DE102011006753B3

DE102011006753B3 - Verwendung eines Biokompositmaterials zur Entfernung von Arsenverunreinigungen aus Wasser und Verfahren

Info

Publication number: DE102011006753B3
Application number: DE102011006753A
Authority: DE
Inventors: Dr. rer. nat. Raff Johannes; Dr. rer. nat. Pollmann Katrin; Tobias Günther; Andre Marquard; Beate Katzschner; Dr. Ing. Matys Sabine; Prof. Dr. rer. nat. Pompe Wolfgang
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: WO2012175080A2; WO2012175080A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung ne und Nanopartikel umfasst, sowie ein Verfahren zur Entfernung von Arsenverunreinigungen aus Wasser. Die erfindungsgemäße Verwendung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich zur Verwendung in der Grund-, Trink-, Brauch- und Abwasseraufbereitung. In Versuchen der Erfinder konnten Abtrennleistungen von bis zu 5,3 mg Arsen/g Biokompositmateria erzielt werden. Dies entspricht nahezu der doppelten Menge im Vergleich zum kommerziellen Arsen-Adsorbens Ferrosorp®, einem Eisenhydroxidgranulat. Damit übersteigt die Bindungsfähigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Biokompositmaterial für Arsen (V) deutlich die Summe der Bindungswerte der Einzelkomponenten (S-Layer und Nanopartikel).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Biokompositmaterials sowie ein Verfahren zur Entfernung von Arsenverunreinigungen aus Wasser. Die erfindungsgemäße Verwendung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich zur Verwendung in der Grund-, Trink-, Brauch- und Abwasseraufbereitung.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt seit 1992 einen Grenzwert für Arsen im Trinkwasser von 10 Mikrogramm pro Liter. Der Wert wird in vielen Industrie- und Entwicklungsländern noch immer überschritten. Insbesondere betroffen sind Kanada, USA, Mexiko, Chile, Argentinien, Polen, Ungarn, Rumänien, Indien, Bangladesch, China, Thailand, Taiwan und Japan. Darüber hinaus ist Arsen neben Uran und Radium die wichtigste Verunreinigung in Sicker- und Oberflächenwasser in den Hinterlassenschaften des ehemaligen Uranerzbergbaus in Sachsen und Thüringen. Arsen kontaminiert als Arsenit ([AsO₃]^3–) und Arsenat ([AsO₄]^3–) das Trink-, Oberflächen- und Grundwasser. Arsen kann aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit zu Phosphor diesen substituieren und dementsprechend biochemische Prozesse wie die DNA-Reparatur, den zellulären Energiestoffwechsel, rezeptorvermittelte Transportvorgänge und die Signaltransduktion stören. Die toxischen und kanzerogenen Eigenschaften von Arsen sind gut dokumentiert (1).
Aus dem Stand der Technik sind gegenwärtig verschiedene Verfahren für die Entfernung von Arsen aus Wasser bekannt und zahlreiche weitere Verfahren befinden sich in Entwicklung. Als klassisches Verfahren wird beispielsweise eine Kombination einer Fällung-Flockung-Sedimentations-Filtration eingesetzt. Verwendung finden dabei Aluminium- und Eisensalze, wobei die im Wasser vorhandenen Arsenverbindungen an die gebildeten Hydroxidflocken adsorptiv gebunden werden (siehe z. B. Karcher, S et al. (1998) J. CIWEM (13), 164–169).
Eisensalze, wie z. B. Eisenchlorid sind dabei effektiver als die entsprechenden Aluminiumsalze. In Wässern mit einem natürlichen Eisengehalt ist es auch möglich, dieses durch intensive Belüftung zu oxidieren und als Eisenhydroxid auszufällen. Dies kann dann direkt zur Adsorption der Arsenverbindungen dienen und wiederum über eine Filtration (z. B. Sandfilter) abgetrennt werden. Dabei zeigen die reduzierten Arsen(III)verbindungen stets ein deutlich schlechteres Bindungsverhalten als die Arsen(V)verbindungen.
Alternativ können entsprechende Granulate in Festbett- oder Fließbettreaktoren eingesetzt werden. Bei den Granulaten handelt es sich in der Regel ebenfalls um Aluminium- oder Eisenoxide, bei denen die Bindungsmechanismen mit denen bei der Flockung vergleichbar sind. So ist z. B. bekannt, dass sich Aktivtonerde, eine durch Kalzinieren erhältliche Modifikation des Aluminiumoxids, gut für die Entfernung von Arsenverbindungen eignet (Hildebrandt, U. (1999) Dissertation, Fachgebiet Wasserreinhaltung, TU Berlin). Für die Entfernung von Arsen eignet sich auch granuliertes Eisenhydroxid (z. B. Driehaus, W. et al. (1998) J. Water SRT-Aqua (47), 30–35). Derartige Eisenhydroxid-Materialien besitzen zwar eine höhere Beladungskapazität und längere Standzeiten, können aber im Vergleich zu den aluminiumoxidbasierten Materialien nur mit hohem Aufwand regeneriert werden.
Neben den gängigen Verfahren gibt es noch verschiedene alternative Verfahren mit Anwendungspotenzial wie z. B. die Arsenentfernung über verschiedene Membransysteme (z. B. Kartinen, E. O. und Martin, C. J. (1995) Desalination (103), 79–88), die aber für ungeladene Arsen(III)-Verbindungen ungeeignet sind. Alternativ können auch andere Metalloxide wie Fe₃O₄, La₂O₃, MgO, MnTiO₃, NO, SnO₂, TiO₂, WO₃, Y₂O₃, ZnO, ZnFe₂O₄, ZrO₂ oder damit hergestellte Säulenmaterialien (Westerhoff, P. (2006) „Arsenic Removal with Agglomerated Nanoparticle Media” WERC, http://www.arsenicpartners.org/bench.htm; Hristovski K. et al. (2007) J. Hazard, Mater. 147, 265–274) zur Arsenentfernung verwendet werden. Als besonders wirkungsvoll haben sich dabei ZnO, ZnFe2O₄, ZrO₂, TiO₂, NiO und Fe₃O₄ herausgestellt. Ergänzend dazu zeigen Untersuchungen von (Martinson C. A. und K. J. Reddy (2009) Journal of Colloid and Interface Science 336, 406–411) mit Kupferoxid-Nanopartikeln, dass sich diese insbesondere auch für die Entfernung sehr unterschiedlicher As(V)- und As(III) Spezies eignen.
Anorganische Adsorbermaterialien mit großer aktiver Oberfläche, wie nanoskaliges Titandioxid und magnetische Eisenoxidnanopartikel sind in der Lage, Arsen zu binden. Darüber hinaus kann Arsen auch von einer Anzahl organischer, schwefelhaltiger Verbindungen oder komplexer Biomoleküle gebunden werden, wie Keratin, bakterieller Zellulose oder hyperakkumulierenden Pflanzen. Ebenso nachgewiesen sind Co-Komplexierungen von Eisen und Arsen durch eisenoxydierende Bakterien oder eisenhaltige Alginatkapseln.
In Arbeiten der Erfinder konnte darüber hinaus die Bindung von Arsen an isolierten bakteriellen Hüllproteinen, sogenannten S-Layern (surface layer) nachgewiesen werden. Diese hoch geordneten Protein- oder Glycoprotein-Gitter mit definierter Struktur und Porengröße besitzen die Fähigkeit, eine Reihe verschiedener Schwermetalle zu binden oder das Wachstum von Metallclustern zu begünstigen. Bei diesem Prozess werden Wachstumsrate und Clustergröße durch die räumliche Anordnung der reaktiven Gruppen des Proteintemplates gesteuert.
Ebenso existieren verschiedene Ionenaustauschermaterialien, die aber nur Arsen(V)-verbindungen entfernen können und aufgrund ihrer Kosten aufwendig regeneriert werden müssen. Weitere Verfahren basieren auf der Verwendung von Aktivkohle (z. B. Pattanayak J. et al (2000) Carbon 38, 589–596), wobei deren Effizienz sehr stark von der Art der verwendeten Aktivkohle und von dem Metallgehalt der Lösung abhängig ist. Darüber hinaus ist im Patent DE 198 11 763 A1 ein Verfahren zur Arsenentfernung aus kontaminierten Wässern und Schlämmen beschrieben, bei dem naszierender Wasserstoff zum Einsatz kommt. Dieser wird durch die Reaktion von Salzsäure mit Eisen- oder Aluminiumpulver gebildet. Naszierender Wasserstoff kann das vorhandene Arsen (III und V) zu Arsenwasserstoff reduzieren, welcher wiederum mit Stickstoff ausgetrieben werden kann. Die Arsenverbindung wird nachfolgend dann entweder nach einer thermischen Zerstörung als Spiegel an kalten Oberflächen wieder abgeschieden oder absorptiv oder adsorptiv entfernt.
Neben den genannten Verfahren existieren zahllose weitere in der Literatur beschriebene Verfahren, die aber aufgrund verschiedener Faktoren wie geringe großtechnische Eignung, hoher Preis, Einsatz großer Mengen an Chemikalien, schlechte Verfügbarkeit der Materialien und/oder hoher technischer und betrieblicher Aufwand gegenwärtig als wenig praxisrelevant eingeschätzt werden müssen.
So müssen zur Beurteilung der Eignung entsprechender Verfahren der betriebliche und technische Aufwand, der Betreuungsaufwand sowie der Raumbedarf berücksichtigt werden. Dabei gelten insbesondere für ländliche Gebiete und Entwicklungsländer nachfolgend genannte Faktoren als besonders kritisch und mit gegenwärtig verfügbaren Methoden noch nicht zufriedenstellend gelöst: 1) Bedarf an Chemikalien (z. B. Flockungsmittel), 2) Energiebedarf (z. B. Strom für Pumpen und Dosiereinrichtungen), 3) notwendige Ersatzteile und technischer Aufwand und 4) Notwendigkeit von qualifiziertem Personal zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes und einer schnellen Beseitigung von Störungen. Insbesondere die bewährten Flockungsverfahren stoßen bei Anwendung dieser Kriterien schnell an ihre Grenzen. Zwar können diese grundsätzlich einfach und kostengünstig realisiert werden, erfordern aber für einen reibungslosen Betrieb eine hohe Qualifikation und ein hohes Engagement der Betreiber und Nutzer.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein geeignetes ab- bzw. adsorbierendes Material zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe verschiedenste Arsenspezies einfach, kostengünstig und gleichzeitig hocheffizient abgetrennt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Biokompositmaterials, welches S-Layer-Proteine und Nanopartikel umfasst, zur Entfernung von Arsen aus Wasser.
Ein Biokompositmaterial im Sinne der Erfindung enthält zumindest S-Layer-Proteine und Nanopartikel, d. h. z. B. S-Layerschichten, Suspensionen oder Röhren, die mit Nanopartikeln beschichtet sind. Derartige Biokompositmaterialien können insbesondere als Flockungshilfsmittel eingesetzt werden. Das Biokompositmaterial kann jedoch auch einen zusätzlichen Träger enthalten. Als Träger kommen einerseits feste Trägermaterialien (wie z. B. Filtermaterialien, Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas) auf denen S-Layerschichten aufgebracht sind, zur Anwendung. Alternativ oder zusätzlich enthält das Biokompositmaterial organische oder anorganische Trägermatrices (wie Polysaccharide, Silicagel, Bentonit) in welche die S-Layerproteine und Nanopartikel z. B. durch ein Sol-Gel-Verfahren, eingebettet sind.
Die S-Layer-Proteine stammen dabei vorzugsweise aus Mikroorganismen, insbesondere metallbindenden Mikroorganismen, die aus einer schwermetallhaltigen Umgebung bzw. aus extremen Habitaten isoliert wurden.
Die Nanopartikel sind bevorzugt Metalloxid- und/oder Metallcarbonatnanopartikel. Vorzugsweise ist das Metall in dem Metalloxid und/oder -carbonat, aus dem die erfindungsgemäßen Nanopartikeln zusammengesetzt sind, ausgewählt aus Eisen, Titan, Zink, Zinn, Yttrium deren Mischungen sowie Mischungen der genannten Metalle mit weiteren Metallen. Bevorzugt sind die weiteren Metalle ausgewählt aus La, Zr, Mn, Y, Cr und Al. Besonders bevorzugt sind die für die in dem erfindungsgemäßen Biokompositmaterial enthaltenen Nanopartikel eingesetzten Metalloxide ausgewählt aus Eisenoxid, Titandioxid, Zinkoxid, Zinnoxid, sowie deren Mischoxiden.
Unter Arsen wird im Zusammenhang mit der Erfindung sowohl elementares Arsen als auch Arsenoxide, wie beispielsweise Arsen(III)-oxid (As₂O₃), Arsen-(V)-oxid (As₂O₅), Arsen-(III,V)-oxid (As₂O₄) bzw. die entsprechenden Säuren Arsensäure (Arsen(V)-säure) H₃AsO₄ und Arsenige Säure H₃AsO₃, Arsen(III)hydrid, Arsen(III)sulfid und verschiedene Arsensalze, wie beispielsweise AsCl₃, AsCl₅ verstanden.
Für das erfindungsgemäß verwendete Biokompositmaterial werden arsenbindende Oberflächenproteine von Bakterien, so genannte S-Layer, mit arsenbindenden Nanopartikeln (Eisen- und Titanoxide) kombiniert und dadurch eine mindestens zweifach höhere Entfernungsrate pro Gramm Material als mit aus dem Stand der Technik bekannten Referenzmaterialien wie beispielsweise granuliertes Eisenhydroxid oder Ferrosorp^® erreicht. Ferrposorp^® ist dabei ein kommerziell erhältliches Adsorbergranulat, welches nach einem patentierten Verfahren aus Eisen(III)hydroxid hergestellt wird. Aufgrund seiner einstellbaren Kornspektren ist es für eine Palette unterschiedlicher Anwendungen einsetzbar, wie zum Beispiel zur Entfernung von Arsen, Phosphat, Fluorid oder Sulfid aus wässrigen Systemen, aber auch zur Bindung von Blei, Kupfer, Antimon, Cadmium, Selen, Uran, Molybdän, und Zink.
Das Prinzip der Erfindung liegt in der Kombination von arsenbindenden nanoskaligen organischen und anorganischen Materialien. Das neuartig verwendete Kompositmaterial zeichnet sich, verglichen mit den Bindungswerten der Einzelkomponenten, durch ein überraschend erhöhtes Bindungsvermögen für Arsen (V) aus.
Dieser synergistische Effekt beruht auf einer räumlich hoch symmetrischen, templatgesteuerten Anordnung der Nanopartikel auf einer zweidimensionalen kristallinen Proteinoberfläche, durch die eine definierte Clustergröße der Nanopartikel erreicht und die Nanopartikel gleichzeitig in stabiler Art und Weise immobilisiert werden. Durch die definierte Partikelgröße und die hoch geordnete Fixierung auf einem festen Substrat – dem Protein mit eigenständigen Arsenbindungsstellen – wird die verfügbare Oberfläche zur Arsenbindung maximiert und somit die Entfernung von Arsen über einen werten Konzentrationsbereich möglich.
Überraschend haben die Erfinder gefunden, dass durch das neuartig verwendete Kompositmaterial fünfwertiges Arsen im Konzentrationsbereich zwischen 0,1 und 10 mg/l effektiver gebunden wird als durch das herkömmliche Adsorbermaterial Ferrosorp^® oder die Einzelkomponenten S-Layer-Protein, nanoskaliges Titandioxid oder magnetisches Eisenoxid. Dabei geht das Bindungsvermögen auch über das hinaus, was bei der Kombination dieser Materialien zu erwarten war.
Die Kombination von arsenbindendem biologischem Material und arsenbindendem Nanopartikeln führt zu einer Erhöhung der Bindungskapazität für fünfwertiges Arsen.
In Versuchen der Erfinder konnten Abtrennleistungen von bis zu 5,3 mg/g erzielt werden. Dies entspricht nahezu der doppelten Menge im Vergleich zum kommerziellen Arsen-Adsorbens Ferrosorp^®, einem Eisenhydroxidgranulat.
Bevorzugt hat das erfindungsgemäße Biokompositmaterial eine Arsen-bindungskapazität von 0,6 bis 5,3 mg As/g Biokompositmaterial, besonders bevorzugt über 3 mg As/g Biokompositmaterial, insbesondere in wässrigen Losungen mit einer Arsenkonzentration von 0,1 bis 10 mg Arsen pro Liter.
Nanopartikel im Sinne der Erfindung, sind Partikel mit einer überwiegend homogenen chemischen Zusammensetzung, deren Ausdehnung in allen drei Dimensionen im Bereich von 1 bis 100 nm, bevorzugt bis 50 nm, liegt. Die erfindungsgemäßen Nanopartikel sind vorzugsweise überwiegend kristallin zusammengesetzt. Sie können jedoch auch amorphe Anteile aufweisen oder vollständig amorph sein.
Die Nanopartikel sind vorzugsweise Metalloxid- oder Metallcarbonatnanopartikel, bevorzugt der Metalle ausgewählt aus Calcium, Eisen, Titan, Zink, Zinn, Yttrium, deren Mischungen sowie Mischungen der genannten Metalle mit weiteren Metallen. Die Metalloxide der Metalloxidnanopartikel sind bevorzugt ausgewählt aus Eisenoxid, Titandioxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Yttriumoxid sowie deren Mischoxiden. Die Metallcarbonate der Metallcarbonatnanopartikel sind bevorzugt ausgewählt aus Calciumcarbonat, Zinkcarbonat und Yttriumcarbonat sowie gemischte Carbonate.
Die erfindungsgemäßen Eisenoxid-Nanopartikel sind bevorzugt ausgewählt aus Fe^II(Fe^III)₂O₄ (Magnetit), γ-Fe₂O₃ (Maghemit) Fe₂O₃ (Hämatit) und α-FeO(OH) (Goethit).
Die erfindungsgemäßen Zinnoxid-Nanopartikel sind bevorzugt SnO₂.
Werden Nanopartikel aus Mischoxiden mit den Metallen Eisen, Titan, Zink und/oder Zinn eingesetzt, sind diese Mischoxide vorzugsweise ausgewählt aus MnTiO₃, ZnFe₂O₄, ZnAl₂O₄, ZnCo₂O₄, ZnCr₂O₄, ZnGa₂O₄, ZnMn₂O₄, ZnV₂O₄, CoFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnFe₂O₄, CdFe₂O₄ und FeTiO₃, bevorzugt ZnFe₂O₄.
Vorzugsweise besitzen die in dem erfindungsgemäßen Biokompositmaterial eingesetzten Nanopartikel eine Größe von 1 bis 50 nm, bevorzugt von 2–20 nm, besonders bevorzugt von 5–16 nm.
Eisenoxid-Nanopartikel besitzen vorzugsweise eine Größe von 1 bis 25 nm, besonders bevorzugt von 1–10 nm. Titandioxid-Nanopartikel besitzen vorzugsweise eine Größe von 5–20 nm, besonders bevorzugt von 7–16 nm. Zinkoxidnanopartikel besitzen vorzugsweise eine Größe von 5–20 nm, besonders bevorzugt von 7–17 nm. Zinkoxidnanopartikel und Zinndioxidnanopartikel besitzen vorzugsweise eine Größe von 5–80 nm, besonders bevorzugt von 12–60 nm.
Vorteilhaft ermöglicht die Verwendung von S-Layer-geträgerten Nanopartikeln die Verhinderung einer Agglomeration der Nanopartikel und damit eine verbesserte Zugänglichkeit bei gleichzeitiger großer Oberfläche, und die zuverlässige Immobilisierung der Nanopartikel.
Werden magnetische Nanopartikeln aus Eisenoxiden wie Fe₃O₄ eingesetzt, wird vorteilhaft eine Abtrennung des erfindungsgemäßen Biomaterials nach der Bindung des im Wasser vorhandenen Arsens mittels eines magnetischen Feldes ermöglicht.
Die in dem erfindungsgemäß verwendeten Biokompositmaterial enthaltenen S-Layer-Proteine sind bakterielle oder archaeale Hüllproteine, die durch Selbstorganisation eine regelmäßige, geschlossene, hochporöse Gitterstruktur unterschiedlicher Symmetrieeigenschaften bilden können. Bisher sind einige hundert S-Layer-tragende Stämme bekannt.
Zur Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Biokompositmaterials, das für die Adsorption von Arsen verwendet wird, werden vorzugsweise S-Layer-Proteine verwendet, welche aus lebenden Mikroorganismen hergestellt werden, die aus einer schwermetallhaltigen Umgebung oder anderen extremen Habitaten isoliert und kultiviert wurden. Für die Gewinnung der S-Layer-Proteine wird Biomasse von derartigen Mikroorganismen in ausreichender Menge gewonnen und durch die mechanische Zerstörung der Zellwände sowie eine enzymatische und chemische Reinigung nach bekanntem Protokoll (beispielsweise Engelhardt et al., J. Bacteriol. 168 (1):309 (1986) oder Raff et al. (2003) Chem. Mater. 15 (1): 240–244) isoliert.
Als besonders geeignet haben sich S-Layer-Proteine erwiesen, die sowohl gut Arsen binden, sich unterschiedlich gut isolieren lassen und stabile Schichten ausbilden. Bevorzugte S-Layer-Proteine stammen von den Bakterien Geobacillus stearothermophilus ATCC 12980, Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602, Bacillus sp. JG-662 und Bacillus sp. JG-B5T. Bei den zuerst genannten zwei Bakterien handelt es sich um Referenzstämme, die zuletzt genannten zwei Stämme sind Isolate aus dem Boden einer Uranabfallhalde (Haberlandhalde bei Johanngeorgenstadt, Deutschland). Besonders bevorzugt werden S-Layer-Proteine aus den Stämmen Geobacillus stearothermophilus ATCC 12980, Bacillus sp. JGB-12, Bacillus sp. JG-662 oder Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602 verwendet.
Bevorzugte S-Layerproteinsequenzen sind ausgewählt aus den SEQ ID No. 1 bis 4 sowie homologen Sequenzen mit 70% Sequenzidentität, vorzugsweise 80% Sequenzidentität, besonders bevorzugt 90% Sequenzidentität, insbesondere 95% Sequenzidentität.
Die S-Layer-Proteine zeichnen sich aus durch die Fähigkeit zur Selbstorganisation, zur Ausbildung von regelmäßigen Gitterstrukturen auf festen Trägern, sowie durch die Fähigkeit, an der Luft/Wasser-Grenzfläche an Langmuir-Lipidfilmen in Form von großflächigen, monomolekularen Anordnungen zu kristallisieren.
Diese parakristallinen Gitterstrukturen umfassen regelmäßig angeordnete Poren einheitlicher Größe. Diese spezielle Anordnung führt zu regelmäßigen Abstandsbeziehungen zwischen Molekülgruppen des Monomers und den Metallclustern, die an das Monomer gebunden wurden. Durch die Wahl der S-Layer-Proteine kann die Porengröße und dadurch auch die Größe der entstehenden Metallcluster gezielt beeinflusst und auf das gewünschte Produkt abgestimmt werden. Die Größe der Poren definiert den Abstand der Partikel zueinander. Je kleiner der Abstand der Poren, desto dichter verteilt werden die abgeschiedenen Nanopartikel erwartet. Die Größe der Nanopartikel wiederum bedingt die Größe der verfügbaren Oberfläche. Je kleiner also die Partikel, desto größer die verfügbare Oberfläche, was sich wiederum begünstigend auf die Bindungskapazität auswirken sollte. Die S-Layer-Proteine haben bevorzugt eine Porengröße von 2 bis 8 nm und werden zur Herstellung von Nanopartikeln mit einer Größe von 1 nm bis 50 nm verwendet.
In einem Aspekt der Erfindung werden die S-Layer-Proteine als Matrizen zur Herstellung von regelmäßig angeordneten aktiven Nanopartikeln einer definierten Größe verwendet. Allerdings übersteigt die Bindungsfähigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Biokompositmaterial für Arsen (V) deutlich die Summe der Bindungswerte der Einzelkomponenten (S-Layer und Nanopartikel).
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäß verwendete Biokompositmaterial sehr sensitiv und in der Lage, auch bei sehr niedrigen Arsenkonzentrationen das vorhandene Arsen zu binden und aus dem Wasser zu entfernen.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäß verwendete Biokompositmaterial dem Wasser, aus dem Arsen entfernt werden soll, direkt in Form von getrockneten Flocken als Flockungshilfsmittel zugesetzt, bevorzugt mit dem Wasser intensiv durchmischt und dann vorzugsweise über eine Sedimentation vom Wasser wieder abgetrennt.
Dazu werden beispielsweise die isolierten S-Layer direkt verwendet, um entsprechende Nanopartikel in wässriger Lösung oder Suspension darauf abzuscheiden. Nach Reinigung und Trocknung können diese Flocken einem verunreinigten Wasser zugesetzt werden und entweder über Sedimentation oder ein magnetisches Feld im Falle von ferromagnetischen Nanopartikeln abgetrennt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäß verwendete Biokompositmaterial zusätzlich in ein Nanosol eingebracht, um Materialien zu erhalten, die als Schüttgut geeignet sind. Dadurch ist vorteilhaft die Verwendung des Materials in Säulen und Flachbettreaktoren möglich.
Zunächst werden dazu die Nanopartikel in wässriger Lösung auf den S-Layern synthetisiert und als Nanopartikel-S-Layer-Konstrukt in einem bestimmten Volumenverhältnis einem siliziumhaltigen wässrig saurem oder basischem Nanosol aus Tetramethoxysilan (TMOS) oder Tetraethoxysilan (TEOS) zugesetzt sowie neutralisiert. Danach wird das Hybrid-Sol z. B. durch Tauch-, Vakuum- oder Sprühbeschichtung auf Träger, wie z. B. Keramik, Glas, Metall, technische Textilien und Kunststoffe aufgebracht und getrocknet, oder alternativ zur Herstellung keramischer Bulkpartikel verwendet. Dazu wird das Hybrid-Sol zunächst in Formen gegossen und geht im Weiteren durch den einsetzenden Kondensationsprozess aus einem Sol- in einen Gelzustand über. Das Gel kann dementsprechend zerteilt und nach Trocknung gesiebt sowie klassiert werden. In einer weiteren Ausführungsform werden Träger wie z. B. Keramik, Glas, Metall, technische Textilien und Kunststoffe, mittels einer Layer-by-Layer-Technik (Decher, G. et al. (1997) Science 277, 1232–1237) mit einer mehrschichtigen Polyelektrolytschicht überzogen, um darauf sehr definiert, schnell und reproduzierbar eine geschlossene Monolage eines S-Layers abzuscheiden. Die so hergestellte Proteinbeschichtung wird zur Synthese definierter und regelmäßig angeordneter Nanopartikel verwendet.
Dabei wird vorteilhaft die Eigenschaft von S-Layer-Proteinen ausgenutzt, dass sie an Grenzflächen Monolagen bilden und sich zur Beschichtung von Oberflächen eignen. In mehreren Veröffentlichungen werden Verfahren zur Beschichtung verschiedener Oberflächen mit S-Layern beschrieben. Wahl, R. (Dissertation, 2003, TU Dresden) und Kirchner, A. (Dissertation, 2005, TU Dresden) sowie das Patent DE 102 04 532 beschreiben die Beschichtung von Silizium-Oberflächen und Al₂O₃-Partikeln mit S-Layern sowie die anschließende Abscheidung von z. B. Pd-, Pt-, und Ag-Cluster auf der Proteinschicht. Beschichtungsverfahren von Lipidfilmen sind aus Pum, D. et al. (J. Bacteriol. 1993, 175, pp. 2762–2766) und EP 0 154 620 B1 bekannt. Verfahren zur Beschichtung von Silizium oder Al₂O₃ sind aus Pum, D. et al. (Colloids Surf. B 1999, 157–162), Wahl, R. (Dissertation, 2003, TU Dresden), Kirchner, A. (Dissertation, 2005, TU Dresden) und DE 10 204 532 bekannt.
Zur erfindungsgemäßen Beschichtung von Trägern wird aus in bekannter Weise gewonnenen S-Layern zunächst eine Monomerlösung hergestellt. Dies erfolgt vorzugsweise durch Verwendung von 6 M Guanidinhydrochlorid, 8 M Harnstoff oder durch Titration auf einen pH Wert von 3.
Die so hergestellte Proteinlösung wird entweder direkt verwendet oder zur Entfernung der Reagenzien mehrfach gegen hochreines Wasser dialysiert und abschließend vorzugsweise 30 min bei 40.000 g zentrifugiert, um Verunreinigungen abzutrennen. Im ersten Fall besitzt die Proteinlösung eine Konzentration von bis zu 20 mg/ml oder im zweiten Fall besitzt der gewonnene Überstand vorzugsweise eine Proteinkonzentration von 0,1 bis 5 mg/ml.
Die Oberfläche der technischen Träger wird vorzugsweise vor der Beschichtung gereinigt. Bevorzugt geschieht dies mittels der aus dem Stand der Technik bekannten RCA-Methode Dazu werden die Träger nacheinander mit beiden RCA-Lösungen (1. Lösung: 25% Ammoniumhydroxid, 30% Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser im Verhältnis 1:1:5 bis 1:2:7, 2. Lösung: 37% Salzsäure, 30% Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser im Verhältnis 1:1:5 bis 1:2:8) für jeweils 10 bis 20 min bei 70 bis 80°C inkubiert und danach mit hochreinem Wasser gespült. Alternativ werden empfindliche Träger mit einer anderen für das verwendete Material geeigneten Methode gereinigt.
Die so behandelten Träger werden mittels Layer-by-Layer-Technik mit mehreren, vorzugsweise mindestens drei, Schichten Polyelektrolyt aktiviert. Der Polyelektrolyt ist vorzugsweise Polystyrensulfonat (PSS) kombiniert mit Polyethylenimin (PEI), Polyallylaminhydrochlorid (PAH) oder Polydiallyldimethylammoniumchlorid. Als letzte Schicht wird vorzugsweise ein positiv geladener Polyelektrolyt, bevorzugt PAH, aufgebracht.
Die Aktivierung wird vorzugsweise durch zehnminütiges Tauchen des Trägers in die entsprechende Polyelektrolytlösung mit einer Konzentration von 3 g/l, anschließendes Spülen und Überführen in die nächste Lösung durchgeführt. Diese Schritte werden entsprechend oft wiederholt.
Für die Beschichtung mit S-Layer-Protein wird der derart aktivierte Träger in eine Protein-Monomer-Lösung getaucht und für mindestens 30 min, bevorzugt mindestens 1 h inkubiert. Die Protein-Monomer-Lösung besitzt vorzugsweise eine Konzentration von 0,1 bis 5 mg/ml.
Als Lösungsmittel wird bevorzugt 0,5–15 mM TRIS-Puffer, 10 mM CaCl₂ pH 7,5 bis 9 eingesetzt.
Bestandteil der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Entfernung von Arsen aus Wasser unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biokompositmaterials.
Die Bindung von Arsen an das erfindungsgemäße Biokompositmaterial erfolgt bevorzugt bei einem pH-Wert von 5 bis 9.
Das mit Arsen belastete Wasser wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem erfindungsgemäßen Biokompositmaterial als Flockungshilfsmittel in Kontakt gebracht. Dabei werden dem kontaminierten Wasser im kontinuierlichen Verfahren die getrockneten Flocken zugesetzt und mit dem Wasser intensiv durchmischt. Die arsenbeladenen Flocken können über gängige Flotationsverfahren, Sedimentation oder Filtration abgetrennt werden. Alternativ können durch den Einsatz ferromagnetischer Materialien die Flocken mittels eines magnetischen Feldes abgetrennt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Biokompositmaterial in Form von Schüttgut vorzugsweise in kontinuierlichen Verfahren eingesetzt, wobei es sich üblicherweise in turm- bzw. kolonnenartigen Reaktoren als Fest- oder Fließbett befindet, das von dem zu behandelnden Wasser durchströmt wird. An der äußeren und inneren Oberfläche der Granulate finden die Adsorptionsprozesse statt.
Anhand nachfolgender Figuren und Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert, ohne diese einzuschränken.
Dabei zeigen
1 die Arsenbindung an bakterielle S-Layer genannter Referenzstämme oder Haldenisolate (A) und an freie sowie an S-Layer von L. sphaericus JG-A12 gebundene Nanopartikel (B), jeweils im Vergleich zur Arsenbindung an das Referenzmaterial Ferrosorp^® und
2 eine Modelldarstellung immobilisierter Nanopartikel auf S-Layer-Proteinen.
Ausführungsbeispiele
1. Herstellung einer Monomer-Lösung der S-Layer-Proteine
Zunächst wird 200 g Biomasse des Bakterienstammes Geobacillus stearothetmophilus ATCC 12980, Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602, Bacillus sp. JG-B62 oder Bacillus sp. JG-B5T, gewonnen und davon nach bekanntem Protokoll (Raff et al. (2003) Chem. Mater. 15 (1): 240–244) S-Layer isoliert.
Anschließend wird durch Verwendung von 6 M Guanidinhydrochlorid eine Monomer-Lösung hergestellt, welche zur Entfernung der Reagenzien mehrfach gegen hochreines Wasser dialysiert und abschließend für 30 min bei 40.000 g zum Abtrennen von Verunreinigungen zentrifugiert wird. Aus dem so gewonnenen Überstand wird eine Arbeitslösung mit einer Proteinkonzentration von 0,1–5 mg/ml hergestellt.
2. Beschichtung eines Trägers mittels der Layer-by-layer-Technik
Säure- und besenunempfindliche Träger werden zunächst mittels RCA-Methode gereinigt. Dazu werden die Träger nacheinander mit beiden RCA-Lösungen (1. Lösung: 25% Ammoniumhydroxid, 30% Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser im Verhältnis 1:1:5 bis 1:2:7, 2. Lösung: 37% Salzsäure, 30% Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser im Verhältnis 1:1:5 bis 1:2:8) für jeweils 10–20 min bei 70–80°C inkubiert und danach mit hochreinem Wasser gespült. Metalloberflächen werden zunächst mit Aceton gereinigt. Anschließend erfolgt ein Spülen mit EtOH und eine Reinigung unter Verwendung von Lösung 1 der RCA-Methode, eine Reinigung mit Lösung 2 entfällt. Wertere empfindliche Oberflächen müssen ebenfalls in geeigneter Art und Weise gereinigt werden.
Die so behandelten Träger werden mittels Layer-by-Layer-Technik mit 3 (negative Oberflächenladung) oder 4 Schichten (positive Oberflächenladung) von Polystyrensulfonat (PSS) im Wechsel mit Polyethylenimin (PEI) oder (Polyallylaminhydrochlorid) PAH aktiviert. Dazu wird der Träger abwechselnd für 10 min in die Lösung mit einer 3 g/l Konzentration von Polystyrensulfonat (PSS) kombiniert mit Polyethylenimin (PEI) oder (Polyallylaminhydrochlorid) PAH getaucht, mit Wasser gespült, in die nächste Lösung überfuhrt und dies entsprechend oft wiederholt. Zur Beschichtung mit Protein wird der aktivierte Träger in eine Protein-Monomer-Lösung mit einer Konzentration von 0,1–5 mg/ml in 15 mM TRIS-Puffer, 10 mM CaCl₂ pH 7,5–9 getaucht und 1 h inkubiert.
3. Beschichtung technischer Träger mittels Sol-Gel-Techniken
a) Herstellung des sauren wässrigen Nanosols B
100 ml Tetraethoxysilan, 400 ml Ethanol und 200 ml 0.01 M Salzsäure werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Es entsteht das saure Nanosol A (ca. 4,2% SiO₂ in 70% Ethanol). Zu 600 ml des so hergestellten alkoholischen Nanosols werden unter starker Begasung des Sols 450 ml Wasser schrittweise zugesetzt und die Begasung so lange fortgesetzt, bis ein Endvolumen von 600 ml erreicht ist. Das so hergestellte wässrige Nanosol B ist mehrere Tage bei 5°C stabil und besitzt einen Feststoffgehalt von ca. 4,2 SiO₂% in Wasser, pH 3–4, mit einem mittleren Teilchendurchmesser von ca. 6 nm.
b) Herstellung der Biokomposite
Wässrige Suspensionen der S-Layer gebundenen Nanopartikel werden in unterschiedlichen Konzentrationen mit dem Nanosol B unter mechanischem Rühren gemischt, mit 0,1 N Natronlauge neutralisiert und durch Tauchbeschichtung Beschichtungen auf z. B. Glasträgern hergestellt. Zur Herstellung von Bulkprodukten wird nach Gelierung des Sols das gebildete wässrige Gel 3 Tage bei 4°C gelagert, dann zerkleinert, in geeigneter Weise getrocknet und auf eine Größe von 355–500 μm klassiert.
4. Herstellung von Nanopartikeln auf den S-Layer beschichteten Trägermaterialien
a) Herstellung von TiO₂-Nanopartikeln frei (als Kontrolle) und auf S-Layern
Zur Herstellung der TiO₂ Nanopartikel werden im zweifachen Ansatz 20 ml Stammlösung (0,5 M TiCl₄ in 3 M HCl) mit 580 ml Reinstwasser verdünnt. Mit 3 M NaOH wird anschließend der pH-Wert für beide Ansätze auf 4 eingestellt. Ansatz 1 wird mit 0,3 M NaOH weiter bis pH 5,5 titriert. Zum Ansatz 2 wird alternativ 200 mg S-Layer Protein zugegeben und unter Zugabe von 0,3 M NaOH ein pH-Wert von 5,5 eingestellt. Beide Ansätze werden mit Reinstwasser auf ein jeweiliges Gesamtvolumen von 1 l aufgefüllt und nachfolgend für 3 Tage bei 70°C inkubiert. Die beiden Suspensionen werden bei 12.000 g für 15 min zentrifugiert und jeweils in 40 ml Reinstwasser resuspendiert. Das erhaltene Material wird zweimalig gewaschen, bei 8.000 g für 15 min abzentrifugiert und danach in 20 ml Reinstwasser resuspendiert.
b) Herstellung von Fe₃O₄-Nanopartikeln frei (als Kontrolle) und auf S-Layern
Zur Herstellung der freien oder S-Layer geträgerten Magnetit-Nanopartikel werden entweder 160 ml Reinstwasser vorgelegt oder 200 mg Protein in Suspension auf 160 ml mit Reinstwasser aufgefüllt und nach kompletter Durchmischung jeweils mit 40 ml einer 1 M Eisenstammlösung (FeCl₂:FeCl₃ = 1:2) unter ständigem Rühren versetzt. Unmittelbar nach der Durchmischung wird 30 ml 0,5 M NH₄OH schnell zugegeben. Die erhaltenen Präzipitate werden magnetisch fixiert, mindestens zweimal mit Reinstwasser gewaschen und in 20 ml Reinstwasser resuspendiert.
c) Herstellung von ZnO-Nanopartikeln
Zur Herstellung der freien oder S-Layer geträgerten ZnO-Nanopartikel werden entweder 20 mM ZnCl₂ in 50 ml Reinstwasser vorgelegt oder 20 mM ZnCl₂ mit 10 mg Protein in Suspension auf 50 ml mit Reinstwasser suspendiert. Mittels ammoniakalischer Ausfällung bei pH 8 mit 25% NH₃ wird Zn(OH)₂ ausgefällt, bei 8000 g zentrifugiert, zweimal mit Reinstwasser gewaschen und in je 20 ml Reinstwasser resuspendiert. Zur Dehydratation des Zn(OH)₂ zu ZnO werden beide Suspensionen bei 37°C über 24 h inkubiert. Alternativ werden (Bauermann, L. P. et al. (2006) Journal of Physical Chemistry B, 110, 11, 5182–5185) entweder 20 mM Zn(NO₃)₂·6H₂O oder 20 mM Zn(NO₃)₂·6H₂O mit 10 mg Protein in 50 ml 30 mM TRIS-Puffer (pH 8) suspendiert und anschließend über 4 h bei 37°C inkubiert. Die Supensionen werden bei 8000 g zentrifugiert, zweimal mit Reinstwasser gewaschen und in je 20 ml Reinstwasser resuspendiert.
d) Herstellung von SnO₂-Nanopartikeln frei (als Kontrolle) und auf S-Layern
Zur Herstellung von SnO₂-Nanopartikeln werden 5 mg Protein in 50 ml 10 mM wässeriger SnF₂-Lösung für 24 h bei 50°C inkubiert. Die erhaltenen gelblichen Präzipitate werden zentrifugiert, mindestens zweimal mit Reinstwasser gewaschen, getrocknet und im Ofen bei Temperaturen von 600°C oder 900°C für 24 h inkubiert.
5. Arsenentfernung aus Wasser
Das so hergestellte trägerlose Material kann als Flockungshilfsmittel eingesetzt werden, indem es dem arsenhaltigen Wasser zugesetzt wird und durch Filtration, Sedimentation oder Zentrifugation wieder abgetrennt wird, oder alternativ das geträgerte Material als Säulenmaterial in einem Festbett- oder Fließbettreaktor eingesetzt wird.

Bei Bindungsversuchen wurden mit 10 mg S-Layer, Nanopartikel oder S-Layer-Partikel-Konstrukte mit 0,1; 1 oder 10 mg/l As(V) Lösung oder As(III) Lösung (je 6 ml, pH 6) versetzt und für 48 bis 72 h bei RT geschüttelt. Die verbleibenden Arsengehalte wurden mittels ICP-MS bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in 1B dargestellt.

Sorptionsmaterial	Arsenbindung (in mg/g)
Magnetit getrocknet	2,45
Magnetit in Wasser	0,29
Magnetit in Aceton	0,52
Magnetit mit S-Layer	5,28
TiO₂ getrocknet	1,23
TiO₂ aufgeschlämmt	0,88
TiO₂ mit S-Layer	3,54
Ferrosorp	2,76
S-Layer JG-A12	0,42

Tab. 1: Arsen(V)-Bindungswerte in mg/g Adsorbens mit einer 10 mg/l Arsen enthaltenden Modelllösung.

Claims

Verwendung eines Biokompositmaterials umfassend S-Layer-Proteine und Metalloxid- und/oder Metallcarbonatnanopartikel für die Entfernung von Arsen aus Wasser.
Verwendung gemäß Anspruch 1, wobei die Nanopartikel Metalloxidnanopartikel oder Metallcarbonatnanopartikel der Metalle ausgewählt aus Calcium, Eisen, Titan, Zink, Zinn, Yttrium, deren Mischungen sowie Mischungen der genannten Metalle mit weiteren Metallen sind.
Verwendung gemäß Anspruch 2, wobei die Metalloxide ausgewählt sind aus Eisenoxid, Titandioxid, Zinkoxid, Zinnoxid, sowie deren Mischoxiden.
Verwendung gemäß Anspruch 3, wobei das Eisenoxid ausgewählt ist aus Fe^II(Fe^III)₂O₄, γ-Fe₂O₃, Fe₂O₃ und α-FeO(OH).
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die weiteren Metalle ausgewählt sind aus La, Zr, Mn, Y, Cr und Al.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend Nanopartikel mit einer Größe von 1 bis 50 nm.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die S-Layer-Proteine aus Mikroorganismen, insbesondere metallbindenden Mikroorganismen, die aus einer schwermetallhaltigen Umgebung oder extremen Habitaten isoliert wurden, stammen.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die S-Layer-Proteine ausgewählt aus den S-Layer-Proteinen der Bakteriengattungen Geobacillus stearothemmophilus ATCC 12980, Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602, Bacillus sp. JG-662 und Bacillus sp. JG-B5T.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die S-Layer-Proteine eine Porengröße von 1 bis 10 nm aufweisen.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Kapazität von 0,6 bis 5,3 mg As/g Biokompositmaterial in wässrigen Lösungen mit einer Arsenkonzentration von 0,1 bis 10 mg Arsen pro Liter.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass das Biokompositmaterial als Schicht auf ein Trägermaterial aufgetragen wurde.
Verfahren zur Entfernung von Arsen aus Wasser unter Verwendung eines Biokompositmaterials wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 definiert.