Nanoröhrchen säubern Abwässer

In Abwässern finden sich verschiedene Mikroverunreinigungen – organische und anorganische Stoffe, die in geringen Konzentrationen auftreten, sich aber dennoch schädlich auf Mensch und Umwelt auswirken. Besondere Risiken gehen von Substanzen aus, die sich auf das Hormonsystem auswirken können, wie beispielsweise Steroidhormone. Diese sind unter anderem in Arzneimitteln und Empfängnisverhütungsmitteln weit verbreitet. Im Wasser lassen sie sich schwer nachweisen, können aber die Gesundheit des Menschen und das ökologische Gleichgewicht von Gewässern empfindlich stören. Mit herkömmlichen Methoden der Wasseraufbereitung lassen sich Steroidhormone weder aufspüren noch entfernen. 

Als fort­schrittlicher Ansatz ist die elektro­chemische Oxidation (EO) zunehmend anerkannt. Die elektrische Energie der Elektroden wird moduliert, was zu einer Oxidation an der Anoden­oberfläche führt und die Verunreinigungen abbaut. Elektrochemische Membranreaktoren (EMR) nutzen die Möglichkeiten der EO noch wirksamer: Als Durchflusselektrode dient eine leitende Membran, was den Stofftransport verbessert. Überdies sind aktive Stellen für die reagierenden Moleküle vollständig zugänglich. Forscherinnen am Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) des KIT haben zusammen mit Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftlern an der University of California, Los Angeles, und an der Hebrew University of Jerusalem nun die schwer verständ­lichen Mechanismen in EMR weiter aufgeklärt.

Die Forschenden untersuchten den Abbau von Steroidhormon-Mikro­verunreinigungen in einem EMR mit Kohlenstoff­nanoröhren-Membran. Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) weisen Durchmesser im Nanometer­bereich auf und besitzen einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften: „Ihre hohe Leitfähigkeit ermöglicht einen effizienten Elektronen­transfer“, erklärt Andrea Iris Schäfer vom KIT. „Dank ihrer Nanostruktur verfügen CNT über eine außerordentlich große Oberfläche und damit ein enormes Potenzial für die Adsorption verschiedener organischer Verbindungen, was nachfolgende elektro­chemische Reaktionen erleichtert.“ 

Nun untersuchten die Forschenden mit analytischen Methoden das komplexe Zusammenspiel von Adsorption und Desorption, elektro­chemischen Reaktionen und der Bildung von Neben­produkten in einem EMR. „Wir haben festgestellt, dass die voran­gehende Adsorption von Steroidhormonen, das heißt deren Anreicherung an der Oberfläche der CNT, den nachfolgenden Abbau der Hormone nicht einschränkt“, sagt Postdoc Siqi Liu. „Dies führen wir auf die schnelle Adsorption und den effektiven Stoff­transport zurück.“ 

Der analytische Ansatz der Studie erleichtert auch das Bestimmen der den Hormonabbau begrenzenden Faktoren und sich verändernden Bedingungen. „Unsere Untersuchung klärt einige grundlegende Mechanismen in elektro­chemischen Membran­reaktoren auf und liefert wertvolle Erkenntnisse, um elektrochemische Strategien zur Beseitigung von Mikro­verunreinigungen im Wasser weiterzu­entwickeln“, sagt Schäfer.

KIT / JOL