Neue Elektroden-Technologie entfernt 92 Prozent Schwermetalle aus Industrieabwasser

Industrieabwasser aus der Elektronikfertigung und Metallverarbeitung enthält meist zwei Probleme gleichzeitig: hohe Salzkonzentrationen und giftige Schwermetalle. Bisherige Verfahren behandeln beide Belastungen getrennt. Umkehrosmose entfernt Salz, hinterlässt aber konzentrierte, unbrauchbare Sole. Chemische Fällung entfernt Metalle, erzeugt dabei jedoch gefährlichen Schlamm. Forscher:innen der Rice University und der Vanderbilt University haben nun eine elektrochemische Plattform entwickelt, die beide Aufgaben in einem einzigen Schritt löst und dabei als Alternative zu etablierten Verfahren wie Umkehrosmose oder chemischer Fällung dient.

Elektroden als Schaltstelle

Das System trägt den Namen Electrochemical Ion Pumping, kurz EIP, und pumpt gelöste Ionen aus dem Abwasser in einen zweiten Auffangstrom. Spezielle Elektroden fungieren dabei als Zwischenstation: Sie nehmen Ionen aus dem Abwasser auf und geben sie anschließend gezielt wieder ab. Frühere Elektrosorptionssysteme mussten den Prozess dafür regelmäßig unterbrechen und Flüssigkeiten manuell austauschen. Das Team um Shihong Lin von der Rice University umgeht diesen Schritt komplett, indem es die Fließrichtung der Ionen allein über schnelle Änderungen im Stromkreis steuert.

Spannung entscheidet über den Weg der Ionen

Die elektrische Spannung an der Elektrode dient als präziser Regler. Bei höherer Spannung arbeitet das System rein als Entsalzungsanlage: Sowohl Salz als auch Kupfer wandern in den Auffangstrom, ohne sich an der Elektrode abzulagern. Senken die Forscher:innen die Spannung knapp unter die Reaktionsschwelle von Kupfer, verwandelt sich die Elektrode in eine Falle, die Kupfer selektiv festhält, während Salz ungehindert weiterfließt. In Tests mit synthetischem Abwasser entfernte das System auf diese Weise neunzig Prozent des Hintergrundsalzes und band nahezu das gesamte Kupfer an der Elektrode.

Auch bei komplexen Gemischen erfolgreich

Bei einem anspruchsvolleren Testlauf mit Kupfer, Nickel und Natrium setzte das Team einen Stapel aus fünf Elektroden ein und stimmte die Spannung so ab, dass Kupfer zurückgehalten wurde, während Nickel und Natrium den Auffangstrom erreichten. Nach vier Stunden hatte die Anlage fünfundachtzig Prozent des Salzes sowie mehr als zweiundneunzig Prozent von Kupfer und Nickel aus der Lösung entfernt. Das an der Elektrode gesammelte Kupfer erreichte dabei einen Reinheitsgrad von sechsundneunzig Prozent gegenüber Nickel.

Rohstoffe statt Sondermüll

Für Industriebetriebe eröffnet das programmierbare Verfahren einen Weg, der bisher teuren und logistisch aufwendigen Umgang mit Sondermüll zu umgehen. Statt giftigen Schlamm kostenintensiv zu entsorgen, könnten Anlagen ihr Spülwasser direkt aufbereiten und dabei hochreines Kupfer gewinnen, das sich weiterverwenden lässt. Lin und sein Team zeigen damit, dass Umweltschutz und Rohstoffgewinnung sich nicht ausschließen. Die Arbeit baut auf drei früheren Veröffentlichungen des Teams zum EIP-Prinzip auf und erweitert das Verfahren erstmals von reiner Entsalzung auf die gezielte Metallrückgewinnung.