Bimetallische Katalysatoren zur Reduktion von Nitraten im Wasser

Bei der Nutzung von Grund- und Oberflächenwasser stellt die Entfernung von Nitraten ein vorrangiges Problem dar. Durch das Einleiten ungeklärter Abwässer und die Überdüngung des Bodens in der Landwirtschaft, kann eine stetig steigende Nitratkonzentration im Grundwasser festgestellt werden. Neben den bereits zur Verringerung der Nitratkonzentration im Wasser eingesetzten Methoden wie der Umsetzung in biologischen Kläranlagen oder dem Ionenaustausch, erscheint die aktuelle Entwicklung auf dem Gebiet der katalytische Reduktion von Nitraten äußerst vielversprechend . In diesem Verfahren wird unter Verwendung bi-metallischer Katalysatoren und eines Reduktionsmittels wie z.B., gasförmigem Wasserstoff oder Ameisensäure, Nitrat und Nitrit zu Stickstoff reduziert. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der vergleichsweise einfachen und kostensparenden Reaktionsführung, in der Vermeidung von nitrathältigen festen (Kläranlagen) oder flüssigen Abfallprodukten (periodischen Regenerierung der Ionentauscher), sowie in einem hohen Umsatz. Während in einer großen Zahl von Arbeiten die Aktivität und die Selektivität verschiedener Kombinationen von edlen und unedlen Metallen untersucht wurde, sind die strukturellen Eigenschaften der Katalysatoren nur in unzureichender Form charakterisiert. Besonders die Wechselwirkung zwischen den beiden Metallen ist von entscheidender Bedeutung für die katalytischen Eigenschaften, da monometallische Katalysatoren aus den entsprechenden Einzelkomponenten eine deutlich geringere Aktivität aufweisen. Eine weitere wichtige Einflußgröße stellt das Trägermaterial und seine Wechselwirkung mit den Metallkomponenten dar. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts soll die Beziehung zwischen der Struktur des Katalysators und der Aktivität/Selektivität bestimmt werden, und damit die Basis für eine kontrollierte Herstellung von wirtschaftlich und technologisch aussichtsreichen Katalysatoren für die Reduktion von Nitraten in wäßrigen Lösungen gelegt werden.

Zunehmender Nitrateintrag ins Grundwasser, verursacht durch Überdüngung intensiv genutzter landwirtschaftlicher Flächen und durch Stickoxid-Emissionen aus Verbrennungsprozessen, erfordert weltweit in immer größerem Ausmaß die Entfernung dieser Schadstoffe aus dem Trink-und Gebrauchwasser. In Österreich liegt die durchschnittliche Nitratkonzentration von Trinkwässern im Bereich von 5 bis 25 mg/l. Diese Werte unterschreiten zwar den gesetzlichen Grenzwert von 50 mg/l, erreichen aber bereits den von der EU empfohlenen Richtwert. Speziell in den östlichen Bundesländern wurden in Hausbrunnen Nitratkonzentrationen von über 60 mg/l festgestellt. Neben den bereits zur Verringerung der Nitratkonzentration im Wasser eingesetzten Methoden wie der Umsetzung in biologischen Kläranlagen oder dem Ionenaustausch, ist die Methode der katalytische Reduktion, die Nitrate über einen Katalysator direkt in Stickstoff überführt, aus ökologischen und ökonomischen Gründen vorteilhaft. Nitrathaltiges Wasser wird über einen Katalysator, der als aktive Komponente ein Edelmetall (Palladium) und ein Übergangsmetall (Kupfer oder Zinn) enthält, mit Wasserstoff zu Stickstoff reduziert. Es konnte gezeigt werden, dass das Übergangsmetall allein Nitrat zu Nitrit reduzieren kann dabei aber selbst oxidiert wird. Um den katalytischen Zyklus zu schließen reduziert atomarer Wasserstoff, der am Edelmetall gebildet wird das Metalloxid zum Metall. Je näher diese zwei Metalle zueinander sind desto aktiver ist der Katalysator. Mit Hilfe einer speziellen Synthesemethode gelang es aktive Katalysatoren herzustellen, die einen geringeren Edelmetall-Gehalt als die meisten in der Literatur beschriebenen aufweisen und an denen die Wechselwirkung der beiden Metalle optimal ist. Im Rührkesselreaktor wurde ein vollständiger Abbau des Nitrats erreicht, ein intermediär gebildetes Nitrit konnte am Ende der Reaktion nicht mehr nachgewiesen werden, der Ammoniakgehalt lag aber über dem gesetzlichen Grenzwert. Im Durchflussreaktor, der in der Praxis leichter eingesetzt werden kann wurde ein konstanter Umsatz von etwa 50% erreicht wobei die Konzentration von Ammoniak nahe dem gesetzlichen Grenzwert lag.