Ausgerechnet Kohleabfall soll Wasser reinigen – und gleich zwei Umweltprobleme lösen

Kohle verschwindet nicht einfach, wenn sie aus der Erde geholt und verbrannt wird. Zurück bleiben gewaltige Halden aus Gestein, Staub, Salzen und Metallen – ein Abfallproblem, das Böden und Gewässer über Jahrzehnte belasten kann. Ausgerechnet dieser Bergbaumüll könnte helfen, besonders hartnäckige Schadstoffe im Abwasser zu zerstören. Forscher untersuchen, wie sich Kohleabfälle zur Abwasserreinigung so verändern lassen, dass ihre Mineralien selbst chemische Reaktionen antreiben.

Ein Team um Lixin Li hat ausgewertet, was bisherige Versuche über diesen ungewöhnlichen Rohstoff verraten. Abfallgestein aus dem Kohlebergbau (Kohlegang) ist das mineralreiche Nebengestein, das beim Abbau und bei der Aufbereitung von Kohle anfällt. Es enthält unter anderem Silizium, Aluminium und Eisen. Wird das Material erhitzt, zermahlen oder chemisch behandelt, entstehen reaktive Oberflächen.

Aus dem Bergbauabfall kann so ein Katalysator werden, der Oxidationsprozesse anstößt und organische Schadstoffe im Wasser angreift. Veröffentlicht wurde der Review in den Shenyang Agricultural University Collaborative Journals.

Kohleabfälle zur Abwasserreinigung werden gezielt reaktiviert

Unbehandelter Kohlegang reagiert nur schwach. Seine Mineralien besitzen stabile Kristallstrukturen und wenige zugängliche Reaktionsstellen. Hitze, Mahlwerke sowie Säuren oder Laugen können das Material jedoch verändern. Dabei entstehen kleinere Partikel, poröse Oberflächen und Defekte in den Kristallen. Auch eisenhaltige Bestandteile und chemisch aktive Hydroxylgruppen werden besser zugänglich.

Besonders wichtig ist die thermische Behandlung von Kaolinit, einem häufigen Bestandteil der Rückstände. Temperaturen von etwa 550 bis 800 Grad Celsius lösen Hydroxylgruppen aus dessen Struktur. Das Mineral verwandelt sich dabei in ungeordnetes und reaktionsfreudigeres Metakaolin. Bei rund 825 Grad kann diese Umwandlung ihren höchsten Aktivierungsgrad erreichen. Starkes Mahlen vergrößert zusätzlich die Oberfläche. Zu lange Behandlung lässt die Partikel allerdings wieder verklumpen.

Ein Oxidationsmittel greift hartnäckige Moleküle an

Das veränderte Material soll Peroxymonosulfat aktivieren. Dieses starke Oxidationsmittel kann mehrere kurzlebige und hochreaktive Teilchen hervorbringen. Dazu gehören Sulfatradikale, Hydroxylradikale und sogenannter Singulett-Sauerstoff. Auch eine direkte Übertragung von Elektronen an der Oberfläche kommt infrage. Welche Reaktion überwiegt, hängt vom Katalysator, vom Schadstoff und von der Zusammensetzung des Wassers ab.

„Der wichtigste Perspektivwechsel besteht darin, Kohlegang nicht länger als inerten Träger zu behandeln“, sagt Lixin Li. Stattdessen müsse untersucht werden, wie dessen eigene Mineralstruktur zur Oxidation beitragen könne. Erst danach sollten passende Metalle oder andere aktive Stoffe ergänzt werden. Die Forscher sprechen deshalb von einem Wechsel vom bloßen Trägermaterial zur reaktiven mineralischen Grenzfläche.

Antibiotika und Phenole dienen als Belastungsprobe

Mehrere ausgewertete Versuche beschäftigten sich mit Tetracyclin und phenolischen Verbindungen. Tetracyclin gehört zu den Antibiotika und besitzt mehrere elektronenreiche Stellen. Das Molekül eignet sich deshalb als anspruchsvolle Probe für den Katalysator. Einzelne Untersuchungen berichten unter optimierten Laborbedingungen von Abbauraten über 90 Prozent innerhalb einer Stunde.

Bei Phenol und verwandten aromatischen Stoffen erreichten bestimmte Systeme ebenfalls hohe Werte. Ein mit Eisenchlorid veränderter Katalysator entfernte in Versuchen mehr als 95 Prozent von Phenol, Naphthalin und Phenanthren. Ein anderes Material baute unter alkalischen Bedingungen mehr als 90 Prozent des Phenols innerhalb von zehn Minuten ab. Die Werte lassen sich jedoch kaum direkt vergleichen. Dosierungen, pH-Werte, Konzentrationen und Reaktionszeiten unterschieden sich deutlich.

Reales Abwasser bleibt die entscheidende Hürde

Hohe Abbauraten in sauberem Laborwasser belegen noch keinen industriellen Nutzen. Abwasser aus Fabriken enthält Salze, organische Stoffe und zahlreiche Ionen. Chlorid, Phosphat oder Hydrogencarbonat können Radikale abfangen, Reaktionsstellen blockieren oder neue Reaktionswege auslösen. Ein Katalysator kann deshalb in einem Modellversuch hervorragend funktionieren und in einer echten Abwasserprobe deutlich an Leistung verlieren.

Auch die Herstellung benötigt Energie und Chemikalien. Hohe Temperaturen, langes Mahlen sowie Säuren oder Laugen erhöhen die Kosten und können die Umweltbilanz verschlechtern. Hinzu kommt die Gefahr, dass aufgebrachte Metalle wie Kobalt, Mangan oder Eisen ins Wasser gelangen. Die Autoren fordern deshalb mindestens fünf Wiederverwendungszyklen, Messungen zur Metallauswaschung und Untersuchungen der entstehenden Abbauprodukte.

Erst Versuche mit realem Industrieabwasser können klären, ob die Technik dauerhaft sicher und wirtschaftlich arbeitet. Dabei müssen neben der Schadstoffentfernung auch Energiebedarf, Materialverbrauch, Regeneration und Giftigkeit erfasst werden. Kohleabfälle könnten dann tatsächlich zwei Belastungen zugleich verringern: wachsende Bergbauhalden und schwer abbaubare Verunreinigungen im Wasser.

Kurz zusammengefasst:

• Aufbereitete Kohleabfälle können Reaktionen auslösen, die hartnäckige Schadstoffe im Abwasser angreifen.
• Dafür wird das mineralreiche Gestein erhitzt, gemahlen oder chemisch verändert.
• Ob das Verfahren im großen Maßstab sicher und wirtschaftlich funktioniert, müssen Tests mit echtem Industrieabwasser klären.

Übrigens: Während Kohleabfälle künftig bei der Reinigung von Abwasser helfen könnten, senkt ein neues Verfahren aus China den CO₂-Ausstoß bei der Kohleverarbeitung auf unter ein Prozent. Eine winzige Menge Brommethan verändert dafür den Katalysator und steigert zugleich die Ausbeute wichtiger Chemierohstoffe – mehr dazu in unserem Artikel.

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