Abstract:

Zurzeit werden in ganz Europa Kläranlagen mit zusätzlichen Aufbereitungsstufen ausgerüstet, um Spurenstoffe besser zu entfernen. Die meisten Spurenstoffe werden durch Oxidation kostengünstig entfernt. Sorptionsprozesse werden hingegen bevorzugt, da keine Transformationsprodukte entstehen. Der Reaktionsweg des für die Oxidation präferierten Ozons wird in Pfade über Ozon und über Hydroylradikale, die durch Ozon-Matrix Reaktionen entstehen, geteilt. Die Oxidationseffizienz hängt stark von den Reaktionsgeschwindigkeiten der Stoffe ab. Sorptionsprozesse werden üblicherweise durch Sorptionsisothermen beschrieben, einschließlich der Sorptionsstärke. Zur Beschreibung von Filtrationsprozessen sind ebenfalls Isothermendaten notwendig. Bisher wurde das Verhalten von Gadolinium Chelaten, die als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie verwendet werden, nicht in den genannten Aufbereitungsstufen untersucht. Die stabilen Chelate werden unmetabolisiert ausgeschieden und nur unzureichend in konventionellen Kläranlagen entfernt. Sie bleiben intakt und Gd(III) wird nicht freigesetzt. Dies könnte durch oxidative Verfahren geändert werden, da diese potentiell in der Lage sind Chelate zu zerstören und Gd(III), das im Gegensatz zu der Chelatform toxisch ist, freizusetzen. Untersuchungen in Trink- und Abwasser wurden durchgeführt, um die Relevanz von Gadolinium in den Aufbereitungsstufen zu zeigen. In einer europaweiten Studie wurde in 75 Kläranlagen eine durchschnittliche Konzentration von 118 ng L-1 Gadolinium ermittelt, was einer nicht-geogenen Konzentration von 116 ng L-1 entspricht. Im Trinkwasser aus dem Ruhrgebiet wurde eine fünfmal geringere Gadolinium Konzentration und Anomalie ermittelt als in den untersuchten Abwasserproben. Die im Trinkwasser bestimmten Konzentrationen sind geringer als akute Toxizitätskonzentrationen. Die Speziation des Gadoliniums in den untersuchten Proben wurde nicht bestimmt, jedoch wird angenommen, dass die anthropogene Gadoliniumfraktion als Chelat vorliegt. Adsorptionseigenschaften wurden für unterschiedliche Aktivkohletypen und aktivierte Polymer-basierte Sorbentien ermittelt. Der Freundlich Koeffizient ist für Gd-BT-DO3A zwischen 0.013 und 2.83 (μmol kg-1)(L μmol-1)1/n bezogen auf Chemviron RD 90® und das am stärksten aktivierte synthetische Adsorbent. Laborversuche mit Kleinfiltersäulen, die mit Trinkwasser betrieben wurden, geben Einblick in das IV Adsorptionsverhalten während der Festbett-Filtration. Das Durchbruchverhalten wurde anhand des Linear Driving Force Modells beschrieben. Um die experimentellen Daten zu beschreiben, wurden Isothermen des gelösten organischen Kohlenstoffs in das Modell integriert. Dadurch wurde ein Filtrations-Kompetitionseffekt nachgewiesen, der sich von dem direkten Kompetitionseffekt unterscheidet. Erste Untersuchungen in einer Kläranlage verifizierten die schlechte Adsorbierbarkeit des Gadoliniums, die ähnlich der des Röntgen-Kontrastmittels Iopamidol ist. Daher wird Gadolinium aus Abwasser durch Adsorptionsstufen kaum entfernt werden. Jedoch kann Gadolinium als Indikatorsubstanz für die Ermittlung von Filterdurchbrüchen verwendet werden. Die Geschwindigkeitskonstanten der Reaktion der Chelate mit Ozon und Hydroxylradikalen wurden unter Bedingungen pseudo-erster Ordnung bestimmt. Die Konstante für die Reaktion mit Ozon ist für alle Chelate < 50 M-1 s-1. Daher können die Chelate als Ozon-refraktär bezeichnet werden. Zur Bestimmung von Geschwindigkeitskonstanten mit Hydroxylradikalen wurden verschiedene Methoden angewandt. Wurden die Radikale durch Pulsradiolyse erzeugt, erfolgte die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten entweder direkt oder anhand einer Kompetition mit Thiocyanat. Bei einer Generierung der Radikale durch den Peroxon-Prozess, erfolgte die Bestimmung nur durch Kompetitionskinetiken (mit para-Chlorbenzoesäure und tert-Butanol). Die Ergebnisse der Pulsradiolyse Bestimmungen (Geschwindigkeitskonstanten > 109 M-1 s-1) zeigen, dass eine Reaktion mit Hydroxylradikalen im Abwasser möglich ist. Die Reaktionsprodukte der Oxidationen zeigten keinen Effekt in den angewandten Zell- und Gentoxizitätstests, sowie dem Östrogenitätstest. Hinsichtlich der Speziation des Gadoliniums wird angenommen, dass neue Chelate gebildet werden, die jedoch weniger stabil sein können, was eine Transmetallierung begünstigt. Dies ist auch für andere Chelate in der Wasseraufbereitung von Interesse. In dieser Studie konnte erstmalig gezeigt werden, dass Gadolinium kaum durch die untersuchten Aufbereitungsstufen entfernt wird. Der Effekt der oxidativen Aufbereitung auf metall-organische Spezies, bedarf jedoch weiterer Untersuchung, insbesondere in Fällen in denen das freie Metallion als toxisch gilt.