Wasser reinigen mit „Smart Rust“ und Magneten

Wenn man Rostflecken ins Wasser schüttet, wird es normalerweise schmutziger. Aber Forscher haben spezielle Eisenoxid-Nanopartikel entwickelt, die sie „Smart Rust“ nennen und die es tatsächlich sauberer machen. Smart Rust kann je nach Beschichtung der Partikel viele Stoffe anziehen, darunter Öl, Nano- und Mikroplastik sowie das Herbizid Glyphosat. Und weil die Nanopartikel magnetisch sind, können sie mit einem Magneten ganz einfach zusammen mit den Schadstoffen aus dem Wasser entfernt werden. Jetzt berichtet das Team, dass sie die Partikel so verändert haben, dass sie Östrogenhormone einfangen, die potenziell schädlich für Wasserlebewesen sind.

Ihre Ergebnisse stellen die Forscher heute auf der vor Herbsttreffen der American Chemical Society (ACS).

„Unser ‚intelligenter Rost‘ ist billig, ungiftig und recycelbar“, sagt Marcus Halik, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts. „Und wir haben den Einsatz bei allen Arten von Verunreinigungen nachgewiesen und das Potenzial dieser Technik für eine drastische Verbesserung der Wasseraufbereitung aufgezeigt.“

Seit vielen Jahren erforscht Haliks Forschungsteam umweltfreundliche Möglichkeiten, Schadstoffe aus Wasser zu entfernen. Als Grundmaterial dienen Eisenoxid-Nanopartikel in superparamagnetischer Form, das heißt, sie werden von Magneten angezogen, nicht aber voneinander, sodass die Partikel nicht verklumpen.

Um sie „intelligent“ zu machen, entwickelte das Team eine Technik, um Phosphonsäuremoleküle an die nanometergroßen Kügelchen zu binden. „Nachdem wir eine Schicht der Moleküle auf die Eisenoxidkerne aufgetragen haben, sehen sie aus wie Haare, die aus der Oberfläche dieser Partikel herausragen“, sagt Halik, der an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg arbeitet. Durch die Veränderung dessen, was an der anderen Seite der Phosphonsäuren gebunden ist, können die Forscher dann die Eigenschaften der Nanopartikeloberflächen so anpassen, dass sie verschiedene Arten von Schadstoffen stark adsorbieren.

Frühe Versionen von Smart Rust fingen Rohöl aus Wasser aus dem Mittelmeer und Glyphosat aus Teichwasser ein, das in der Nähe der Universität der Forscher gesammelt wurde. Darüber hinaus zeigte das Team, dass Smart Rust Nano- und Mikroplastik entfernen kann, das Labor- und Flusswasserproben zugesetzt wird.

Bisher konzentrierte sich das Team auf Schadstoffe, die meist in großen Mengen vorhanden sind. Lukas Müller, ein Doktorand, der auf dem Treffen seine neuen Arbeiten vorstellt, wollte wissen, ob er die Rost-Nanopartikel so modifizieren könnte, dass sie Spurenverunreinigungen wie Hormone anziehen. Wenn einige der Hormone des menschlichen Körpers ausgeschieden werden, werden sie ins Abwasser gespült und gelangen schließlich in die Gewässer. Natürliche und synthetische Östrogene sind eine solche Gruppe von Hormonen, und die Hauptquellen dieser Schadstoffe sind Abfälle von Menschen und Nutztieren. Die Mengen an Östrogenen seien in der Umwelt sehr gering, so Müller, daher seien sie nur schwer zu entfernen. Es wurde jedoch gezeigt, dass selbst diese Konzentrationen den Stoffwechsel und die Fortpflanzung einiger Pflanzen und Tiere beeinflussen, obwohl die Auswirkungen niedriger Konzentrationen dieser Verbindungen auf den Menschen über lange Zeiträume nicht vollständig bekannt sind.

„Ich habe mit dem häufigsten Östrogen Östradiol begonnen und dann vier weitere Derivate mit ähnlichen Molekülstrukturen“, sagt Müller. Östrogenmoleküle haben einen sperrigen Steroidkörper und Teile mit leicht negativen Ladungen. Um beide Eigenschaften zu nutzen, beschichtete er Eisenoxid-Nanopartikel mit zwei Gruppen von Verbindungen: einer langen und einer positiv geladenen. Die beiden Moleküle organisierten sich auf der Oberfläche der Nanopartikel, und die Forscher gehen davon aus, dass sie zusammen viele Milliarden „Taschen“ bilden, die das Östradiol ansaugen und an Ort und Stelle festhalten.

Da diese Taschen für das bloße Auge unsichtbar sind, hat Müller High-Tech-Instrumente verwendet, um die Existenz dieser Östrogen-einschließenden Taschen zu überprüfen. Vorläufige Ergebnisse zeigen eine effiziente Extraktion der Hormone aus Laborproben, aber die Forscher müssen sich zusätzliche Experimente aus der Festkörper-Kernresonanzspektroskopie und der Kleinwinkel-Neutronenstreuung ansehen, um die Taschenhypothese zu überprüfen. „Wir versuchen anhand verschiedener Puzzleteile zu verstehen, wie sich die Moleküle tatsächlich auf der Oberfläche der Nanopartikel anordnen“, erklärt Müller.

Zukünftig wird das Team diese Partikel an realen Wasserproben testen und bestimmen, wie oft sie wiederverwendet werden können. Da jedes Nanopartikel eine große Oberfläche mit vielen Taschen hat, sollten sie laut den Forschern in der Lage sein, Östrogene aus mehreren Wasserproben zu entfernen und so die Kosten pro Reinigung zu senken. „Durch wiederholtes Recycling dieser Partikel könnten die materiellen Auswirkungen dieser Wasseraufbereitungsmethode sehr gering werden“, schließt Halik.