Aufnahme von Phosphatdüngemitteln aus landwirtschaftlichem Abwasser
Chemische Düngemittel sind ein wichtiger Bestandteil der modernen Landwirtschaft, dabei jedoch alles andere als perfekt. „Herkömmliche Düngemittel sind nicht nur höchst ineffizient, viele von ihnen geben Phosphor in den Boden ab, was sich negativ auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirkt“, sagt Jorge Rodríguez Navarro, Professor an der Universität Granada. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts PSust-MOF (Metal-Organic Frameworks as multifunctional materials toward P-sustainability) leitete Rodríguez Navarro gemeinsam mit seinem Kollegen und Mitforscher Francisco Carmona Bemühungen, einen kreislauforientierten Umgang mit Phosphor zu finden. „Im Mittelpunkt stand die Entwicklung eines innovativen Adsorptionsmittels, mit dem landwirtschaftliches Abwasser entgiftet werden kann, indem phosphathaltige Düngemittel herausgefiltert und wiederverwendet werden“, erklärt Carmona.
Nachhaltige metallorganische Gerüstverbindungen
Der Schwerpunkt des über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekts bezüglich dieses Ziels lag auf einer zunehmend an Bedeutung gewinnenden Klasse poröser Materialien, den Zirkonium-basierten metallorganischen Gerüstverbindungen (zirconium-based metal-organic frameworks, Zr-MOF), die eine hohe Affinität zu Phosphatgruppen aufweisen. Doch die Forschenden wollten nicht einfach Zirkonium-basierte metallorganische Gerüstverbindungen schaffen, sie wollten sie nachhaltig schaffen. „Durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften besitzen metallorganische Gerüstverbindungen viel Potenzial für zahlreiche Anwendungen“, merkt Rodríguez Navarro an. „Leider werden sie meist mit toxischen Lösungsmitteln und bei rauen Bedingungen erzeugt.“ Die Forschenden zeigten daher die Realisierbarkeit der Synthetisierung von Zirkonium-basierten metallorganischen Gerüstverbindungen über einen Mikrowellen-gestützten Ansatz. Bei dem innovativen Verfahren wird Wasser als Lösungsmittel eingesetzt, und es ermöglicht die einfache und präzise Modulierung der Partikelgröße der resultierenden Materialien. „Wenn die industrielle Erzeugung einfacher, günstiger und nachhaltiger ist, dann ebnet dieses Verfahren den Weg für die reale Anwendung dieser Materialien“, ergänzt Carmona.
Fähigkeit zur Aufnahme von Phosphat-Ionen
Neben der Entwicklung dieses nachhaltigen Verfahrens zur Erzeugung von Materialien aus Zirkonium-basierten metallorganischen Gerüstverbindungen wurde über das Projekt auch die Fähigkeit dieser Materialien nachgewiesen, Phosphat-Ionen bei entsprechender Konzentration aufzunehmen. Sobald die Phosphat-Ionen aufgenommen wurden, können sie wiederverwendet werden, um neue Phosphat-absorbierende Düngemittel herzustellen. „Wir konnten zeigen, dass Zirkonium-basierte metallorganische Gerüstverbindungen nicht nur umkehrbar Phosphat-Ionen aufnehmen können. Sie können gleichzeitig toxische organophosphorhaltige Pestizide in harmlose Verbindungen aufbrechen“, berichtet Rodríguez Navarro. „Das bietet die Chance, Abwasser aus landwirtschaftlicher Tätigkeit zu entgiften.“
Herausforderungen bezüglich Knappheit und Ineffizienz
Die Knappheit von Phosphor und die Ineffizienz von Düngemitteln sind zwei zentrale Barrieren auf dem Weg zu einer nachhaltig ertragreichen Landwirtschaft. Das PSust-MOF-Projekt hat beide Barrieren überwunden. „Wir konnten Phosphor aus landwirtschaftlichem Abwasser herausfiltern und dann zur Herstellung neuer, wirksamer Düngemittel wiederverwenden. Das zeigt das Potenzial metallorganischer Gerüstverbindungen, die Probleme der Knappheit und Ineffizienz gleichzeitig zu lösen, indem ein Phosphorkreislauf aufgebaut wird“, merkt Carmona an. „Das Projekt hat erfolgreich die Aufmerksamkeit auf die Nachhaltigkeit von Phosphor gelenkt und demonstriert, dass Forschung der Schlüssel zu Strategien und Lösungen zur Überwindung dieser wichtigen Herausforderungen ist“, ergänzt Rodríguez Navarro. Derzeit arbeiten die Forschenden daran, die Verarbeitbarkeit metallorganischer Materialien mit Verbundwerkstoffen oder gemischten Membran-Matrizen auszubauen – so könnten diese Gerüstverbindungen bedarfsorientiert produziert werden.
Schlüsselbegriffe
PSust-MOF, Düngemittel, Phosphor, Boden, landwirtschaftliches Abwasser, Zirkonium-basierte metallorganische Gerüstverbindungen, Phosphatdüngemittel, Landwirtschaft, Kreislaufwirtschaft, Zr-MOF
