Modifiziertes Aktivkohle-Filtermaterial reduziert Arsen in kontaminiertem Wasser auf unter 10 ppb

Ein modifiziertes Aktivkohle-Filtermaterial hat in Laborversuchen den Arsengehalt in belastetem Wasser unter den empfohlenen Sicherheitsgrenzwert gesenkt.

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

In der Kartusche

In einer üblichen Auftisch-Filterkartusche wurde das Material mit stark kontaminiertem Wasser bei einer konstanten, haushaltsüblichen Durchflussrate getestet.

Mit dieser Versuchsanordnung zeigte Silvia Goyanes vom argentinischen Nationalen Rat für wissenschaftliche und technische Forschung (CONICET) und der Universität Buenos Aires (UBA), dass die Kartusche den Arsengehalt wiederholt von 100 parts per billion auf unter zehn senkte.

Über mehr als 2.113 Gallonen (rund 8.000 Liter) aufbereitetes Wasser blieb die Absenkung innerhalb des empfohlenen Grenzwerts – ganz ohne Zusatzchemikalien oder Energiezufuhr.

Diese Leistung unter kontrollierten Bedingungen liefert nun einen Referenzwert dafür, was der Filter leisten muss, wenn er in realen Brunnen auf konkurrierende Mineralien und schwankende Arsenkonzentrationen trifft.

Warum Arsen im Wasser bleibt

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

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

Nach US-Vorgaben setzt die EPA den Grenzwert für Trinkwasser bei 10 parts per billion fest – eine sehr geringe Menge im Wasser.

Da viele kleine Versorgungssysteme sich fortgeschrittene Aufbereitung nicht leisten können, kann eine Kartusche, die diesen Wert erreicht, praktisch viel bewirken.

Arsen gezielt binden

In vielen Filtern sorgt Aktivkohle – Kohlenstoff mit zahlreichen Poren, die Stoffe festhalten – vor allem für besseren Geschmack und die Reduktion mancher Pestizide.

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

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

Eine solche Anpassung könnte es ermöglichen, dieselbe Kartuschenbasis je nach Region auf lokale Wasserprobleme auszurichten – 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 passieren zu lassen.

Sind diese Stellen vorhanden, kann die Adsorption – also das Anhaften von Schadstoffen an einer festen Oberfläche – Arsen lange genug festhalten, damit es sicher entsorgt werden kann.

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

Mit geeigneten Metallen kann zudem Magnetismus eingebracht werden, was perspektivisch Sensoren ermöglicht, die eine verbrauchte Kartusche anzeigen.

Lebensmittelgeeignete Beschichtung

Ein essbares Polymer, also ein langkettiges Molekül, das auch zur Gelbildung eingesetzt wird, umhüllte die Kohlepartikel und formte daraus stabile Granulate.

Wenn Wasser durch die Kartusche strömt, trägt diese Beschichtung dazu bei, dass feiner Kohlenstoffstaub das gefilterte Wasser nicht eintrübt.

Weil das Polymer lebensmitteltauglich ist, können Entwickler auf Kartuschen für Verbraucherinnen und Verbraucher zielen, ohne ein riskantes Bindemittel im Kontaktbereich befürchten zu müssen.

Dass Metalle und Kohlenstoff zusammen stabilisiert werden, erleichtert später auch eine Wiederverwendung, da sich die Schadstoffe durch eine kontrollierte Waschprozedur ablösen lassen.

Durchflussrate im Alltag

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

Ein höherer Durchfluss verkürzt die Kontaktzeit – dadurch hat Arsen weniger Gelegenheit, an den behandelten Oberflächen des Materials zu haften.

Durch Anpassungen an der Kartuschengeometrie, so das Team, ließe sich die Füllzeit verkürzen, ohne dass die Entfernungsleistung stark nachlässt.

In echten Küchen ist diese Balance aus Tempo und Sicherheit 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 – in beiden Fällen gingen die Konzentrationen deutlich zurück.

Viele Mikroorganismen und Pestizide, darunter Paraquat und Atrazin, wurden jedoch noch nicht geprüft; entsprechende Aussagen stützen sich bislang auf die Chemie.

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

Solange keine Versuche mit Bakterien, Viren und Pilzen veröffentlicht sind, sollten Käufer diese zusätzlichen Versprechen als Zielsetzung verstehen – nicht als nachgewiesene Leistung.

Wiederverwendung und Entsorgung

Jede Kartusche sättigt sich irgendwann mit gebundenem Arsen; für den dauerhaften Einsatz ist daher wichtig zu wissen, wann das Material erschöpft ist.

Nach einer Wassercharge kann eine Desorption – also das Ablösen der eingefangenen Stoffe vom Material – Bindungsstellen für den nächsten Einsatz wiederherstellen.

„Außerdem bietet es den Vorteil, wiederverwendbar zu sein, da sich der Schadstoff mit einem einfachen Verfahren desorbieren lässt und das Material wieder genutzt werden kann“, ergänzte Vergara.

Der sichere Umgang mit der Waschflüssigkeit ist dabei entscheidend, denn bei der Regeneration wird Arsen in einem kleineren Volumen konzentriert und darf nicht ins Freie gelangen.

Kosten und Skalierung

Der Preis ist bei Filtern der entscheidende Maßstab; das Team von CONICET und UBA erklärte, ihr Material liege auf dem Niveau von Premium-Kartuschen, die in Argentinien verkauft werden.

Dass handelsübliche Ausgangsstoffe genutzt werden, senkt die erwarteten Kosten zusätzlich, weil sich das Kartuschenmedium aus im Handel verfügbaren Materialien herstellen ließe.

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

Ob die Kartusche den Schritt aus dem Labor in die Praxis schafft und Gemeinschaften mit unsicheren Brunnen erreicht, hängt von einem Industriepartner ab.

Feldtests als nächster Schritt

Diese abgestimmte Kohlemischung zeigt, wie kleine Materialänderungen eine gängige Kartusche zu einem Arsen-orientierten Wasserreiniger machen können.

Feldtests, eindeutige Hinweise zum Wechselzeitpunkt und sichere Routinen zur Regeneration werden entscheiden, ob das Potenzial auch ausserhalb des kontrollierten Testwassers trägt.

Foto: gentileza investigadores.