Umwelt und Schadstoffe in der Chemie

Schadstoffe in der Chemie sind Substanzen, die bei chemischen Prozessen entstehen oder zum Einsatz kommen und die Umwelt belasten können. Sie reichen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) über Schwermetalle bis hin zu persistenten organischen Schadstoffen (POPs). Welche Schadstoffklassen für die chemische Industrie besonders relevant sind, wie sie in Luft, Wasser und Boden gelangen und welche Forschungsansätze ihre Reduktion zum Ziel haben — dieser Überblick erläutert die wichtigsten Zusammenhänge zwischen Chemie und Umwelt.

Was sind Schadstoffe in der Chemie?

Schadstoffe sind Substanzen, die in der Lage sind, lebende Organismen oder ökologische Systeme zu schädigen, wenn sie in ausreichender Konzentration und Verweildauer auftreten. In der chemischen Industrie können Schadstoffe an verschiedenen Stellen des Stoffstroms entstehen: als Ausgangs- oder Hilfsstoffe im Prozess, als Zwischen- oder Nebenprodukte einer Reaktion, als Emissionen in Luft und Wasser oder als Abfälle nach der Produktion. Ob ein Stoff als Schadstoff gilt, hängt nicht nur von seiner chemischen Struktur ab, sondern auch von Menge, Verteilung und Umweltbedingungen.

Die regulatorische Einordnung erfolgt in der Europäischen Union vor allem über die REACH-Verordnung sowie über die CLP-Verordnung zur Einstufung und Kennzeichnung chemischer Stoffe. Auf nationaler Ebene konkretisieren das Chemikaliengesetz (ChemG), die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) und die Bundesimmissionsschutzverordnungen (BImSchV) die rechtlichen Anforderungen an den Umgang mit Schadstoffen.

Chemie und Umwelt: Wechselwirkungen im Überblick

Zwischen Chemie und Umwelt bestehen vielfältige Wechselwirkungen. Chemische Prozesse begleiten die menschliche Zivilisation seit ihren Anfängen — von der Verbrennung über die Metallgewinnung bis hin zur modernen Synthesechemie. In jeder dieser Anwendungen werden Stoffe umgewandelt, und in vielen Fällen entstehen dabei Reststoffe, die in die Umwelt gelangen können.

Während chemische Erzeugnisse den heutigen Lebensstandard ermöglichen, sind manche Umweltbelastungen auf chemische Prozesse oder Substanzen zurückzuführen. Historisch wurden in der Oberflächentechnik, der Farbenherstellung oder der Lederproduktion regelmäßig giftige Substanzen wie Blei- oder Quecksilberverbindungen eingesetzt, ohne dass deren Wirkungen auf Mensch und Umwelt vollständig bekannt waren. Heute sorgen wissenschaftliche Erkenntnisse, regulatorische Rahmenwerke und technologische Entwicklungen dafür, dass Risiken systematischer bewertet und reduziert werden können.

Mit der Entwicklung der Naturwissenschaften haben sich eigene Disziplinen herausgebildet, die sich gezielt mit dem Zusammenspiel von Chemie und Umwelt befassen: die Umweltchemie und die Green Chemistry. Beide werden weiter unten näher betrachtet.

Wichtige Schadstoffklassen in chemischen Prozessen

Die für die chemische Industrie und insbesondere für die Oberflächentechnik relevanten Schadstoffe lassen sich in mehrere Klassen einteilen.

Flüchtige organische Verbindungen (VOC)

VOC (volatile organic compounds) sind organische Substanzen, die schon bei Raumtemperatur in die Gasphase übergehen. Dazu zählen viele Lösemittel, die in Lacken, Reinigungs- und Spülmedien zum Einsatz kommen. VOC tragen zur Bildung von bodennahem Ozon bei und können Atemwegsreizungen sowie weitere Gesundheitsbeeinträchtigungen verursachen. Ihre Begrenzung ist in der 31. Bundesimmissionsschutzverordnung (31. BImSchV) geregelt.

Persistente organische Schadstoffe (POPs)

POPs sind organische Verbindungen, die in der Umwelt nur langsam abgebaut werden, sich in der Nahrungskette anreichern und über weite Strecken transportiert werden können. Die Stockholm-Konvention reglementiert ihren Einsatz auf internationaler Ebene. Zu den bekanntesten Vertretern zählen Dioxine, Furane und einige Pestizide. Auch verschiedene per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) werden zunehmend reguliert.

Schwermetalle

Schwermetalle wie Chrom (insbesondere in der Oxidationsstufe VI), Blei, Cadmium oder Quecksilber können bereits in geringen Konzentrationen schädlich auf Organismen wirken. In der Oberflächentechnik waren chromhaltige Konversionsverfahren lange Zeit Standard, werden aber zunehmend durch chrom(VI)-freie Verfahren auf Titan- und Zirkoniumbasis ersetzt.

Treibhausgase

Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Distickstoffmonoxid (N₂O) werden bei vielen industriellen Prozessen freigesetzt. Sie tragen zum anthropogenen Anteil der globalen Erwärmung bei. Ihre Begrenzung ist Gegenstand zahlreicher nationaler und internationaler Regelwerke, darunter das EU-Emissionshandelssystem (EU ETS).

Mikroplastik

Kleinste Kunststoffpartikel haben sich in den letzten Jahrzehnten in Gewässern, Böden und sogar in entlegenen Regionen nachweisen lassen. Sie entstehen sowohl durch direkten Eintrag (etwa aus Kosmetika oder Reifenabrieb) als auch durch den Zerfall größerer Kunststoffabfälle. Die Forschung zu ihren langfristigen Auswirkungen ist noch nicht abgeschlossen.

Wie chemische Schadstoffe in die Umwelt gelangen

Schadstoffe können auf verschiedenen Pfaden in die Umwelt gelangen.

• Luftpfad: Emissionen aus Produktionsanlagen, Verbrennungsprozessen und Lösemittelanwendungen gelangen über Abgase und Aerosole in die Atmosphäre. Die 31. BImSchV regelt Emissionsgrenzwerte für VOC, weitere Verordnungen erfassen Schwefeloxide, Stickoxide und Feinstaub.
• Wasserpfad: Über Abwässer können gelöste Stoffe, Schwebstoffe und Schwermetalle in Oberflächengewässer und Grundwasser gelangen. Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und die Indirekteinleiterverordnung der Bundesländer setzen die rechtlichen Anforderungen.
• Bodenpfad: Durch Deposition aus der Luft, durch Sickerwasser oder durch direkte Aufbringung können Schadstoffe in Böden eindringen und dort persistieren. Das Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) regelt die rechtlichen Anforderungen an Schutz und Sanierung.
• Produktpfad: Schadstoffe können auch über Produkte selbst in den Stoffkreislauf gelangen, etwa wenn sie sich aus Beschichtungen lösen, abrasiv ausgetragen werden oder am Lebensende nicht ordnungsgemäß entsorgt werden.

Umweltchemie und Green Chemistry: Zwei Forschungsdisziplinen

Im wissenschaftlichen Umgang mit Schadstoffen haben sich zwei eigenständige Disziplinen herausgebildet, die sich gut voneinander abgrenzen lassen.

Die Umweltchemie ist eine analytische Wissenschaft. Sie untersucht, wie chemische Substanzen sich in Luft, Wasser und Boden verteilen, wie sie sich verändern und welche Auswirkungen sie auf Ökosysteme haben. Umweltchemikerinnen und Umweltchemiker messen Schadstoffkonzentrationen, erforschen Abbauprozesse und bewerten Risiken. Der Fokus liegt auf der Diagnose bestehender Belastungen.

Green Chemistry wurde 1998 von Paul Anastas und John Warner als wissenschaftlicher Forschungsansatz formuliert, der die präventive Gestaltung chemischer Produkte und Prozesse in den Mittelpunkt stellt. Statt Schadstoffe nachträglich zu entfernen oder zu behandeln, zielt Green Chemistry darauf ab, sie bereits bei der Produktentwicklung zu vermeiden. Anastas und Warner formulierten zwölf Prinzipien, die seitdem als Bewertungsmaßstab für Forschungsansätze in dieser Disziplin dienen.

Die zwölf Prinzipien der Green Chemistry nach Anastas und Warner (1998)

Die folgenden Prinzipien stammen aus dem Werk „Green Chemistry: Theory and Practice“ von Paul Anastas und John Warner (Oxford University Press, 1998). Sie werden im Folgenden als wissenschaftliche Referenz wiedergegeben:

1. Abfallvermeidung: Es ist besser, Abfall zu vermeiden, als ihn nachträglich zu behandeln oder zu beseitigen.
2. Atomökonomie: Synthesemethoden sollten so gestaltet sein, dass alle eingesetzten Materialien maximal im Endprodukt eingebaut werden.
3. Weniger gefährliche Synthesen: Syntheseverfahren sollten Substanzen verwenden und erzeugen, die geringe oder keine Toxizität für Menschen und Umwelt aufweisen.
4. Sicherere Chemikalien: Chemische Produkte sollten so entwickelt werden, dass sie ihre gewünschte Funktion erfüllen und dabei möglichst geringe Toxizität aufweisen.
5. Sicherere Lösemittel und Hilfsstoffe: Der Einsatz von Hilfsstoffen sollte vermieden oder auf unbedenklichere Substanzen beschränkt werden.
6. Energieeffizienz: Der Energiebedarf chemischer Prozesse sollte minimiert werden, idealerweise durch Reaktionen bei Umgebungstemperatur und -druck.
7. Erneuerbare Rohstoffe: Rohstoffe sollten erneuerbar sein, soweit dies technisch und wirtschaftlich machbar ist.
8. Reduktion von Derivaten: Unnötige Derivatisierungen (Schutzgruppen, temporäre Modifikationen) sollten vermieden werden, da sie zusätzliche Reagenzien und Abfall erzeugen.
9. Katalyse: Katalytische Reagenzien sind stöchiometrischen vorzuziehen.
10. Design für Abbaubarkeit: Chemische Produkte sollten so entwickelt werden, dass sie nach Gebrauch in unbedenkliche Abbauprodukte zerfallen.
11. Echtzeitanalyse: Analysemethoden sollten in Echtzeit während der Synthese eingesetzt werden, um die Bildung gefährlicher Substanzen zu erkennen und zu kontrollieren.
12. Inhärente Sicherheit: Substanzen und Verfahren sollten so gewählt werden, dass das Risiko chemischer Unfälle minimiert wird.

Die zwölf Prinzipien werden international in Forschung und Lehre als Bezugsrahmen genutzt und finden Eingang in wissenschaftliche Bewertungsmethoden wie Lebenszyklusanalysen.

Forschungsansätze zur Reduktion chemischer Schadstoffe

In Forschung und industrieller Praxis werden verschiedene Ansätze verfolgt, um die Entstehung oder den Eintrag von Schadstoffen zu reduzieren.

Substitution gefährlicher Lösemittel

Traditionell wurden in chemischen Prozessen oft Lösemittel wie Benzol, Toluol oder chlorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Forschungsansätze ersetzen diese durch Wasser, überkritisches Kohlendioxid oder ionische Flüssigkeiten. Im industriellen Bereich kommen wasserbasierte Lacksysteme zum Einsatz, die den Anteil flüchtiger organischer Verbindungen reduzieren.

Biokatalyse

Enzyme und Mikroorganismen können chemische Reaktionen unter milden Bedingungen katalysieren, die sonst hohe Temperaturen, Drücke oder aggressive Chemikalien erfordern würden. In der pharmazeutischen Synthese hat sich Biokatalyse bei zahlreichen Wirkstoffsynthesen etabliert.

Effizientere Synthesewege

Die Entwicklung kürzerer Synthesewege kann den Energie- und Materialeinsatz pro Produkt reduzieren. Ein in der Fachliteratur häufig zitiertes Beispiel ist die Synthese von Ibuprofen: Während die ursprüngliche Boots-Synthese aus den 1960er Jahren sechs Schritte umfasste, kommt das von der BHC Company entwickelte und 1992 patentierte Verfahren mit drei katalytischen Schritten aus.

Chemisches Recycling

Beim chemischen Recycling werden Polymere in ihre Monomere zerlegt, die sich anschließend zur Herstellung neuer Kunststoffe einsetzen lassen. Damit ergänzt das Verfahren das mechanische Recycling und ermöglicht in bestimmten Stoffströmen eine höherwertige Wiederverwertung.

Schadstoffvermeidung in der Oberflächentechnik

Die Oberflächentechnik verlängert durch Korrosionsschutz und Verschleißschutz die Lebensdauer von Bauteilen. In den Prozessen der Vorbehandlung, Beschichtung und Nachbehandlung kommen verschiedene Hebel zum Tragen, mit denen sich die Schadstofffracht reduzieren lässt.

• Substitution von Lösemitteln: Wasserbasierte Reiniger und Lacksysteme reduzieren den Einsatz organischer Lösemittel und damit VOC-Emissionen.
• Niedrigtemperaturverfahren: Die Niedrigtemperatur-Zinkphosphatierung arbeitet bei Prozesstemperaturen ab etwa 35 °C, gegenüber 55 bis 70 °C bei klassischen Verfahren. Daraus ergibt sich ein geringerer Energiebedarf.
• Chromfreie Konversionsverfahren: Verfahren auf Basis von Titan- und Zirkoniumverbindungen ersetzen chromhaltige Konversionsbehandlungen. Damit entfällt der Einsatz von Chrom(VI)-haltigen Chemikalien.
• Wertstoffrückgewinnung: Verfahren wie Resolve-T® ermöglichen die Aufbereitung verbrauchter Lösemittel zur Wiederverwendung, statt sie als Sondermüll zu entsorgen.
• Geringere Stoffmengen: Dünnschichttechnologien arbeiten mit Schichtdicken im Nanometerbereich und reduzieren so den Chemikalienverbrauch pro Bauteilfläche.

Häufig gestellte Fragen zu Schadstoffen in der Chemie und Umwelt

Was sind die wichtigsten Schadstoffklassen in der Chemie?
Zu den wichtigsten Schadstoffklassen zählen flüchtige organische Verbindungen (VOC), persistente organische Schadstoffe (POPs), Schwermetalle (insbesondere Chrom VI, Blei, Cadmium, Quecksilber), Treibhausgase (CO₂, CH₄, N₂O) sowie Mikroplastik.

Wie gelangen Schadstoffe aus der Chemie in die Umwelt?
Schadstoffe gelangen über vier Hauptpfade in die Umwelt: über die Luft (Emissionen aus Anlagen, Verbrennung, Lösemittel), über das Wasser (Abwässer, Indirekteinleitungen), über den Boden (Deposition, Sickerwasser) und über Produkte (Abrasion, Auswaschung, Entsorgung).

Was ist der Unterschied zwischen Umweltchemie und Green Chemistry?
Die Umweltchemie analysiert das Verhalten und die Wirkung chemischer Substanzen in der Umwelt — sie ist diagnostisch ausgerichtet. Green Chemistry ist ein 1998 von Anastas und Warner formulierter Forschungsansatz, der die präventive Gestaltung chemischer Produkte und Prozesse zum Ziel hat.

Welche rechtlichen Grundlagen regeln Schadstoffe in der Chemie?
Auf europäischer Ebene sind insbesondere die REACH-Verordnung und die CLP-Verordnung maßgeblich. Auf nationaler Ebene konkretisieren das Chemikaliengesetz (ChemG), die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV), die Bundesimmissionsschutzverordnungen (insbesondere 31. BImSchV für VOC) sowie das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und das Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) die Anforderungen.

Quellen und weiterführende Informationen

• Anastas, P. T. & Warner, J. C. (1998): Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
• Chemikaliengesetz (ChemG)
• Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)
• 31. Bundesimmissionsschutzverordnung (31. BImSchV)
• REACH-Verordnung (ECHA)
• Umweltbundesamt: Themenbereich Chemikalien