Schwimmende Nanopartikel sollen Schadstoffe aus dem Wasser entfernen

Ein Team des Madrider Instituts für Materialwissenschaften (ICMM-CSIC), einer Einrichtung des Ministeriums für Wissenschaft, Innovation und Universitäten, hat eine Methode zur Wasserreinigung entwickelt, die auf der Verwendung von Nanopartikeln (mit einer Größe von einem Milliardstel Meter) basiert. Diese Methode adsorbiert nicht nur Schadstoffe, sondern ermöglicht auch die einfache Rückgewinnung der verwendeten Nanopartikel nach dem Prozess, was die Kosten senkt.

„Das Vorhandensein von Verunreinigungen in wässrigen Medien ist ein Problem, mit dem sich die heutige Gesellschaft und Industrie auseinandersetzen muss“, sagt Javier Pérez-Carvajal, Forscher am ICMM-CSIC und einer der Entwickler dieser neuen Formel.

Derzeit werden verschiedene Methoden zur Dekontamination von Wasser mit Nanopartikeln eingesetzt. Dabei ist die Entfernung oder Rückgewinnung der Partikel entscheidend, um deren Freisetzung in die Umwelt zu verhindern. Ihre Nanogröße erschwert jedoch die einfache Rückgewinnung oder die Rückhaltung mit herkömmlichen Verfahren. „Die eingesetzten Methoden beinhalten Rückgewinnungs- oder Filtrationsprozesse, deren Kosten mit der Größe des Schadstoffs steigen“, ergänzt Pilar Aranda, ebenfalls Forscherin am ICMM-CSIC und Entwicklerin der Methode.

Die Lösung dieses Teams besteht aus nano- und mikrokristallinen Partikeln eines MOF-Netzwerks (ein Akronym für ein Material, das organische Moleküle mit Metallatomen verbindet) mit vielen Poren von nur wenigen Nanometern (einem Millionstel Millimeter) Größe, die organische Schadstoffe im Wasser einfangen. „Diese Partikel interagieren miteinander und bilden Mikroobjekte, die dazu neigen, auf der Wasseroberfläche zu schwimmen und sich so leicht entfernen lassen, sobald sie ihre Funktion erfüllt haben“, erklärt Pérez-Carvajal.

Im Gegensatz zu diesem Verfahren nutzen traditionelle Methoden physikalische Eigenschaften, um Nanopartikel von Wasser zu trennen, wie beispielsweise die Zentrifugation, die die Sedimentation durch die Zentrifugalkraft beschleunigt, oder die Ultrafiltration, bei der Wasser durch Membranen gepumpt wird, die Nanopartikel einfangen, die größer als die Poren dieser Membranen sind. Ihre Anwendung erfordert jedoch eine externe Energiequelle.

„Traditionell ist für die Rückgewinnung von Nanopartikeln aus der Umwelt ein hoher Energieaufwand erforderlich. Obwohl sie organische Schadstoffe sehr effizient entfernen, kann ihre Entfernung problematisch sein oder den Einsatz zu kostspieliger Verfahren erfordern“, erklärt Aranda.

Diese neue Entwicklung ist nachhaltig, da sie „die Kosten für die Rückgewinnung adsorbierender Mikro- und Nanopartikel senkt, da keine Zentrifugation oder andere gängige Methoden erforderlich sind. Zudem verhindert sie die Bildung von Schlamm“, fügt der Forscher hinzu. Für diese Technologie wurde bereits ein vorrangiges europäisches Patent erteilt, und sie steht für Labordemonstrationen zur Verfügung.

Darüber hinaus können die schwimmenden Membranen, die sich beim Zusammenwachsen der Nanopartikel bilden, nicht nur Schadstoffe adsorbieren, sondern auch katalytische Effekte haben und beispielsweise bestimmte Farbstoffe abbauen. Pérez-Carvajal erklärt, dass dieses System „schnell und vergleichbar mit der Ultrafiltration ist, jedoch den Vorteil hat, dass keine externe Energiezufuhr erforderlich ist“.