Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Erstellung, Anpassung und Anwendung einer Methode, die es über die Quantifizierung gebildeter OH-Radikale ermöglicht, sowohl den Einfluss verschiedener Materialmodifikationen (physikalisch dotierte Nanokatalysatoren bzw. Biokompositmaterialien) als auch die Auswirkungen von Matrixbestandteilen oder hydrochemischen Randbedingungen auf die photokatalytische Effizienz der Materialien zu untersuchen. Zudem wurde angestrebt, dass sich die Anwendbarkeit der Methode nicht nur auf die Photokatalyse beschränkt, sondern auch auf andere AOPs ausgeweitet werden kann. Des Weiteren wurde über die Umsetzung der Modellspurenstoffe Carbamazepin und Diclofenac die Wirksamkeit der Katalysatormaterialien untersucht. Anhand von Versuchen im Labormaßstab werden unter Anwendung der entsprechenden Methode zur Quantifizierung der OH-Radikale bisherige zugrundeliegende Hypothesen zur photokatalytischen Erzeugung von OH-Radikalen (Einfluss von pH und Oberfläche) überprüft und modifiziert. Dabei werden neue Ansätze zur Oberflächenabhängigkeit der OH-Radikalbildung in AOPs (EAOP Diamantelektrode, UV/VUV), die Effizienz von UV/VUV im Vergleich zu UVA-Photokatalyse, die Anwendung von S-Layer-Proteinen in photokatalytischen Biokompositmaterialien sowie eine photokatalytische Umsetzung von Carbamazepin unter Nutzung neuartiger Katalysatoren und Sonnenlicht untersucht. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse ist es möglich, photokatalytisch aktive Materialien über die OH-Radikalbildungskapazität, als Basisprozess einer photokatalytischen Eliminierung von pharmazeutischen Wirkstoffen aus Wässern, mit Hinblick auf ihre Effizienz und Haltbarkeit zu untersuchen. Daneben bietet das erstellte Konzept zur analytischen Anwendung der OH-Radikalbestimmung neben der Gelegenheit für interessante Vergleiche diverser AOP-Systeme auch die Möglichkeit einer Charakterisierung und Optimierung der einzelnen AOPs. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Anwendung von nano-Biokompositmaterialien unter Verwendung von S-Layer-Protein zur Herstellung multifunktionaler photokatalytischer Beschichtungen vielversprechend ist. Die Ergebnisse der Arbeit unterstreichen, dass die analytische Erfassung von Transformationsprodukten aus photokatalytischen bzw. oxidativen Umsetzungen im Allgemeinen von großer Bedeutung ist, jedoch allein nicht ausreicht, um hinreichend sichere Aussagen über eine mögliche Gefährdung für Mensch bzw. Ökosystem zu erhalten. / The current work was focused on the preparation, adaption and application of an analytical method for the determination of OH radicals for the comparison of the activity of different photocatalytic materials in relation to the material modification (i.e. physically doped nanomaterials or biocomposite materials) and the composition of the water matrix. Furthermore, the application of the OH radical assay should be extended on other AOPs. The degradation of the model compounds carbamazepine and diclofenac was examined to determine the efficiency of the novel photocatalysts. By using appropriate OH radical assays in laboratory scale experiments, present hypotheses in relation to the photocatalytic formation of OH radicals (i.e. influence of pH or surface) were examined and modified. New approaches on the formation of OH radicals with respect to the surface within AOPs (EAOP diamond electrodes or UV/VUV), the efficiency of UV/VUV in relation to photocatalysis using UVA irradiation, the application of S-layer proteins in biocomposite materials and the photocatalytic degradation of carbamazepine applying novel photocatalysts and natural sunlight were examined. Based upon the findings, it was possible to compare photocatalytic materials regarding efficiency and stability by means of the capacity to form OH radicals as the base process for the oxidative degradation of pharmaceutical trace compounds. The analytical concept offers the possibility to compare different AOPs and to characterize or optimize a single AOP. Furthermore, it was shown that the implementation of nanoscale biocomposite materials using S-layer proteins for the preparation of multi-functional coatings for photocatalytic applications is promising. In addition, the current work confirmed that the examination of transformation products of photocatalytic treatment processes or other oxidative reactions is very important. However, the analytical characterization alone is not sufficient to predict potential hazards to human health or the ecosystem with adequate reliability.

Zur Entfernung von anthropogenen organischen Spurenstoffen werden bei der Wasseraufbereitung sehr oft Aktivkohle-Festbettadsorber eingesetzt. Dabei konkurrieren die organischen Einzelstoffe während des Adsorptionsprozesses mit dem adsorbierbaren Anteil der natürlichen Wasserinhaltsstoffe um die aktiven Zentren der Aktivkohle. Durch dieses Konkurrenzverhalten ist es sehr schwierig, für einen zu untersuchenden organischen Einzelstoff seine Entfernbarkeit mittels Aktivkohle abzuschätzen. Gleichzeitig werden der Liste der aus dem Wasser zu entfernenden Substanzen ständig neue Stoffe hinzugefügt. Deshalb wäre es wünschenswert, eine schnelle, einfache und kostengünstige Methode zu haben, mit der unter wasserwerksnahen Bedingungen die Entfernbarkeit eines organischen Einzelstoffs bei der Aktivkohlefiltration in einem Großfilter bestimmt werden kann. Da die bisher entwickelten Methoden nicht in der Lage sind, all diese Vorgaben zu erfüllen, sollte im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode zur Beurteilung der Entfernbarkeit organischer Einzelstoffe mittels Aktivkohlefiltration entwickelt werden. Es wurde ein Aktivkohle-Kleinfiltertest konzipiert und aufgebaut, der eine Einstufung von organischen Substanzen, die auf den Rückhaltepotenzialen von Aktivkohlefiltern basiert, ermöglichen soll. Um die Einstufung nach Sontheimer in trinkwasserrelevante und nicht-trinkwasserrelevante Substanzen vornehmen zu können, wurde ein spezielles Bewertungskonzept entwickelt, das auf die Aktivkohle-Kleinfiltertest-Durchbruchskurven der verschiedenen organischen Einzelstoffe angewendet werden kann. Da der Kleinfiltertest einfach und kostengünstig durchzuführen sein sollte, wurde bei der Auslegung des gesamten Versuchaufbaus darauf geachtet, dass nur Zukaufteile oder Teile verwendet wurden, die sich aus Glas fertigen ließen. Die Versuchsparameter wurden so gewählt, dass die Versuchsvorbereitung und -durchführung nicht zu zeit- und arbeitsintensiv ist. Als Standard für die Versuchsdurchführung wurde eine handelsübliche und in der Wasseraufbereitung weitverbreitete Kohlesorte (F 300) und als Matrix Leitungswasser verwendet. Die Filterzulaufkonzentration des organischen Einzelstoffs wurde auf 500 µg/l festgelegt. Durch verschiedene Vorversuche konnte gezeigt werden, dass der Aktivkohle-Kleinfilter die kinetischen Vorgaben erfüllt und es zu keinen unerwünschten Effekten wie Kanalbildung oder Randeinflüssen kommt. Die Validierung der neu entwickelten Versuchsmethode ergab, dass die Kleinfilter-Durchbruchskurven von Substanzen, deren Entfernbarkeit in Aktivkohlefiltern von Wasserwerken bekannt ist (1,1,1-Trichlorethan, EDTA, Trichlorethen, Atrazin, Isoproturon), plausibel sind. Die Durchbruchsreihenfolge und der Durchbruchsbeginn der einzelnen Substanzen im Kleinfilter waren identisch mit denen in einem Großfilter. Zudem war die Trennschärfe des Kleinfilters für die schlecht (1,1,1-Trichlorethan und EDTA), mäßig (Trichlorethen) und gut (Atrazin und Isoproturon) zu entfernenden Substanzen ausreichend, so dass eine Einstufung in Entfernbarkeitsklassen ohne Probleme vorgenommen werden konnte. Um die organischen Einzelstoffe aufgrund der mit dem Kleinfiltertest aufgenommenen Durchbruchskurven einstufen zu können, musste ein Kriterium für die Trinkwasserrelevanz nach Sontheimer gefunden werden, das sich direkt aus den Durchbruchskurven ableiten lässt. Es bot sich an, eine bestimmte Ablaufkonzentration, die nach einer bestimmten Versuchslaufzeit erreicht wird, als Kriterium festzulegen. Durch die Durchbruchskurven der Stoffe, die bei der Validierung des Kleinfiltertests zum Einsatz kamen, wurde das Kriterium bei einem 10%igen Durchbruch nach 15000 BVT festgelegt. Mit Hilfe des Bewertungskonzepts wurden verschiedene organische Einzelstoffe, deren Entfernbarkeit in einem Wasserwerks-Aktivkohleadsorber nicht oder nur unzureichend bekannt war, anhand der jeweiligen Kleinfilter-Durchbruchskurven eingestuft (MTBE, ETBE, Amidotrizoesäure, Iopamidol).