AUF ZUM POLYMER – Wie Adrian Monteleone mit industriellen Abfallströmen Luft und Wasser reinigt
Wenn Dr. Adrian Monteleone beginnt, über seine aktuellen Fortschritte bei der Entwicklung seiner Polymer-Adsorbentien zu sprechen, sprudeln die Sätze nur so aus ihm heraus. Noch mehr beginnt er dann zu schwärmen, wenn man ihn fragt, was er sich für die Zukunft vorstelle. Der Biotechnologe weiß um die Potenziale zahlreicher Kunststoffe für industrielle Anwendungen, aber eben auch um ihr Potential Schad- und Spurenstoffe zu binden, denn die Toxikologie von Mikroplastik ist sein Fachgebiet.
Mikroplastik reichert Giftstoffe an; dafür ist Mikroplastik bekannt und in der Gesellschaft gefürchtet. Aber was, wenn dieser vermeintliche Nachteil zu einem Vorteil gewandelt würde? Was, wenn Mikroplastik kontrolliert und zielgerichtet eingesetzt würde?
Genau diese Idee war der Zündfunke für Monteleones Start-Up PolymerActive. Gemeinsam mit seinem Team will er Polymere aktiv zur Filtration von Schad- und Spurenstoffen und darüber hinaus nutzen. Damit ermöglicht er nicht nur, dass die Sonderabfälle ein Upcycling erfahren, er kann damit auch in vielen Bereichen den Einsatz von Aktivkohlefiltern reduzieren, mit dem langfristigen Ziel, Aktivkohle gänzlich zu vermeiden.
Mikroplastik reichert Giftstoffe an; dafür ist Mikroplastik bekannt und in der Gesellschaft gefürchtet. Aber was, wenn dieser vermeintliche Nachteil zu einem Vorteil gewandelt würde? Was, wenn Mikroplastik kontrolliert und zielgerichtet eingesetzt würde?
Genau diese Idee war der Zündfunke für Monteleones Start-Up PolymerActive. Gemeinsam mit seinem Team will er Polymere aktiv zur Filtration von Schad- und Spurenstoffen und darüber hinaus nutzen. Damit ermöglicht er nicht nur, dass die Sonderabfälle ein Upcycling erfahren, er kann damit auch in vielen Bereichen den Einsatz von Aktivkohlefiltern reduzieren, mit dem langfristigen Ziel, Aktivkohle gänzlich zu vermeiden.
Der Einsatz von Aktivkohle ist vergleichsweise klimaschädlich, aber aktuell unverzichtbar. Es mangelt an Alternativen – noch. Meist wird die Aktivkohle durch Verkohlung kohlenstoffreichen Pflanzenmaterials (wie Steinkohle, Holzkohle, Kokosfasern, Torf) oder aus Tagebauten als Braunkohle gewonnen. Die Kohle wird dann bei Temperaturen von bis zu 900°C behandelt, oft unter Zusatz von Gasen oder durch eine chemische Aktivierung, um ihre Oberfläche weiter zu vergrößern.
Adrian Monteleone verleiht Sonderabfällen, die sonst nur verbrannt würden, einen Wert. Er hat eine Fertigungsmethode entwickelt, um aus ihnen maßgeschneiderte Filter für jeden Anwendungszweck und jeden Schadstoff-Cocktail herzustellen.
Adrian Monteleone verleiht Sonderabfällen, die sonst nur verbrannt würden, einen Wert. Er hat eine Fertigungsmethode entwickelt, um aus ihnen maßgeschneiderte Filter für jeden Anwendungszweck und jeden Schadstoff-Cocktail herzustellen.
DIE HERSTELLUNG VON HYBRID-ADSORBENTIEN
Monteleone will aus Kunststoffsondermüll sogenannte Hybrid-Adsorbentien herstellen. Dabei wird adsorbiert, nicht absorbiert: Bei der Adsorption, docken Moleküle an der Oberfläche des Kunststoffes an und werden auf diese Weise gebunden anstatt in der Luft umherzuirren. Damit möglichst viele Moleküle andocken, muss es viele Andockstellen geben. Die Oberfläche des Kunststoffmülls darf nicht glatt sein. Wie bei Aktivkohle gilt auch für Kunststoffe: Je rauer die Oberfläche, desto größer ist sie und desto mehr Schad- und Spurenstoffe können sie aufnehmen. So, wie der Kunststoffsondermüll bei PolymerActive angeliefert wird, hat er jedoch eine zu geringe Oberfläche.
Um das zu ändern, haben Monteleone und sein Team ein zum Patent angemeldetes Verfahren entwickelt. Vereinfacht, wird der Kunststoffabfall erst verflüssigt, anschließend mit einer Tropfvorrichtung in die gewünschte Form gebracht, indem die verflüssigten Polymere ausgefällt und gehärtet werden.
Die gewünschte Form kann von Pulver, Kügelchen oder Fäden bis hin zu Membranen variieren. Entscheidend ist, dass Monteleone es geschafft hat, die Oberfläche der neu formierten Polymere mithilfe seines Verfahrens massiv zu erhöhen – und dadurch auch die Filterleistung. So hat eine Probe von einem Gramm Gewicht im momentanen Entwicklungszustand bereits eine Oberfläche von bis zu 338 Quadratmetern.
Um das zu ändern, haben Monteleone und sein Team ein zum Patent angemeldetes Verfahren entwickelt. Vereinfacht, wird der Kunststoffabfall erst verflüssigt, anschließend mit einer Tropfvorrichtung in die gewünschte Form gebracht, indem die verflüssigten Polymere ausgefällt und gehärtet werden.
Die gewünschte Form kann von Pulver, Kügelchen oder Fäden bis hin zu Membranen variieren. Entscheidend ist, dass Monteleone es geschafft hat, die Oberfläche der neu formierten Polymere mithilfe seines Verfahrens massiv zu erhöhen – und dadurch auch die Filterleistung. So hat eine Probe von einem Gramm Gewicht im momentanen Entwicklungszustand bereits eine Oberfläche von bis zu 338 Quadratmetern.
Adsorbentien bei 10000-facher Vergrößerung mit erhöhter Porosität und spezifischer Oberfläche
Oberflächen eines physikalisch-chemisch modifizierten Kunststoffabfalls
Oberflächen eines physikalisch-chemisch modifizierten Kunststoffabfalls aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer Neben der Vergrößerung der Oberfläche hat Monteleone ein zweites Ziel, das er mit seinem Filtermaterial aus Polymeren erreichen will: Die Funktionalisierung der Oberflächen.
Jedes Polymer bindet andere Moleküle, direkt oder indirekt. So kann Monteleone entweder direkt-bindende Schadstoffe herausfiltern oder er nutzt Brückenmoleküle: Brückenmoleküle binden an einer Seite Polymerfilter und an der anderen Seite Schadstoffe an. Dadurch wurde der Polymerfilter mit dem Brückenmolekül so umfunktioniert, dass er Schad- und Spurenstoffe filtert, die bisher nur mit erheblichem Aufwand oder gar nicht zu filtern waren, bspw. Schwermetalle wie Blei, Kupfer und Cadmium, aber auch organische Verbindungen wie Phenole, aromatische Kohlenwasserstoffe und Pestizide. Die Polymerfilter können also Schadstoffe herausfiltern, bei denen Aktivkohle versagt oder die mit anderen Verfahren nur mit hohen Kosten zu filtern sind.
Jedes Polymer bindet andere Moleküle, direkt oder indirekt. So kann Monteleone entweder direkt-bindende Schadstoffe herausfiltern oder er nutzt Brückenmoleküle: Brückenmoleküle binden an einer Seite Polymerfilter und an der anderen Seite Schadstoffe an. Dadurch wurde der Polymerfilter mit dem Brückenmolekül so umfunktioniert, dass er Schad- und Spurenstoffe filtert, die bisher nur mit erheblichem Aufwand oder gar nicht zu filtern waren, bspw. Schwermetalle wie Blei, Kupfer und Cadmium, aber auch organische Verbindungen wie Phenole, aromatische Kohlenwasserstoffe und Pestizide. Die Polymerfilter können also Schadstoffe herausfiltern, bei denen Aktivkohle versagt oder die mit anderen Verfahren nur mit hohen Kosten zu filtern sind.
FUNKTIONALISIERUNG DER OBERFLÄCHEN
Das Potential:
Einsatz von Polymerfilter
Der Einsatz eines Polymerfilters bietet vor allem Vorteile bei der Reinigung von Faulgasen und könnte perspektivisch auch für die Filtration von Molekülen in Rauchgasen genutzt werden. Diese Technologie wird zunehmend wichtiger, da immer strengere Umweltauflagen die Betreiber von Müllverbrennungsanlagen vor Herausforderungen stellen: Sie müssen die gesetzlichen Grenzwerte einhalten, während sie gleichzeitig die Kostensteigerungen minimieren. Aber auch zur Filtrierung von Gebäudeschadstoffen kann Monteleones Filtertechnologie helfen; insbesondere dort, wo Gebäuden der Abriss droht könnten zukünftig Kosten für Neubauten und auch die damit verbundenen CO2-Emissionen erspart werden. Zudem konnte er bereits nachweisen, dass das Filtermaterial bei besonderer Schadstoffbelastung in Innenräumen genutzt werden, bspw. zur Filtrierung flüchtiger organischer Verbindungen aus der Abluft von Produktionsprozessen.
Neben der Umweltreinigung ermöglichen die Polymerfilter auch die Rückgewinnung der gefilterten Stoffe zur Wiederverwendung als Rohstoffe in einem zweiten Prozessschritt. Zudem kann der Polymerfilter nach einem Aufbereitungsprozess mehrfach wiederverwendet werden. Obwohl auch Aktivkohle wiederaufbereitet werden kann, ist dieser Prozess relativ aufwendig und nur begrenzt wiederholbar.
Monteleones Arbeit wird dazu beitragen, Kunststoffsonderabfällen ein zweites höherwertigeres Leben zu schenken. Sein Verfahren ist das erste bekannte großtechnische Herstellverfahren für Polymeradsorbentien aus Kunststoffabfällen und ist auch für biologische Adsorbentien nutzbar. Dadurch sind auch Kombinationen aus biologisch und synthetischen Hybriden möglich und die Polymerfilter können genau auf den zu filternden Schadstoffmix ausgerichtet werden. Die Kosten des Polymerfilters liegen bei deutlich unter 1.000 Euro pro Tonne.
Neben der Umweltreinigung ermöglichen die Polymerfilter auch die Rückgewinnung der gefilterten Stoffe zur Wiederverwendung als Rohstoffe in einem zweiten Prozessschritt. Zudem kann der Polymerfilter nach einem Aufbereitungsprozess mehrfach wiederverwendet werden. Obwohl auch Aktivkohle wiederaufbereitet werden kann, ist dieser Prozess relativ aufwendig und nur begrenzt wiederholbar.
Monteleones Arbeit wird dazu beitragen, Kunststoffsonderabfällen ein zweites höherwertigeres Leben zu schenken. Sein Verfahren ist das erste bekannte großtechnische Herstellverfahren für Polymeradsorbentien aus Kunststoffabfällen und ist auch für biologische Adsorbentien nutzbar. Dadurch sind auch Kombinationen aus biologisch und synthetischen Hybriden möglich und die Polymerfilter können genau auf den zu filternden Schadstoffmix ausgerichtet werden. Die Kosten des Polymerfilters liegen bei deutlich unter 1.000 Euro pro Tonne.
In einem Auftrag durch SPRIND lotst Monteleone mit seinem Team die Grenzen der Oberflächenvergrößerung aus. Er erforscht zudem, wie umfangreich die Polymere funktionalisiert werden und welche Schad- und Spurenstoffe sie binden können. Außerdem unterstützen wir ihn bei der Flexibilisierung seines Herstellungsprozesses, sodass er zukünftig für jeden Schadstoffcocktail vollautomatisch einen Polymer-Filtermix herstellen kann.
Ursprünglich mit dem Ziel Wasserfiltration gestartet, sind Monteleones Adsorbentien nun zunehmend auch für die Filtration gasförmiger Medien relevant. Diese Perspektiverweiterung öffnet gänzlich neue Anwendungsfelder.
Mehr Informationen zu Adrian Monteleone und PolymerActive.
Ursprünglich mit dem Ziel Wasserfiltration gestartet, sind Monteleones Adsorbentien nun zunehmend auch für die Filtration gasförmiger Medien relevant. Diese Perspektiverweiterung öffnet gänzlich neue Anwendungsfelder.
Mehr Informationen zu Adrian Monteleone und PolymerActive.