Adsorption der Wirkstoffe von Arzneimitteln und Pflegeprodukten in hydrophoben Zeolithen

• Antragsteller: Dr. Michael Fischer
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492604837

Arzneimittelwirkstoffe und Inhaltsstoffe von Pflegeprodukten ("pharmaceuticals and personal care products": PPCPs) bilden eine Gruppe von Schadstoffen, die wegen ihrer weiten Verbreitung und potentieller negativer Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt besondere Aufmerksamkeit erfahren. PPCPs sind verschiedenen Bereichen der Umwelt nachgewiesen worden, z.B. in Abwässern, in Oberflächen- und Grundwasser sowie in Sedimenten. Da konventionelle Kläranlagen nicht für die Entfernung von PPCPs ausgelegt sind, sind hierfür verschiedene andere Optionen untersucht worden, u.a. Adsorptionsprozesse. Obwohl poröse Kohlenstoffe am Intensivsten untersucht wurden, weisen auch hydrophobe Zeolithe (mit hohen Si/Al-Verhältnissen) einige Vorteile auf, z.B. eine hohe Stabilität sowie geringe Co-Adsorption von natürlichen organischen Substanzen. Die meisten experimentellen Untersuchungen dieser Systeme waren bisher auf eine oder wenige Zeolith-PPCP-Kombinationen beschränkt. Da systematische Untersuchungen weitgehend fehlen, gibt es wenige Orientierungshilfen zur Auswahl von Zeolithen, die für die Adsorption einer PPCP-Verbindung (oder einer Gruppe von Verbindungen) geeignet sein könnten. Computermodellierungsmethoden, die Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Porentopologie und Adsorptionseigenschaften geben können, sind auf diesem Gebiet bisher kaum eingesetzt worden.In diesem Projekt wird ein hierarchischer Ansatz verwendet, um die Adsorption von PPCPs in hydrophoben Zeolithen zu untersuchen, wobei Modellierung und Experimente kombiniert werden. Im ersten Teil wird zunächst ein „Screening“ einer Vielzahl von Zeolith-PPCP-Kombinationen (30 bis 40 PPCPs, 10 bis 15 Zeolithe) mit Kraftfeld-basierten Rechnungen durchgeführt, bevor für einige Kombinationen die Flüssigphasenadsorption simuliert wird. Im zweiten Teil werden dann dispersionskorrigierte Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT-D) genutzt, um Zeolith-PPCP-Kombinationen von besonderem Interesse genauer zu untersuchen, z.B. im Hinblick auf die dominanten Wechselwirkungen und auf adsorptionsinduzierte Deformationen. Zuletzt werden zwei oder drei Kombinationen experimentell untersucht. Nach einer Charakterisierung der PPCP-Adsorption aus wässriger Lösung werden mit PPCP-Molekülen beladene Zeolithproben mit Röntgenbeugung, Thermogravimetrie und unterschiedlichen spektroskopischen Methoden untersucht.Im Screening-Teil des Projektes soll gezeigt werden, dass relativ unaufwändige Simulations-rechnungen die Identifizierung interessanter Zeolith-PPCP-Kombinationen ermöglichen, ohne dass arbeits- und zeitintensive Experimente notwendig sind. Ein derartiger Modellierungs-basierter Ansatz sollte einen wesentlichen Einfluss auf zukünftige anwendungsbezogene Untersuchungen von Zeolithen für die Entfernung von PPCPs haben. Darüber hinaus werden die DFT-D-Rechnungen und die detaillierte Charakterisierung PPCP-beladener Proben zum grundlegenden Verständnis der Adsorption komplexer organischer Moleküle in Zeolithen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen