Indirekte Bestimmung der photokatalytisch generierten Hydroxylradikale – Anwendungen zur Charakterisierung von erweiterten Oxidationsverfahren

In den letzten Jahren rückten anthropogene Spurenstoffe im Wasserkreislauf, wie z. B. Pharmakarückstände, global in den Fokus von Wissenschaft und staatlicher Überwachung. Allein in Deutschland sind aktuell etwa 3600 pharmazeutische Wirkstoffe für die Human- und Tiermedizin lizensiert. Es sind derzeit nahezu 150 dieser Spurenstoffe und einige ihrer Metaboliten in Grund- und Oberflächenwässern nachweisbar. Sie gelangen über verschiedene Eintragswege in die aquatische Umwelt. Umweltrelevante Arzneimittel sind häufig biologisch nicht oder nur langsam abbaubar, chemisch stabil und in der wässrigen Phase hoch mobil. Zu den in diesem Zusammenhang am häufigsten angewendeten Wasseraufbereitungsverfahren gehören die sogenannten Advanced Oxidation Processes (AOPs). Diese basieren vornehmlich auf der Bildung und weiteren Reaktion von OH-Radikalen, welche deutlich reaktiver als andere in der Wasser- und Abwasserbehandlung genutzte oxidative Spezies sind. In diesem Zusammenhang stellt die Photokatalyse eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen AOPs dar. Die aktuelle Forschung auf dem Gebiet der Materialentwicklung für photokatalytische Anwendungen beschäftigt sich sowohl mit der Modifizierung der verwendeten Nanopartikel zur Verschiebung ihrer photokatalytischen Aktivität in den Bereich des sichtbaren Lichtes als auch mit deren stabiler Immobilisierung.
Im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes wurde dazu die indirekte Quantifizierung der photokatalytisch generierten Hydroxylradikale unter Anwendung von tertiär-Butanol als Testsubstanz zur Beurteilung der Aktivität neuartig modifizierter Photokatalysatormaterialien etabliert. Das aus dieser Umsetzung entstehende Formaldehyd ist analytisch erfassbar und dient letztendlich als Maß für die Menge an entstandenen Hydroxylradikale. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden verschiedene Strategien für eine effiziente und anhaltende Immobilisierungen der Nanopartikel auf unterschiedlichen Trägermaterialien verfolgt. In diesem Zusammenhang konnten unter Anwendung der indirekten Hydroxylradikalbestimmung die Einflüsse der Immobilisierungstechnik auf die Aktivität der Materialien verfolgt werden. Eine vielversprechende Möglichkeit die photokatalytsich aktiven Nanopartikel strukturiert und definiert zu fixieren ist die Abscheidung dieser unter Nutzung bakterieller Surface(S)-Layer-Proteine. In diesem Zusammenhang sollte unter Nutzung der indirekten Hydroxylradikalbestimmung mittels tertiär-Butanol (tBuOH) sowohl der Einfluss der S-Layer-Proteine auf die photokatalytische Aktivität der Nanopartikel als auch eine möglich Veränderung der S-Layer-Proteine unter Einwirkung von OH-Radikalen untersucht werden.
Neben der Charakterisierung neuartige modifizierter Photokatalysatoren bzw. von Wasserinhaltsstoffen erlaubt die indirekte Bestimmung der generierten OH-Radikale auch den Vergleich verschiedener AOPs, z. B. UV/VUV und Photokatalyse, anhand ihrer Radikalbildung pro Zeiteinheit oder Energieeintrag. Zudem ermöglicht sie die Gegenüberstellung spezieller Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren