Fe-NANOSIT
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Eisenbasierte Nanopartikel und Nano- kompositstrukturen zur Schadstoff-entfernung aus Grund- und Abwässern |
Ziel des Projekts Fe-NANOSIT ist die Entwicklung neuer energie- und ressourcenschonender Reinigungstechnologien zur Ab- und Grundwasserreinigung. Dazu sollen reaktive Nanomaterialien eingesetzt werden, um das hohe Potenzial der Nanotechnologie für die Wasserreinigung verstärkt zu nutzen. Im Zentrum der Arbeiten stehen maßgeschneiderte, neuartige und reaktive Nanopartikel auf der Basis von Eisen/Kohlenstoff-Kompositen sowie magnetischer Nanokatalysatoren. Die Regenerierung kontaminierter Wasserressourcen mit Hilfe der neuen Materialien soll einfach handhabbar sein, nur niedrige Kosten verursachen und kurze Sanierungszeiten erfordern. Der wirtschaftliche Nutzen der neuen Verfahren zur Grund- und Abwasserreinigung soll vor allem kleinen und mittelständigen Unternehmen zugute kommen. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sind für die neuen Nanomaterialien eine umfassende Risikobewertung und eine ökotoxikologische Bewertung vorgesehen.
Partikelentwicklung und Abschätzung des Umweltgefährdungspotentials
Das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) ist mit mehreren Departments an allen Arbeitspaketen des Projekts beteiligt. Durch das Dept. Technische Umweltchemie werden Fe-basierte Nanopartikel und nanostrukturierte Kompositmaterialien für die Reinigung von Grund- und Abwasser entwickelt.
Entwicklungsbegleitend soll ein mögliches Umweltgefährungspotential im Zusammenhang mit der Anwendung der Partikel, einer möglichen Freisetzung und den dabei auftretenden Konzentrationen abgeschätzt werden. Langzeiteffekte auf Populationen / Transgenerationseffekte werden am Testorgansimus Daphnia magna durch das Dept. Systemökotoxikologie untersucht. Die systembiologische Analyse (Transkriptom und Metabolom) von Wirkungsmechanismen wird durch das Dept. Bioanalytische Ökotoxikologie durchgeführt. Hier sind Untersuchungen an den Testorganismen Zebrafisch (Danio rerio) und Alge (Scenedesmus valuolatus) vorgesehen. Durch die Depts. Bioanalytische Ökotoxikologie und Technische Umweltchemie wird auch das Management des Projekts übernommen.
Partikelcharakterisierung
Innerhalb des Projektes Fe-Nanosit ist das IKTS für die Charakterisierung der synthetisierten Nanopartikel verantwortlich. Zum einen werden die Pulver im Hinblick auf ihre technische Anwendung zur Grundwasser- oder Abwasserreinigung bewertet; zum anderen wird das Verhalten der Nanomaterialien in ökotoxikologisch relevanten Medien untersucht und damit eine Grundlage zur Interpretation von den nachfolgenden ökotoxikologischen Tests geschaffen.
Auswirkungen Fe-basierter Nanopartikel und Nanokompositstrukturen auf aquatische Organismen
Die ECT Oekotoxikologie GmbH untersucht und bewertet die Ökotoxizität von Chemikalien, Bioziden, Pflanzenschutzmitteln und Arzneimitteln. In diesem Zusammenhang werden Ökotoxizitätstests mit Wasser- und Bodenorganismen durchgeführt. In etlichen nationalen und internationalen Forschungsvorhaben hat die ECT außerdem ökotoxikologische Testverfahren entwickelt, optimiert und standardisiert oder an spezifische Anforderungen angepasst sowie an der Weiterentwicklung von Konzepten und Strategien zur Umweltrisikobewertung mitgearbeitet.
Die ECT Oekotoxikologie GmbH untersucht die Auswirkungen ausgewählter Fe-basierter Nanopartikel und Nanokompositstrukturen auf aquatische Organismen. Dabei liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Beurteilung der Ökotoxizität anhand von Standardprüfverfahren der Chemikalienprüfung. Durch Modifikation der Expositionsbedingungen werden diese Prüfverfahren an die im Projekt Fe-NANOSIT vorliegende Problemstellung angepasst: (1) die Prüfung von Carbo-Iron zur Grundwasserreinigung und (2) die Prüfung von dotiertem Magnetit / Ferrit zur Abwasserreinigung. Anschließend werden akute und chronische Toxizitätstests durchgeführt (Wachstumshemmtests mit Bakterien und Algen, akute und chronische Toxizitätstests mit Crustaceen und Fischen).
Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit Zellen und Organismen
Die Arbeitsgruppe „Tissue Engineering und Biomineralisation“ am Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW) und Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien (MBZ) der TU Dresden beschäftigt sich seit 2002 mit der Herstellung und Charakterisierung von Biomaterialien und Scaffolds sowie mit der Material-Zell-Interaktion. Einen eigenen Forschungsschwerpunkt bildet die Untersuchung der Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Zellen und Geweben / Organismen.
Durch Entwicklung geeigneter Präparationsmethoden für elektronenmikroskopische Techniken wird die Aufnahme und Verteilung von Nanopartikeln in Organismen, deren Zellen und Geweben analysiert. Die Analysen tragen zur ökotoxikologischen Bewertung und Identifizierung von Wirkungsmechanismen bei.
Reduktive Behandlung von Grundwasser
Im Rahmen des Vorhabens ist erstmals die in-situ-Anwendung von Carbo-Iron zum Abbau von Schadstoffen im Grundwasser geplant. Hierzu ist vorgesehen, eine stabilisierte Carbo-Iron/Wasser-Suspension in einen mit LCKW-belasteten Aquifer zu injizieren und im Rahmen eines begleitenden Monitorings die Wirkung zu überprüfen und zu bewerten. Im Einzelnen ist zunächst ein geeigneter Standort auszuwählen und eine behördliche Genehmigung zur Partikeleinbringung zu erlangen. Anschließend erfolgen die hydrogeologische, hydraulische und hydrochemische Charakterisierung des Grundwasserleiters, die labortechnische Bestimmung der LCKW-Abbaucharakteristik zur Einstellung der Suspension, die Infiltrationsplanung, die technische Auslegungsplanung der Injektionsanlage und der Brunnen sowie die Injektion der Suspension. Ein begleitendes Wirkungsmonitoring wird konzipiert und im zeitlichen Vorlauf zur Injektion initiiert.
Oxidative Behandlung von Industrieabwasser
Die proaqua GmbH & Co. KG (Mainz) ist als Industriepartner am Projekt beteiligt. Als Spezialist auf dem Gebiet Wasser- und Abwasseraufbereitung entwickelt sie kundenspezifische Konzepte zur Behandlung von Wässern und Abwässern aus allen Industriezweigen. Dabei werden verschiedene Verfahren, bestehend aus technisch-physikalischer Wasseraufbereitung und Einsatz von Spezialchemikalien, miteinander kombiniert.
Im Rahmen des Projektes liefert proaqua mit weitreichender Erfahrung im Bereich technischer Anlagenbau das Know-How zu technischen Umsetzungen der Forschungsergebnisse. Die Anforderungen an eine Demonstrationsanlage werden durch proaqua ermittelt. Ebenso werden Teile des Aufbaus entsprechend durch proaqua gefertigt. Weiter werden Kontakte zu potenziellen Anwendern (Industriebetriebe, Krankenhäuser, Pharmazieunternehmen usw.) hergestellt. Als Spezialist für Dosier- und Abtrenntechnologien liefert proaqua einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung, der für den Einsatz der Nanopartikel in der Anlagentechnik nötig ist.
Überführung in die Praxis
Die IBL als Industriepartner führt die Planung, den Bau und den Betrieb von Anlagen zur Altlastensanierung und zur Abwasser- und Abluftreinigung durch. Sie ist an der Planung und Durchführung von kompletten Altlastensanierungsprojekten beteiligt und wirkt in verschiedenen Forschungsverbundprojekten und projektbegleitenden Ausschüssen mit.
IBL unterstützt die Entwicklung und Bereitstellung von Nanofotokatalysatoren und Apparaturen zur Abscheidung der Nanokatalysatoren. IBL übernimmt auch das Design und den Bau von angepassten Reaktormodulen sowie die Planung, Durchführung und Auswertung von Labor und Pilotversuchen zur Erprobung der Technologie in konkreten Abwasserprojekten (Nanokatalysatoren für Abwasserbehandlung und, bei Eignung, Nanofotokatalysatoren in Kombination mit UV-Bestrahlung für Abwasserbehandlung). Die F+E-Erkenntnisse werden in den Pilot- oder Fullscale-Maßstab übertragen. Daneben unterstützt die IBL das Forschungsprojekt bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.
Laufzeit: 01.05.2010 - 30.04.2013
Projektleitung:
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Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
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Partner:
