Wie rostendes Eisen Wasser von Arsen befreit

Wenn metallisches Eisen korrodiert, also rostet, bilden sich Eisenoxide, die Schadstoffe wie Arsen stark binden können. Auf diesem Prinzip basieren einfache und günstige Wasserfilter, mit denen Menschen in den betroffenen Regionen Afrikas und Asiens arsenbelastetes Trinkwasser selber aufbereiten können. Dabei werden Eisenpulver, Eisenspäne oder Eisennägel verwendet, oft in Kombination mit Sand. Zur Effizienz dieser Filtermethoden wurde in den vergangenen Jahren viel geforscht, auch am Wasserforschungsinstitut Eawag – etwa in Bangladesch. «Bisherige Untersuchungen zu diesem Thema haben aber einen Nachteil», sagt Andreas Voegelin, Leiter der Gruppe Molekulare Umweltgeochemie der Abteilung Wasserressourcen und Trinkwasser der Eawag. «Die Reaktionen zwischen Eisen und Arsen werden zumeist in Suspensionen untersucht, in denen das Filtermaterial im Wasser schwimmt. Die Ergebnisse zeigen aber nicht, welche Prozesse im Porenraum ablaufen, also in den Hohlräumen zwischen den einzelnen Feststoffpartikeln eines Filters.» Speziell interessierte die Forschenden, wie die Arsenentfernung durch den periodischen Betrieb eines Wasserfilters beeinflusst wird, das heisst, wenn sich Wasserfluss und Wasserstau abwechseln.

Dieser Frage gingen die Forschungsgruppen von Andreas Voegelin, Joaquin Jimenez-Martinez, Stephan Hug und Michael Berg in einem gemeinsamen Experiment nach. Umweltingenieur Jonas Wielinski, der an der Eawag doktoriert hat, nahm sich der Aufgaben an und entwickelte einen Versuchsaufbau, der die Verhältnisse in einem Arsenfilter möglichst gut reproduziert und sichtbar macht. «Unser Ziel war es, die geochemischen Vorgänge im Porenraum zwischen Eisenpartikeln und Sandkörnern auf der Skala von Mikrometern zu beobachten und nachzuvollziehen», sagt Wielinski, der inzwischen als Postdoktorand an der Carnegie Mellon University in den USA forscht.

Filter im Miniaturformat unter dem Mikroskop

Unter einem Lichtmikroskop im Mikrofluidik-Labor von Jimenez-Martinez untersuchte Wielinski einen Arsenfilter im Miniaturformat: einen nur 250 Mikrometer tiefen und 45 Millimeter langen Kanal, der abwechselnd mit Streifen aus Quarzsandkörnern und Streifen aus Eisenkörnern befüllt war. Das Wasser, mit dem das Filtermodell betrieben wurde, versetzten die Forschenden mit Arsen und anderen Elementen in Konzentrationen, wie sie für das Grundwasser in Bangladesch typisch sind. Die an den Filter angeschlossene Pumpe förderte jeweils zwölf Stunden lang Wasser durch das System, gefolgt von einer zwölfstündigen Pause, in der das Wasser im Filter ruhte. Das gefilterte Wasser beprobte Wielinski während des mehrwöchigen Versuchs regelmässig, um die Entfernung von Arsen zu bestimmen. Mit dem Lichtmikroskop nahm er automatisch alle 30 Minuten ein Bild des Filtermodells auf. Im Zeitraffer abgespielt, zeigen diese Bilder detailliert, wie das metallische Eisen korrodiert und wie sich die dabei neu gebildeten Eisenoxide zyklisch verfärben – von Grünschwarz zu Orangerot und Braun, wenn das Wasser fliesst, und umgekehrt, wenn der Wasserfluss ausbleibt. Diese Farbwechsel sind eine Folge der Korrosionsprozesse, in deren Verlauf verschiedene Eisenoxide entstehen und zyklisch umgewandelt werden.