SURFTRAP
Entwicklung und Optimierung eines Verfahrens zur
Biosynthese reaktiver Eisenmineraloberflächen für die Wasseraufbereitung
BMBF-Forschungsverbundprojekt im Rahmen des Sonderprogrammes GEOTECHNOLOGIEN
Themenschwerpunkt: ‚Mineraloberflächen- Von atomaren Prozessen zur Geotechnik‘
Forschungskennzeichen (FKZ): 03G0714 Laufzeit: 01.07.2008 – 30.06.2011
Verbundkoordinator: Prof. S. Peiffer, Lehrstuhl für Hydrologie, Universität Bayreuth
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter Nutzung von Schwertmannit, welcher als Reststoff bei der Aufbereitung von Abwässern des Braunkohlebergbaus anfällt, eine kostengünstige Wasserbehandlungstechnologie zur Arsen-Elimination zu entwickeln. In Wässern höherer Alkalinität wandelt sich Schwertmannit rasch in Fe(III)-Hydroxide um, die reaktive Mineraloberflächen zur Schadstoff-Adsorption bereitstellen. Gegenüber dem Fe(III)Cl3-Einsatz werden pro mol Fe(OH)3 nur ca. 8% der Alkalinität und 4% der Salzkonzentration freigesetzt.
Im Forschungsverbund soll dieses innovative Wasserbehandlungskonzept durch die interdisziplinäre Kooperation von drei universitären Forschergruppen,
· der Arbeitsgruppe Umweltmikrobiologie am Institut f. Biowissenschaften der TU Freiberg (TUF),
· dem Lehrstuhl für Hydrologie an der Universität Bayreuth (UBT) sowie
· dem Lehrstuhl für Strukturforschung an anorganischen und biogenen Geomaterialien an der Ludwig Maximilians-Universität München (LMU),
einem mittelständigen Unternehmen (KMU),
· der G.E.O.S. Freiberg Ingenieurgesellschaft mbH (GEOS)
sowie der Unterstützung der Industriepartner
· Vattenfall Europe Mining AG (VAT) und Wismut GmbH (WIS)
von den mikrobiellen und strukturellen Grundlagen über eine Prozessoptimierung im Labormaßstab bis hin zu einer ersten Praxisanwendung im Pilotmaßstab entwickelt werden.
Im Teilprojekt 1 (TUF) soll das Verständnis der Biomineralisation von Schwertmannit verbessert und dessen Bildungsbedingungen optimiert werden. Der biotische Mineralbildungsprozess wird unter verschiedenen Milieubedingungen bzw. mit verschiedenen, z. T. aus der bestehenden Pilotanlage (TP2) kultivierten und isolierten Bakterienspezies untersucht. Die gebildeten Mineralstrukturen werden anschließend mittels TEM, Radioisotopie und SNMS analysiert. Der Einfluss von Eisen-Oxidase-Komplexen in den Zellmembranen von Bakterien soll durch biochemische Analysen und Strukturaufklärung ermittelt werden.
Im Teilprojekt 2 (GEOS mit Unterstützung der Vattenfall Europe Mining AG) soll die Synthese von Schwertmannit in einer bereits bestehenden Pilotanlage biotechnologisch optimiert werden, um im Dauerbetrieb hohe Raum-Zeit-Umsatzraten zu erreichen. Hierzu wird eine veränderte Reaktionsführung (getrennte Eisenoxidation und Schwertmannit- Fällung), die Zugabe puffernder Substanzen (zur Anhebung des pH-Wertes zur Optimierung der Schwertmannit- Fällung) sowie der Einsatz von Trägermaterialien (zur besseren Fixierung der Biomasse) getestet.
Im Teilprojekt 3 (LMU) wird die Struktur und Energetik der Arsen-Adsorption auf den Oberflächen von Schwertmannit und seinen Transformationsprodukten untersucht. Struktur, Morphologie und Gefüge der in TP 1, 2 und 4 hergestellten Minerale werden mittels SEM, TEM und XRD sowie die Struktur der As- Bindung mittels XAS und STS analysiert. Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen werden eingesetzt, um Adsorptionsprozesse zu berechnen und so die Auswertung der strukturellen Analysen zu stützen.
Im Teilprojekt 4 (UBT) werden die Wechselwirkungen von Schwertmannit und seinen Transformationsprodukten mit kontaminierten Wässern betrachtet und der Prozess der Schadstoffelimination optimiert. Auf Untersuchungen zur Transformationskinetik und dem Verhalten von Arsen bei der Transformation folgen Versuche zur Langzeitstabilität der Schadstoffbindung.
Im Teilprojekt 5 (GEOS, UBT mit Unterstützung der Wismut GmbH) wird in einer aktiven Wasserbehandlungsanlage der Wismut GmbH ein Pilotversuch zur Nutzung von Schwertmannit konzipiert und durchgeführt sowie hydrochemisch und technisch-ökonomisch ausgewertet.