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Nanotechnologie für Wasserfilter

21.07.2011
In der Nanotechnologie sind in den letzten Jahren neue Werkstoffe mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten entstanden, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren.

Es handelt sich dabei um zylindrische Werkstoffe aus Kohlenstoff mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern – ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Diese Nanoröhren besitzen außergewöhnliche elektronische, mechanische und chemische Eigenschaften und können u.a. zur Reinigung von kontaminiertem Wasser verwendet werden. WissenschafterInnen der Universität Wien publizierten dazu in der renommierten Fachzeitschrift "Environmental Science & Technology".


Kohlenstoffnanoröhren im Elektronenmikroskop
(Copyright: Universität Wien)


Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Kohlenstoffnanoröhre (Copyright: Universität Wien)

Neben vielen anderen Anwendungsmöglichkeiten können Nanoröhren zur Reinigung von kontaminiertem Wasser eingesetzt werden. Viele wasserverunreinigende Stoffe haben eine hohe Affinität für Kohlenstoffnanoröhren. Deshalb können Schadstoffe aus kontaminiertem Wasser entfernt werden, indem sie durch dieses Material gefiltert werden, wie z.B. wasserlösliche Medikamente, die mit Aktivkohle kaum von Wasser getrennt werden können. Da Nanoröhren eine sehr große Oberfläche (ca. 500 m2 pro Gramm) aufweisen und dadurch hohe Mengen an Schadstoffen fixieren, kommt es zu keiner schnellen Filtersättigung. "Wartungsarbeiten und Abfälle im Zusammenhang mit der Reinigung von kontaminierten Gewässern könnten so minimiert werden", zeigt sich Thilo Hofmann, Vizedekan der Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie der Universität Wien, optimistisch.

Kohlenstoffnanoröhren auf Umweltverträglichkeit prüfen

In den vergangenen zehn Jahren wurde bereits viel zum Thema Kohlenstoffnanoröhren geforscht; die Untersuchungen gestalten sich jedoch aufgrund der besonderen Eigenschaften der Nanoröhren als schwierig und Standardmethoden liefern nur begrenzt Ergebnisse. So ist das Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren in der Umwelt noch weitgehend unerforscht. "Innovative Technologien sind jedoch immer mit Vor- und Nachteilen für Mensch und Umwelt behaftet. Daher sind – bevor diese Filter zum Einsatz kommen – ein gutes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und Kohlenstoffnanoröhren sowie das Wissen um ihr Verhalten unter natürlichen Bedingungen essentiell", erklärt Mélanie Kah, die zusammen mit Xiaoran Zhang das Forschungsprojekt bearbeitet.

Ein Team des Departments für Umweltgeowissenschaften der Universität Wien erforscht derzeit die Umweltverträglichkeit von Nanoröhren mit einer neu entwickelten Methode, mit der auch sehr niedrige Schadstoffkonzentrationen, wie sie in der Umwelt vorkommen, analysiert werden können. Mit den bisherigen, klassischen Verfahren konnte das Verhalten der Schadstoffe nur bei höheren Konzentrationen untersucht werden.

Die für die Publikation im Fachmagazin "Environmental Science & Technology" notwendigen Experimente dauerten über ein Jahr. Die WissenschafterInnen entwickelten zunächst eine passive Probenahme-Methode, die es erlaubt, die Affinität von krebserregenden Schadstoffen – nämlich von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) – für Kohlenstoffnanoröhren zu bestimmen. "Das Verfahren entwickelten wir unter Verwendung von analytischer Chemie und Elektronenmikroskopie gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Utrecht in den Niederlanden", erklärt Thilo Hofmann. Auf Basis dieser Methode untersuchten die NanowissenschafterInnen die Absorptions- und Adsorptionseigenschaften von mehreren Schadstoffen (PAKs) für die Kohlenstoffnanoröhrchen.

Schadstoffe kämpfen um Plätze auf den Nanoröhren

Ein weiterer Aspekt der untersucht wurde, ist das Phänomen der Konkurrenz unter Schadstoffen. In der Umwelt – insbesondere in kontaminierten Gewässern – liegt eine Vielzahl von unterschiedlichen Chemikalien vor. Bei einem Schadstoffgemisch konkurrieren die einzelnen Komponenten um die Adsorptionsplätze an den Kohlenstoffnanoröhren. Für die Verwendung der Nanoröhren als Filtermaterialien ist dieser "Konkurrenzkampf" jedoch von Nachteil, da die Wirksamkeit des Filters nach der Menge und der Art der Verunreinigung variieren würde. Durch das Erforschen der Konkurrenzverhältnisse unter Schadstoffen um Adsorptionsplätze könnten dann auch Fragen bezüglich des Sorptionsmechanismus beantwortet werden.

Unter Verwendung der klassischen Methoden mit relativ hohen Schadstoffkonzentrationen konnte nachgewiesen werden, dass die Konkurrenz unter drei PAKs um die Adsorptionsplätze sehr stark ist. Im Gegensatz dazu zeigten die neuen Experimente mit dem passiven Probenahme-Verfahren bei Schadstoffkonzentrationen von 13 PAKs, die in der Umwelt wahrscheinlich sind, dass keine Konkurrenz auftritt. Dieses Beispiel unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung und Verwendung von experimentellen Methoden, die Ergebnisse für umweltrelevante Fragestellungen liefern können. Allerdings sind noch einige offene Fragen zu beantworten, bevor Kohlenstoffnanoröhren zur Wasserreinigung eingesetzt werden können. "Wir arbeiten an diesem Thema und werden bald weitere Ergebnisse auf internationalen Konferenzen vorstellen können", so Umweltgeowissenschafter Hofmann.

Publikation
Measuring and Modeling Adsorption of PAHs to Carbon Nanotubes Over a Six Order of Magnitude Wide Concentration Range: Melanie Kah, Xiaoran Zhang, Michiel T.O. Jonker, and Thilo Hofmann. In: Environmental Science & Technology, 2011, 45 (14), pp 6011-6017. DOI: 10.1021/es2007726.
Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. habil. Thilo Hofmann
Leiter des Departments für Umweltgeowissenschaften
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14
T +43-1-4277-533 20
thilo.hofmann@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Öffentlichkeitsarbeit
Universität Wien
1010 Wien, Dr.-Karl-Lueger-Ring 1
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Veronika Schallhart | Universität Wien
Weitere Informationen:
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