Innovativer Schwamm saugt Schwermetalle aus dem Wasser
Ein US-amerikanisches Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, um Wasser zu reinigen. Sie könnte auch problemlos in Privathaushalten eingesetzt werden. Das Ergebnis sei gesundheitlich unbedenkliches Trinkwasser. Gleichzeitig könnte das Verfahren dazu dienen, wertvolle Metalle aus Wasser zu gewinnen.
Sauberes Wasser ist kostbar. Eine einfache Methode könnte bei der Reinigung helfen.
Foto: panthermedia.net/VadimVasenin
Forschende an der Northwestern University beschäftigen sich schon seit vielen Jahren damit, wie Wasser schnell und unkompliziert von verschiedenen Formen der Verschmutzungen gereinigt werden kann. Erst vor zwei Jahren hat ein Team um Vinayak Dravid einen Schwamm vorgestellt, mit dem sich ausgelaufenes Öl aus dem Wasser entfernen lässt. Dravid ist Abraham-Harris-Professor für Materialwissenschaft und Technik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Direktor für globale Initiativen am International Institute for Nanotechnology. Der Ölschwamm wird inzwischen von der Northwestern-Ausgründung MFNS Tech vermarktet. Für Dravid war damit klar, dass dieser Weg funktioniert – jetzt wendet er ihn auch bei Schwermetallen an.
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Spezielle Beschichtung des Schwamms bindet Schwermetalle im Wasser
„Schwermetalle in der Wasserversorgung sind eine enorme Herausforderung für die öffentliche Gesundheit auf der ganzen Welt“, sagt Dravid. „Es ist ein Gigatonnen-Problem, das Lösungen erfordert, die einfach, effektiv und kostengünstig eingesetzt werden können. Hier kommt unser neuer Schwamm ins Spiel. Er kann die Verschmutzung entfernen und dann immer wieder verwendet werden.“
Das Grundprinzip ist ein Schwamm, der mit einer ultradünnen Schicht aus Nanopartikeln beschichtet ist. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen testeten zahlreiche verschiedene Zusammensetzung für die Nanopartikel, bis klar war, dass eine mit Mangan dotierte Goethitbeschichtung am besten funktioniert – mit Mangan dotierte Goethit-Nanopartikel sind in der Lage, Schwermetalle selektiv zu beseitigen. Außerdem haben sie weitere wichtige Eigenschaften, die für einen großflächigen Einsatz unverzichtbar sind: Sie sind für den Menschen nicht giftig, und sie sind leicht verfügbar sowie günstig herzustellen.
Schwamm für die Trinkwasserreinigung lässt sich wiederverwenden
„Man braucht ein Material mit einer großen Oberfläche, damit die Blei-Ionen mehr Platz haben, um daran zu haften“, sagt Benjamin Shindel, Doktorand in Dravids Labor. „Diese Nanopartikel haben eine große Oberfläche und viele reaktive Oberflächenstellen für die Adsorption und sind stabil, sodass sie viele Male wiederverwendet werden können.“
Das Team synthetisierte Aufschlämmungen von Mangan-dotierten Goethit-Nanopartikeln sowie verschiedene andere Zusammensetzungen von Nanopartikeln und beschichtete handelsübliche Zelluloseschwämme mit diesen Aufschlämmungen. Anschließend spülten sie die beschichteten Schwämme mit Wasser ab, um alle losen Partikel wegzuwaschen. Die endgültigen Beschichtungen hatten eine Dicke von nur einigen zehn Nanometern.
Mit dem Schwamm wertvolle Stoffe aus Wasser gewinnen
Die praktischen Ergebnisse sind sehr positiv: Beim Eintauchen in kontaminiertes Wasser bindet der mit Nanopartikeln beschichtete Schwamm effektiv Blei-Ionen. Die U.S. Food and Drug Administration schreibt vor, dass abgefülltes Trinkwasser weniger als fünf Teile pro Milliarde Blei enthalten darf. In Filtrationsversuchen senkte der Schwamm nach Angaben der Forschenden die Bleikonzentration auf etwa zwei Teile pro Milliarde, also auf Trinkwasserqualität.
Anschließend spülte das Team den Schwamm mit leicht angesäuertem Wasser aus. Die saure Lösung bewirkte, dass der Schwamm die Blei-Ionen freisetzte und erneut verwendet werden konnte. Obwohl die Leistung des Schwamms nach der ersten Verwendung nachließ, konnte er bei den nachfolgenden Verwendungszyklen immer noch mehr als 90 Prozent der Ionen zurückgewinnen.
Das Interessante an dem Schwamm ist nicht nur seine Fähigkeit, Wasser auf eine unkomplizierte Weise von Schwermetallen zu befreien. Gleichzeitig kann er dazu dienen, seltene, kritische Metalle wie Kobalt aus Wasserquellen zu gewinnen – beispielsweise Kobalt, das für Lithium-Ionen-Batterien benötigt wird.
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Anwendung für andere Substanzen wäre möglich
Die Forschenden haben in ihrer Studie zusätzlich Konstruktionsregeln für die Optimierung ähnlicher Plattformen zur Entfernung und Rückgewinnung anderer Schwermetalltoxine aufgezeigt – etwa für Kadmium, Arsen und Chrom.
Dravid und sein Team stellen sich vor, dass ihr Schwamm in kommerziellen Wasserfiltern, bei der Umweltsanierung oder als zusätzlicher Schritt in Wasserrückgewinnungs- und -aufbereitungsanlagen eingesetzt werden könnte. „Diese Arbeit kann sowohl für lokale als auch für globale Probleme der Wasserqualität von Bedeutung sein“, sagt Shind.
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