7.11.2022 Ι Forschende der Eawag haben in einem neuartigen Versuchsaufbau sichtbar gemacht, was passiert, wenn Arsen mithilfe von Eisen aus Wasser herausgefiltert wird.

Eisenoxid bindet Schadstoffe

Wenn metallisches Eisen korrodiert, bilden sich Eisenoxide, die Schadstoffe wie Arsen stark binden können. Auf diesem Prinzip basieren einfache und günstige Wasserfilter, mit denen Menschen in den betroffenen Regionen arsenbelastetes Trinkwasser selber aufbereiten können. Dabei werden Eisenpulver, Eisenspäne oder Eisennägel verwendet, oft in Kombination mit Sand.

„Die Reaktionen zwischen Eisen und Arsen werden zumeist in Suspensionen untersucht, in denen das Filtermaterial im Wasser schwimmt. Die Ergebnisse zeigen aber nicht, welche Prozesse im Porenraum ablaufen, also in den Hohlräumen zwischen den einzelnen Feststoffpartikeln eines Filters“ erklärt Andreas Voegelin. Er leitet die Gruppe Molekulare Umweltgeochemie der Abteilung Wasserressourcen und Trinkwasser der Eawag.

Speziell interessierte die Forschenden, wie die Arsenentfernung durch den periodischen Betrieb eines Wasserfilters beeinflusst wird. Das heißt, wenn sich Wasserfluss und Wasserstau abwechseln.

Versuchsaufbau demonstriert Verhältnisse im Arsenfilter

Dieser Frage gingen die Forschungsgruppen von Andreas Voegelin, Joaquin Jimenez-Martinez, Stephan Hug und Michael Berg in einem gemeinsamen Experiment nach. Umweltingenieur Jonas Wielinski entwickelte einen Versuchsaufbau, der die Verhältnisse in einem Arsenfilter möglichst gut reproduziert und sichtbar macht.

„Unser Ziel war es, die geochemischen Vorgänge im Porenraum zwischen Eisenpartikeln und Sandkörnern auf der Skala von Mikrometern zu beobachten und nachzuvollziehen“, sagt Wielinski, der als Postdoktorand an der Carnegie Mellon University in den USA forscht.

Filter im Miniaturformat

Unter einem Lichtmikroskop wurde ein Arsenfilter im Miniaturformat untersucht. zu sehen war ein nur 250 Mikrometer tiefer und 45 Millimeter langer Kanal, der abwechselnd mit Streifen aus Quarzsandkörnern und Streifen aus Eisenkörnern befüllt war. Das Wasser, mit dem das Filtermodell betrieben wurde, versetzten die Forschenden mit Arsen und anderen Elementen. Die Konzentrationen entsprachen den typischen Werten des Grundwassers in Regionen wie  Bangladesch. Die an den Filter angeschlossene Pumpe förderte jeweils zwölf Stunden lang Wasser durch das System, gefolgt von einer zwölfstündigen Pause, in der das Wasser im Filter ruhte.

Das gefilterte Wasser beprobte Wielinski während des mehrwöchigen Versuchs regelmäßig, um die Entfernung von Arsen zu bestimmen. Das Lichtmikroskop nahm automatisch alle 30 Minuten ein Bild des Filtermodells auf. Im Zeitraffer abgespielt, zeigen diese Bilder detailliert, wie das metallische Eisen korrodiert. Außerdem zeigen sie wie sich die dabei neu gebildeten Eisenoxide zyklisch verfärben – von Grünschwarz zu Orangerot und Braun, wenn das Wasser fließt, und umgekehrt, wenn der Wasserfluss ausbleibt. Diese Farbwechsel sind eine Folge der Korrosionsprozesse, in deren Verlauf verschiedene Eisenoxide entstehen und zyklisch umgewandelt werden.

Wechsel zwischen Wasserfluss und Wasserstau begünstigt Filterung

Nach dem Ende des Experiments wurde das Filtermodell mittels Röntgenmikroskopie analysiert, um die Art und Verteilung der Eisenoxide und das daran gebundene Arsen zu bestimmen. Durch Kombination dieser Ergebnisse mit den im Lichtmikroskop beobachteten Farbwechseln konnten die Forschenden die dynamische Bildung und Umwandlung der Eisenoxide im Filter und deren Effekt auf die Arsenentfernung im Detail nachvollziehen.

„Mit diesem neuen experimentellen Setup konnten wir visuell aufzeigen, wie die Verteilung der Eisen- und Quarzsandkörner und der Wasserfluss durch den Filter den räumlichen und zeitlichen Ablauf der Arsenentfernung beeinflussen“, sagt Wielinski.

Dabei hatte insbesondere der Wechsel zwischen Wasserfluss und Wasserstau eine positive Wirkung auf die Filterleistung.

Ausführliche Ergebnisse sind der Originalpublikation zu entnehmen: Wielinski, J.; Jimenez-Martinez, J.; Göttlicher, J.; Steininger, R.; Mangold, S.; Hug, S. J.; Berg, M.; Voegelin, A. (2022) Spatiotemporal mineral phase evolution and arsenic retention in microfluidic models of zerovalent iron-based water treatment, Environmental Science and Technology, 56(19), 13696-13708, doi:10.1021/acs.est.2c02189.