Forscher entwickeln effiziente Filter auf Basis von Zelluloseabfällen

Die Verwendung von Abfällen zur Wasseraufbereitung mag kontraintuitiv klingen. Doch genau das ist an der TU Wien nun gelungen. Forscher haben eine spezielle Nanostruktur entwickelt, um eine weit verbreitete Klasse schädlicher Farbstoffe aus Wasser zu filtern.

Ein entscheidender Bestandteil ist ein Material, das als Abfall gilt: gebrauchte Zellulose, beispielsweise in Form von Putzlappen oder Pappbechern. Die Zellulose wird zur Beschichtung eines feinen Nanogewebes verwendet, um einen effizienten Filter für verschmutztes Wasser zu schaffen. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Kleine Wissenschaft.

Farbiges Gift im Wasser

Organische Farbstoffe stellen die größte Gruppe synthetischer Farbstoffe dar, darunter auch sogenannte Azoverbindungen. In der Textilindustrie sind sie weit verbreitet, selbst in Ländern, in denen Umweltschutz kaum Beachtung findet, und die Farbstoffe landen oft im ungefilterten Abwasser.

„Das ist gefährlich, weil solche Farbstoffe sehr langsam abgebaut werden, sie können lange im Wasser verbleiben und eine große Gefahr für Mensch und Natur darstellen“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien.

Es gibt verschiedene Materialien, die solche Farbstoffe binden können. Aber das allein reicht nicht aus. „Wenn man das verschmutzte Wasser einfach über eine Filterfolie fließen lässt, die Farbstoffe binden kann, ist die Reinigungswirkung gering“, erklärt Rupprechter.

„Es ist viel besser, ein Nanogewebe aus vielen winzigen Fasern herzustellen und das Wasser durchsickern zu lassen.“ Das Wasser kommt dann mit einer viel größeren Oberfläche in Kontakt und dadurch können viel mehr organische Farbstoffmoleküle gebunden werden.

Zelluloseabfälle als Nanofilter

„Wir arbeiten mit teilkristalliner Nanozellulose, die aus Abfallstoffen hergestellt werden kann“, sagt Qaisar Maqbool, Erstautor der Studie und Postdoc in Rupprechters Forschungsgruppe. „Für ähnliche Zwecke werden häufig metallhaltige Stoffe eingesetzt. Unser Material hingegen ist völlig unbedenklich für die Umwelt und wir können es auch durch Upcycling von Altpapier herstellen.“

Diese Nanozellulose wird zusammen mit dem Kunststoff Polyacrylnitril zu Nanostrukturen „gesponnen“. Dies erfordert jedoch viel technisches Geschick. Erfolgreich war das Team der TU Wien mit einem sogenannten Elektrospinning-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird das Material in flüssiger Form versprüht, die Tröpfchen werden elektrisch aufgeladen und durch ein elektrisches Feld geschickt.

„Dadurch wird sichergestellt, dass die Flüssigkeit beim Aushärten extrem feine Fäden mit einem Durchmesser von 180 bis 200 Nanometern bildet“, sagt Rupprechter. Diese Fäden bilden ein feines Gewebe mit großer Oberfläche – ein sogenanntes „Nanoweb“. Auf einem Quadratzentimeter kann ein Fadengeflecht mit einer Gesamtfläche von mehr als 10 cm2 verlegt werden.

Erfolgreiche Tests

Die Tests mit diesen zellulosebeschichteten Nanostrukturen verliefen sehr erfolgreich: In drei Zyklen wurde mit violettem Farbstoff verunreinigtes Wasser gereinigt und 95 % des Farbstoffs entfernt. „Die Farbstoffe bleiben im Nanoweb gespeichert. Anschließend kann man entweder das gesamte Vlies entsorgen oder es regenerieren, die gespeicherten Farbstoffe auflösen und das Filtergewebe wiederverwenden“, erklärt Rupprechter.

Es muss jedoch noch mehr Arbeit geleistet werden: die mechanischen Eigenschaften der hochentwickelten Nanonetze bewerten, Biokompatibilitätstests durchführen, die Empfindlichkeit gegenüber komplexeren Schadstoffen beurteilen und eine Skalierbarkeit auf Industriestandards erreichen.

Nun wollen Rupprechter und sein Forschungsteam untersuchen, wie sich diese Farbstofffiltertechnologie auf andere Anwendungsbereiche übertragen lässt.

„Diese Technologie könnte auch für den medizinischen Bereich sehr interessant sein“, glaubt Rupprechter. „Auch bei der Dialyse müssen beispielsweise ganz bestimmte chemische Stoffe aus einer Flüssigkeit herausgefiltert werden.“ Beschichtete Nanogewebe können für solche Anwendungen nützlich sein.