Radioaktive Elemente aus dem Wasser filtern

Vor einiger Zeit entwickelten ETH-​Forscher eine Filtermembran aus Molkeproteinen und Aktivkohle. Nun zeigen sie in einer neuen Studie, dass diese Membran auch sehr effizient radioaktive Elemente aus verseuchtem Wasser filtert.

Der GAU von Fukushima ist im kollektiven Gedächtnis haften geblieben. Bei dieser Katastrophe traten grosse Mengen radioaktiv verseuchten Wassers aus, das die AKW-​Betreiber reinigen mussten. Sie nutzten dazu unter anderem die Methode der Umkehrosmose. Allerdings ist diese Methode wenig effektiv. Zwar lässt sich damit bis zu 70 Prozent des radioaktiv verseuchten Wassers reinigen, in den restlichen 30 Prozent reichern sich jedoch die teilweise stark und über Jahrtausende strahlenden radioaktiven Elementen an. Dieses Wasser – insgesamt über eine Million Liter – will die japanische Regierung 2022 im Pazifik entsorgen.

«Das müsste nicht sein, wenn sie unseren Filter verwenden würden», sagt Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien an der ETH Zürich. Schon vor vier Jahren stellte er zusammen mit seinem Oberassistenten Sreenath Bolisetty eine Filtermembran vor, die im Wesentlichen aus denaturierten Molkeproteinen und Aktivkohle besteht.

In einer Publikation zeigten die Forscher damals auf, dass diese Filtermembran Wasser von Schwermetallen, einigen radioaktiven Elementen wie Uran und Edelmetallen wie Gold oder Platin sehr effizient reinigt.

Auch radioaktive Isotope werden gefiltert

Nun haben Mezzenga und Bolisetty die Membran dazu eingesetzt, um Spitalabwässer zu säubern, die mit radioaktiven Elementen verschmutzt sind. Bei ihrer Untersuchung stellten die beiden Forscher fest, dass ihr Filter auch bei diesen Substanzen effizient ist. Die Studie wurde soeben in der Fachzeitschrift «Environmental Science: Water Research & Technology» veröffentlicht.

In Laborversuchen kann die Membran die in der Medizin verwendeten Radionuklide Technetium-​99m, Iod-​123 und Gallium-​68 mit Wirkungsgraden von über 99,8% aus Wasser entfernen, und zwar in nur einem Filtrationsschritt.

Die Forscher testeten ihre Filtermembran zudem mit einer realen Abwasserprobe aus einem Schweizer Spital. Diese Probe enthielt radioaktives Iod-​131 und Lutetium-​177. Beides wurde fast vollständig aus dem Wasser entfernt.

Lagerung von radioaktivem Material braucht Platz

Medizinerinnen und Mediziner nutzen Radionukleide für Krebsbehandlungen oder als Kontrastmittel bei bildgebenden Verfahren. Diese Stoffe sind in der Regel nur schwach radioaktiv und haben eine kurze Halbwertszeit von wenigen Stunden oder Tagen.

Dennoch dürfen Abwässer oder auch Ausscheidungen von Patienten, die mit den Substanzen behandelt wurden, nicht in der Kanalisation entsorgt werden. Bis die Radioaktivität auf unbedenkliche Werte zurückgegangen ist, müssen Spitäler die Abwässer in speziellen Behältern sicher lagern. Das führt unter anderem zu Platzproblemen, aber nicht nur. Auch das Personal und die Umwelt müssen vor Strahlung geschützt werden.

Membran verringert Abfallvolumen massiv

«Unsere Membran erlaubt es, das Abfallvolumen massiv zu verkleinern und die strahlenden Elemente als Feststoffe kompakt und trocken zu lagern», sagt Mezzenga. Sobald die Aufnahmekapazität der Membran erschöpft sei, könne sie ersetzt und platzsparend aufbewahrt werden. Die filtrierten Flüssigkeiten hingegen könnten danach in die Kanalisation abgeleitet werden.

Studienmitautor Sreenath Bolisetty plant nun über seine Firma Bluact Technologies GmbH ein Pilotprojekt mit einem grossen Schweizer Spital, das die Filterung von radioaktivem Abwasser testen möchte. Er ist zuversichtlich, dass er damit bald starten kann. Zurzeit laufen Verhandlungen, wie die Filteranlage sicher implementiert werden kann. Bluact wurde vor vier Jahren gegründet.

Weiter hat Bolisetty Verhandlungen mit einer japanischen Firma aufgenommen, die an der Sanierung in Fukushima beteiligt ist. Sein Ziel ist es, eine Probe des verseuchten Abwassers mit der Filtermembran zu behandeln, um herauszufinden, ob diese zuverlässig die meisten radioaktiven Elemente entfernt und auch grosse Volumina aufbereiten kann.

Filtermembran hat Breitbandwirkung

Davon ist ETH-​Professor Mezzenga aufgrund der Resultate aus ihrer aktuellen Studie überzeugt: «Die Filtermembran eliminiert radioaktive Isotope auf breiter Basis.» Grundsätzlich binden alle radioaktiven Isotope, die im Periodensystem zwischen den getesteten Extremen Technetium und Uran liegen, an die Membran. Dazu zählen auch radioaktives Cäsium, Iod, Silber und Kobalt, die im Abwasser von Fukushima vorhanden sind. Einzig Tritium, das dort in hohen Mengen vorkommt, bindet wahrscheinlich nicht an die Membran, weil es zu klein ist.

«Bestätigt sich unsere Vermutung, könnte mithilfe der Filtermembran das Abwasservolumen in Fukushima massiv reduziert werden, so dass kein radioaktives Wasser im Pazifik verklappt werden müsste», betont Bolisetty. Die mit den stark strahlenden Elementen gesättigten Filter könnten als Feststoffe dort aufbewahrt werden, wo beispielsweise auch abgebrannte Brennstäbe aus Atomkraftwerken lagerten.

Die Herstellung der Filtermembran ist nicht besonders schwierig. Das verwendete Molkeprotein ist ein Abfallprodukt der Milchwirtschaft, günstig und überall verfügbar. Auch die Aktivkohlekomponente ist einfach erhältlich. «Ich bin schon jetzt davon überzeugt, dass Japan die Filtermembran sofort einsetzen und damit ein ernstes Umweltproblem lösen könnte», sagt Bolisetty.

Originalpublikation:

Bolisetty S, Coray NM, Pailka A, Prenosil GA, Mezzenga R. Amyloid Hybrid Membranes for Removal of Clinical and Nuclear Radioactive Wastewater. Environ. Sci.: Water Res. Technol., 2020, Advance Article, DOI: 10.1039/D0EW00693A

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2020/09/radioaktive-abwaesser-filtern.html