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Effiziente Wasserreinigung : Klärwerke im Nanoformat

  • -Aktualisiert am

Trinkbares Wasser aus dem Wasserhahn ist in vielen Ländern keine Selbstverständlichkeit. Bild: dpa

Der Zugang zu sauberem Wasser ist in vielen Regionen nicht selbstverständlich. Abhilfe könnten magnetische Nanopartikeln schaffen. Unterschiedliche Schadstoffe lassen sich damit aus stark verschmutztem Wasser effizient entfernen.

          3 Min.

          Mehr als zwei Milliarden Menschen auf der Erde haben keinen Zugang zu sauberem Wasser. Vor allem in den ärmeren Regionen der Welt ist Trinkwasser oft knapp und noch dazu von geringer Qualität: Das Wasser enthält Schwermetalle, Düngemittelrückstände oder Keime, die Krankheiten wie Cholera verursachen können. Diese Schadstoffe lassen sich mit speziellen Filtern entfernen, was allerdings technisch aufwendig ist. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Ulm und Zaragoza hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, der kontaminiertes Wasser zuverlässig reinigt und eine einfache Handhabung verspricht. Die Forscher stellten poröse Nanopartikel her, die mehrere Schadstoffklassen gleichzeitig aufnehmen und binden können. Da die Partikel einen Kern aus Eisenoxid besitzen, lassen sie sich – mitsamt den anhaftenden Schadstoffen – durch einen Magneten aus dem Wasser fischen. Zurück bleibt sauberes Wasser.

          Dem englischen Gelehrten Sir Francis Bacon wird zugeschrieben, dass er zu Beginn des siebzehnten Jahrhunderts als Erster versucht habe, die Wasserqualität mit Hilfe von Filtern zu verbessern. Allerdings wollte er Meerwasser mit Sand entsalzen. Zwar misslang der Versuch, Bacon begründete aber damit ein neues Forschungsgebiet. Heute ist es in den Industrienationen Stand der Technik, Wasser aus diversen Quellen mit Hilfe von technischen Verfahren in sauberes Trinkwasser zu verwandeln. In einer Aufbereitungsanlage sind meist mehrere Reinigungsverfahren, darunter auch Filtrationen, hintereinandergeschaltet. Für die Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern ist diese Technik, weil für die unterschiedlichen Schadstoffe jeweils spezielle Filter benötigt werden, in der Regel nicht geeignet.

          Deutlich weniger technischen Aufwand erfordert das Verfahren, das Forscher um Carsten Streb und Robert Güttel von der Universität Ulm und Scott Mitchell vom Aragón-Institut für Materialforschung Zaragoza entwickelt haben. Die Chemiker benötigen nach eignen Aussagen zum Reinigen von verschmutztem Wasser lediglich einen Magneten und ein weißes Pulver, das sie in den Laboren in Ulm hergestellt haben. Das Pulver besteht aus Nanopartikeln mit einem Kern aus magnetischem Eisenoxid, das von einer Schicht aus porösem Siliziumdioxid umhüllt ist.

          Vorher-Nachher-Wasserreinigung: links ein Behälter mit  Mikroplastik verunreinigtem Wasser;  rechts sauberes Wasser nach der Behandlung mit den magnetischen Nanopartikeln behandelt.

          Diese Teilchen haben die Forscher mit einer weiteren Substanz beschichtet, und zwar mit einer sogenannten ionischen Flüssigkeit. Dabei handelt es sich um eine Substanz, die ähnlich wie Kochsalz aus positiv und negativ geladenen Ionen besteht, aber schon bei Raumtemperatur zähflüssig ist. Die von den Forschern verwendete ionische Flüssigkeit enthält Polyoxometallat-Anionen, die sich gut mit Schwermetallen verbinden, und Tetraalkylammonium-Kationen, denen antimikrobielle Eigenschaften zugeschrieben werden.

          Wirksam auch gegen Keime und Mikroplastik 

          Die Wissenschaftler testeten die Reinigungsfähigkeit der rund 16 Nanometer großen Partikel im Labor. In ersten Versuchen gaben sie das Pulver zu schwermetallhaltigen Wasserproben hinzu. Blei, Nickel, Kupfer, Mangan und Kobalt waren darin in gesundheitsrelevanten Konzentrationen enthalten. Mit Hilfe der Teilchen gelang es, zwischen 75 und 99 Prozent der Schadstoffe zu entfernen. Dazu wurden die Wasserproben zunächst längere Zeit gerührt und die beladenen Nanopartikel dann mit einem Magneten herausgefischt. Weitere Versuche erfolgten mit dem Farbstoff Patentblau V. Dieser diente den Forschern als Modellsubstanz für aromatische Verbindungen, die man beispielsweise häufig in Abwässern der Textilindustrie vorfindet. Auch hier ließen sich durch eine Behandlung mit den Nanopartikeln 99 Prozent des Farbstoffs entfernen. Weiterhin konnten die Forscher zeigen, dass die Teilchen auch eine antibakterielle Wirkung haben und das Wachstum von verschiedenen Bakterienarten stoppen, darunter Erreger vom Typ Escherichia coli und Bacillus subtilis.

          Pulver mit Vierfach-Reinigungskraft: Der Eisenoxidkern macht die Nanopartikeln magnetisch und verleiht ihnen die rotbraune Farbe.

          Wirksam sind die magnetischen Nanoteilchen offenkundig auch bei Mikroplastik. Die winzigen Plastikkügelchen mit Dimensionen von wenigen Millimetern sind inzwischen in der Umwelt weit verbreitet, so auch in vielen Gewässern. Tests zeigten, dass sich die Nanopartikel gezielt an die Plastikteilchen anlagern, die in mit Wasser gefüllten Bechergläsern schwammen. Mit einem Magneten konnte das Plastik fast vollständig aus den Wasserproben entfernt werden.

          Die Chemiker wollen im nächsten Schritt in einem Freilandversuch testen, ob ihr Verfahren auch tatsächlich praxistauglich ist. Dazu will man das Wasser eines stark verunreinigten Teichs säubern und prüfen, wie sich die Nanopartikel bei Kontakt mit Algen und natürlichen Schwebeteilchen verhalten. Parallel dazu arbeiten die Forscher an Recycling-Verfahren, mit denen die magnetischen Nanopartikel von den Schadstoffen befreit werden können, um sie wiederzuverwenden.

          Insgesamt erscheint das in Ulm und Zaragoza ersonnene Verfahren ein vielversprechender Ausgangspunkt für die Wasseraufbereitung zu sein, da es ohne umfangreiche Infrastruktur auskommt. Da die Partikel als Komposit aufgebaut sind, kann jeder Bestandteil einzeln variiert werden. So sind weitere Optimierungen möglich, und das Pulver kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Denkbar sind verschmutzte Brunnen oder Oberflächenwasser in Entwicklungsländern, aber auch Gewässer, in die Schadstoffe durch technische Defekte oder Naturkatastrophen gelangt sind. Bis zur ersten Pilotanlage, in der das zu reinigende Wasser in einem Kreislaufsystem umläuft, wird es  allerdings noch etwas dauern.

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