Verunreinigungen in unserem Wasser Nanoröhrchen entfernen Steroidhormone aus Abwässern

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Steroidhormone wie Testosteron und Östrogen können in das Hormonsystem eingreifen und sind daher besonders gefürchtete Mikroverunreinigungen in unseren Abwässern. Am Karlsruher Institut für Technologie haben Forscher untersucht, wie Steroidhormone mithilfe von elektrochemischen Reaktionen und Kohlenstoffnanoröhren effizient abgebaut werden können.

Menschen weltweit mit sauberem Wasser zu versorgen, gehört zu den großen Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft. In Abwässern finden sich verschiedene Mikroverunreinigungen, also organische und anorganische Stoffe, die in geringen Konzentrationen auftreten, sich aber dennoch schädlich auf Mensch und Umwelt auswirken. Besondere Risiken gehen von endokrin wirksamen Substanzen aus, also solchen, die sich auf das Hormonsystem auswirken können, beispielsweise Steroidhormone. Diese sind unter anderem in Arzneimitteln und Empfängnisverhütungsmitteln weit verbreitet. Im Wasser lassen sie sich nur schwer nachweisen, können aber die Gesundheit des Menschen und das ökologische Gleichgewicht von Gewässern empfindlich stören.

Abbau von Verunreinigungen durch Oxidation

Mit herkömmlichen Methoden der Wasseraufbereitung lassen sich Steroidhormone weder aufspüren noch entfernen. Als fortschrittlicher Ansatz ist die elektrochemische Oxidation (EO) zunehmend anerkannt: EO-Systeme bestehen aus einer Anode und einer Kathode, angeschlossen an eine externe Stromquelle. Die elektrische Energie der Elektroden wird verändert (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.

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Die Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren

Forscher am Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) des KIT haben zusammen mit Wissenschaftlern an der University of California, Los Angeles, und an der Hebrew University of Jerusalem nun die schwer verständlichen Mechanismen in EMR weiter aufgeklärt: Wie die Forscher berichten, untersuchten sie den Abbau von Steroidhormon-Mikroverunreinigungen in einem EMR mit Kohlenstoffnanoröhren-Membran.

Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) weisen Durchmesser im Nanometerbereich auf und besitzen einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften: „Ihre hohe Leitfähigkeit ermöglicht einen effizienten Elektronentransfer“, erklärt Andrea Iris Schäfer, Professorin für Wasser-Verfahrenstechnik und Leiterin des IAMT des 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.“

Das Ergebnis der Studie: Die Nanoröhre hemmt den Abbau nicht

In ihrer Studie untersuchten die Forscher mit modernsten 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“, berichtet Dr. Siqi Liu, Postdoc am IAMT. „Dies führen wir auf die schnelle Adsorption und den effektiven Stofftransport zurück.“ Der analytische Ansatz der Studie hilft auch, veränderte Bedingungen zu erkennen und Faktoren zu bestimmen, die den Hormonabbau limitieren.

„Unsere Untersuchung klärt einige grundlegende Mechanismen in elektrochemischen Membranreaktoren auf und liefert wertvolle Erkenntnisse, um elektrochemische Strategien zur Beseitigung von Mikroverunreinigungen im Wasser weiterzuentwickeln“, fasst Schäfer zusammen.

Originalpublikation: Siqi Liu, David Jassby, Daniel Mandler, Andrea I. Schäfer: Differentiation of adsorption and degradation in steroid hormone micropollutants removal using electrochemical carbon nanotube membrane; Nature Communications volume 15, Article number: 9524 (2024); DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7

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