03.12.2019

Nanomagnete säubern Wasser

Beschichtete Nanopartikel binden organische, anorganische und mikrobielle Verunreinigungen.

In vielen Teilen der Welt ist der Zugang zu sauberem Trink­wasser alles andere als selbst­verständlich. Filtration großer Mengen ist aufgrund der langsamen Durchfluss­geschwindigkeiten jedoch kaum praktikabel. Wissenschaftler aus Ulm und Zaragoza schlagen nun einen neuartigen Ansatz auf der Basis magne­tischer, mit einer ionischen Flüssigkeit beschichteter Nanopartikel vor. Diese können gleichzeitig organische, anorganische und mikro­bielle Konta­minationen sowie Mikroplastik binden und lassen sich mit Hilfe von Magneten leicht abtrennen.

Abb.: Konzept zur Entfernung multipler Schad­stoffe aus Wasser durch...
Abb.: Konzept zur Entfernung multipler Schad­stoffe aus Wasser durch magne­tische POM‐unterstützte ionische Flüssig­phasen. (Bild: Wiley-VCH)

Für ihren alternativen Ansatz verwenden die Forscher von der Universität Ulm, dem Helmholtz-Institut Ulm und der spanischen CISC-Univer­sidad de Zaragoza um Carsten Streb, Robert Güttel und Scott G. Mitchell Nano­partikel mit einem Kern aus magne­tischem Eisenoxid und einer Schale aus porösem Silizium­dioxid. Auf ihrer Oberfläche wird eine Schicht einer ionischen Flüssigkeit fest aufgebracht. Eine ionische Flüssigkeit ist ein Salz, das bereits bei Raum­temperatur geschmolzen vorliegt, also flüssig ist, ohne in einem Lösungs­mittel gelöst zu sein.

Die verwendete ionische Flüssigkeit basiert auf Poly­oxometallaten (POM) – Metall­atomen, die über Sauerstoffatome zu einem drei­dimensionalen Netzwerk verbrückt sind. Als Metall wählten die Forscher Wolfram, denn die entstehenden Polyoxo­wolframat-Anionen können Schwermetallionen binden. Als Gegenionen dienen voluminöse Tetra­alkylammonium-Kationen mit antimikrobiellen Eigenschaften. Die entstehenden ionischen Flüssigkeiten bilden stabile dünne ionische Flüssigphasen auf dem porösen Silizium­dioxid-Mantel der Nanopartikel. Die mit Konta­minationen beladenen Nanopartikel lassen sich dann auf einfache Weise durch einen Magneten aus dem Wasser entfernen.

Bei Labortests entfernten die Nanopartikel zuverlässig Blei-, Nickel-, Kupfer-, Chrom- und Kobaltionen sowie den Farbstoff Patentblau V als Modell­substanz für aromatische Verunreinigungen. Ebenso wurde das Wachstum verschiedener Bakterien­arten effektiv gestoppt. Die Nanopartikel lagerten sich zudem an die Oberfläche von einem oder zehn Mikrometer großen Polystyrol­kügelchen – ein Modell für Mikroplastik – an, die sich auf diese Weise quantitativ entfernen ließen.

Durch ein weiteres Justieren der einzelnen Bestand­teile könnte das Verbundmaterial weiter optimiert werden und die magne­tischen Nanopartikel zu einem vielver­sprechenden Ausgangspunkt für zentrale und dezentrale Wasserauf­bereitungssysteme machen. So würde eine einfache Reinigung größerer Wasser­mengen auch ohne umfangreiche Infrastruktur möglich.

Wiley-VCH / JOL

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