere Gemeinden, die auf unsichere Brunnen angewiesen sind.

Im Inneren der Kartusche

In einer üblichen Auftisch-Filterkartusche behandelte das Material stark kontaminiertes Wasser bei einer gleichmässigen, haushaltsüblichen Durchflussrate.

Mit diesem Aufbau zeigte Silvia Goyanes vom argentinischen Nationalen Rat für wissenschaftliche und technische Forschung (CONICET) und der Universität Buenos Aires (UBA), dass die Kartusche die Arsenkonzentration wiederholt von 100 Teilen pro Milliarde (ppb) auf unter 10 senkte.

Über insgesamt mehr als 2.113 Gallonen (rund 8.000 Liter) gefiltertes Wasser blieb die Reduktion im empfohlenen Bereich – ohne Zusatzchemikalien und ohne Energiezufuhr.

Diese Leistung unter kontrollierten Bedingungen setzt nun den Referenzpunkt dafür, was der Filter leisten muss, wenn er auf reale Brunnen mit konkurrierenden Mineralien und schwankenden Arsenwerten trifft.

Warum Arsen bleibt

Eine langfristige Belastung mit Arsen kann das Krebsrisiko erhöhen und Herz, Lunge sowie Haut schädigen.

Das Element wird aus bestimmten Gesteinen freigesetzt, kann sich im Grundwasser lösen und sich dann unbemerkt durch Leitungen und Lagertanks bewegen.

Nach US-Vorgaben setzt die Umweltbehörde EPA den Grenzwert für Trinkwasser auf 10 Teile pro Milliarde (ppb) fest – eine sehr kleine Menge.

Da viele kleine Versorgungssysteme sich fortschrittliche Aufbereitung nicht leisten können, kann eine Kartusche, die diesen Wert erreicht, spürbar helfen.

Arsen gezielt binden

In vielen Filtern funktioniert Aktivkohle – Kohlenstoff mit sehr vielen Poren, die Chemikalien festhalten – vor allem bei Geschmack und einigen Pestiziden.

Um Arsen gezielt zu entfernen, beschichtete das Team die Kohle mit Metallsalzen und verband die Bestandteile mit einem essbaren Bindemittel.

„Die Modifikationen, die wir an handelsüblicher Aktivkohle vornehmen, lassen sich mit Verfahren ohne Erhitzen und mit kostengünstiger Ausrüstung durchführen, die in der Industrie sehr verbreitet ist“, sagte Alicia Vergara, Forscherin bei CONICET.

Eine solche Anpassung könnte es ermöglichen, mit derselben Kartuschenbasis lokale Wasserprobleme anzugehen – vorausgesetzt, Hersteller halten die Qualität konstant.

Metallsalze machen den Unterschied

Metallsalze verändern die Oberfläche der Kohle und schaffen Bindungsstellen, die gelöstes Arsen anziehen, statt es hindurchgleiten zu lassen.

Sind diese Stellen vorhanden, kann die Adsorption – der Prozess, bei dem Schadstoffe an einer festen Oberfläche haften – Arsen lange genug festhalten, damit es sicher entsorgt werden kann.

In einer frühen Studie stellten Wissenschaftler eisenbeladene Aktivkohle her und zeigten, dass sie Arsen aus Trinkwasser entfernt.

Mit passenden Metallen lässt sich zudem Magnetismus einbringen, was den Weg zu Sensoren öffnen könnte, die eine erschöpfte Kartusche erkennen.

Lebensmittelechte Beschichtung

Ein essbares Polymer – ein langkettiges Molekül, das auch zur Gelbildung genutzt wird – umhüllte die Kohlepartikel und formte sie zu stabilen Granulaten.

Wenn Wasser durch die Kartusche strömt, trägt diese Beschichtung dazu bei, feinen Kohlenstaub zurückzuhalten, damit das gefilterte Wasser nicht trüb wird.

Weil das Polymer lebensmittelecht ist, können Entwickler auf Verbraucher-Kartuschen zielen, ohne sich um ein riskantes Bindemittel im Kontaktbereich sorgen zu müssen.

Dass Metalle und Kohlenstoff fest zusammenbleiben, eröffnet ausserdem eine spätere Wiederverwendung, weil sich die Schadstoffe durch eine kontrollierte Spülung wieder ablösen lassen.

Durchflussrate im Alltag

Bei etwa 0,13 Gallonen pro Minute (rund 0,49 Liter pro Minute) konnte der Versuchsaufbau eine 1-Liter-Flasche in ungefähr zwei Minuten füllen.

Ein höherer Durchfluss verkürzt die Kontaktzeit, sodass Arsen weniger Gelegenheiten hat, an den behandelten Oberflächen zu haften.

Durch Anpassungen an der Kartuschengeometrie, so das Team, liesse sich die Füllzeit verkürzen, ohne dass die Entfernung deutlich nachlässt.

Das richtige Verhältnis aus Tempo und Sicherheit ist in echten Küchen entscheidend, weil viele Menschen Filter meiden, die sich zu langsam anfühlen.

Weitere getestete Chemikalien

Neben Arsen leitete das Team auch gefärbtes Wasser sowie mit Antibiotika versetzte Proben durch das Material – beide Konzentrationen sanken deutlich.

Viele Mikroorganismen und Pestizide, darunter Paraquat und Atrazin, wurden bislang nicht geprüft; entsprechende Aussagen stützen sich daher bisher vor allem auf die Chemie.

„Die Ergebnisse waren sehr gut, ebenso wie jene bei Antibiotika-Verunreinigungen, etwa Tetracyclin, bei denen das Material ein hohes Entfernungspotenzial zeigte“, erklärte Matías Barella, Forscher an der UBA.

Solange keine Tests zu Bakterien, Viren und Pilzen veröffentlicht sind, sollten Käufer diese zusätzlichen Versprechen als Zielsetzung und nicht als belegte Leistung verstehen.

Wiederverwendung und Reinigung

Jede Kartusche sättigt sich irgendwann mit gebundenem Arsen; für den langfristigen Einsatz ist daher entscheidend, zuverlässig zu erkennen, wann das Material erschöpft ist.

Nach einer behandelten Wassermenge kann eine Desorption – das Ablösen der eingefangenen Stoffe vom Material – Bindungsstellen für den nächsten Durchlauf wieder freimachen.

„Ausserdem bietet es den Vorteil, dass es wiederverwendbar ist, da sich der Schadstoff mit einem einfachen Verfahren desorbieren und das Material wieder einsetzen lässt“, ergänzte Vergara.

Wichtig ist dabei die sichere Handhabung der Spüllösung, denn bei der Regeneration wird Arsen in einem kleineren Volumen konzentriert und darf nicht ins Freie gelangen.

Kosten und Skalierung

Der Preis ist für Filter entscheidend, und das CONICET- und UBA-Team sagte, ihr Material liege auf dem Niveau hochwertiger Kartuschen, die in Argentinien verkauft werden.

Weil Zutaten von der Stange genutzt werden, bleiben die erwarteten Kosten ebenfalls niedrig – das Kartuschenmedium könnte aus im Handel verfügbaren Materialien hergestellt werden.

„Das ist ein Füllmaterial, das in verschiedenen kommerziellen Filterkartuschen als Ersatz für herkömmliche Aktivkohle eingesetzt werden könnte“, sagte Goyanes.

Ob die Kartusche das Labor verlässt und Gemeinden mit unsicheren Brunnen erreicht, hängt letztlich davon ab, einen Industriepartner zu finden.

Feldversuche als nächster Schritt

Diese abgestimmte Aktivkohle-Mischung zeigt, wie kleine Änderungen am Material eine gängige Kartusche in einen Arsen-gerichteten Wasserreiniger verwandeln können.

Feldversuche, eindeutige Signale für den Austausch sowie sichere Routinen zur Regeneration werden entscheiden, ob das Potenzial auch ausserhalb der kontrollierten Testwässer Bestand hat.

Foto: mit freundlicher Genehmigung der Forschenden.