Automatische und nachhaltige Entfernung von Ölverschmutzungen in Gewässern durch Textilien
Forschende des ITA, der Uni Bonn und der Heimbach GmbH haben eine
neuartige Methode entwickelt, mit der Ölverschmutzungen energiesparend,
kostengünstig und ohne Einsatz toxischer Substanzen von Wasseroberflächen
entfernt werden können. Ermöglicht wird dies durch ein technisches Textil,
das in einen schwimmenden Behälter integriert wird. So können mit einem
einzigen kleinen Gerät bis zu 4 L Diesel innerhalb einer Stunde zu
entfernen. Dies entspricht etwa 100 m2 Ölfilm auf einer Wasseroberfläche.
Trotz dem stetigen Ausbau erneuerbarer Energien haben die weltweite
Ölproduktion, der Ölverbrauch und das Risiko der Ölverschmutzung in den
letzten zwei Jahrzehnten stetig zugenommen. Im Jahr 2022 belief sich die
weltweite Ölförderung auf 4,4 Milliarden Tonnen! Dabei kommt es bei der
Förderung, dem Transport und der Verwendung von Öl häufig zu Unfällen, die
zu schweren und manchmal irreversiblen Umweltverschmutzungen und Schäden
für den Menschen führen.
Es gibt verschiedene Methoden diese Ölverschmutzungen von
Wasseroberflächen zu entfernen. Jedoch weisen alle Methoden verschiedene
Defizite auf, die ihren Einsatz erschweren und insbesondere die Entfernung
von Öl aus Binnengewässern einschränken.
Für viele technische Anwendungen gibt es unerwartete Lösungen aus dem
Bereich der Biologie. Jahrmillionen der Evolution haben dazu geführt, dass
die Oberflächen lebender Organismen für ihre Interaktion mit der Umwelt
optimiert wurden. Lösungen, die für Materialwissenschaftler oft eher
ungewohnt und schwer zu akzeptieren sind. Die langjährige Untersuchung von
rund 20.000 verschiedenen Arten an der Uni Bonn zeigte, dass es eine
nahezu unendliche Vielfalt an Strukturen und Funktionalitäten gibt. Einige
Arten zeichnen sich besonders durch ihre hervorragende Öladsorption aus.
Beispielsweise adsorbieren die Blätter des Schwimmfarns Salvinia molesta
Öl sehr schnell, separieren es gleichzeitig von Wasseroberflächen und
transportieren es auf ihren Oberflächen (Abbildung 1 Sekundenschnelle
Adsorption eines Tropfens Altöls durch ein Blatt des Schwimmfarns Salvinia
molesta, schauen Sie sich auch das Video des Phänomens an).
Die Beobachtungen inspirierten dazu, den Effekt auf technische Textilien
zur Trennung von Öl und Wasser zu übertragen. Es handelt sich um ein
superhydrophobes Abstandsgewirk, das industriell hergestellt werden kann
und daher leicht skalierbar ist.
Das biologisch inspirierte Textil kann in eine Vorrichtung zur Öl-Wasser-
Trennung integriert werden kann. Dieses gesamte Gerät wird Bionischer
Öladsorber (BOA) genannt
(s. Abbildung 2: Querschnitt durch das CAD-Modell des bionischen
Öladsorbers. Das Schema zeigt einen Ölfilm (rot) auf einer
Wasseroberfläche (hellblau). In dem schwimmenden Behälter (grau) ist das
Textil (orange) so befestigt, dass es mit dem Ölfilm in Kontakt ist und
das Ende in den Behälter hineinragt. Das Öl wird durch das BOA-Textil
adsorbiert und transportiert. Wie im Querschnitt dargestellt, gelangt es
in den Behälter, wo es wieder freigesetzt wird und sich am Boden des
Behälters ansammelt. Bitte sehen Sie sich dazu auch das Video zur
Ölabsorption an Textil an).
Ausgehend von der Verunreinigung in Form eines Ölfilms auf der
Wasseroberfläche funktioniert der Separations- und Sammelprozess nach den
folgenden Schritten:
• Der BOA wird in den Ölfilm eingebracht.
• Das Öl wird vom Textil adsorbiert und gleichzeitig vom Wasser
getrennt.
• Das Öl wird durch das Textil in den Auffangbehälter transportiert.
• Das Öl tropft aus dem Textil in den Auffangbehälter.
• Das Öl wird bis zur Entleerung des Behälters aufgefangen.
Der Vorteil dieser neuartigen Ölabscheidevorrichtung ist, dass keine
zusätzliche Energie für den Betrieb aufgewendet werden muss. Das Öl wird
durch die Oberflächeneigenschaften des Textils vom umgebenden Wasser
getrennt und allein durch Kapillarkräfte, auch gegen die Schwerkraft,
durch das Textil transportiert. Am Ende des Textils im Sammelbehälter
angekommen, desorbiert das Öl ohne weitere äußere Einwirkung allein durch
die Schwerkraft. Mit dem derzeitigen Maßstab können mit einem Gerät des
Bionic Oil Adsorber pro Stunde ca. 4 l Diesel von Wasser getrennt werden.
Es scheint unwahrscheinlich, dass ein funktionalisiertes Abstandsgewirk
günstiger ist als ein herkömmliches Vlies, wie es üblicherweise für
Ölsorptionsmittel verwendet wird. Da es sich jedoch um ein funktionelles
Material handelt, müssen die Kosten im Verhältnis zur Menge des entfernten
Öls stehen. Vergleicht man den Verkaufspreis des BOA-Textils mit den
Verkaufspreisen verschiedener ölbindender Vliesstoffe, so ist das BOA-
Textil mit 10 ct/L ca. 5 bis 13 Mal günstiger.
Insgesamt bietet das BOA-Gerät eine kostengünstige und nachhaltige Methode
zur Öl-Wasser-Trennung im Gegensatz zu den gängigen Reinigungsmethoden
durch die folgenden Vorteile:
• Es ist kein zusätzlicher Energiebedarf, wie bei Ölskimmern,
notwendig.
• Es werden keine giftigen Substanzen in das Gewässer eingebracht,
wie z.B. bei Öl-Dispersionsmitteln.
• Die Textilien und Geräte können mehrfach wiederverwendet werden.
• Es verbleibt kein Abfall im Gewässer.
• Es ist kostengünstig in Bezug auf die Menge des entfernten Öls.
Das Team der Forschenden vom ITA, der Uni Bonn und der Heimbach GmbH
konnte nachweisen, dass die neuartige biomimetische BOA-Technologie für
eine selbstgesteuerte Abtrennung und automatische Sammlung von Ölfilmen
einschließlich ihrer vollständigen Entfernung aus dem Wasser überraschend
effizient und nachhaltig ist. Darüber hinaus kann sie in verschiedenen
verwandten Abscheidungsprozessen eingesetzt werden. Derzeit wird das
Produkt so weiterentwickelt, dass es in 2-3 Jahren in den Markt eingeführt
werden kann.
