Wasseraufbereitung Nanonetze fangen Giftstoffe aus dem Wasser

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In der Textilindustrie kommen teilweise noch Farbstoffe zum Einsatz, die in der Umwelt Schäden anrichten können. Forscher der TU Wien haben nun Netze aus Nanofasern entwickelt, die toxische Farbstoffe aus Wasser filtern. Die Nanofasern basieren auf Zellulose-Abfällen, etwa von alten Pappbechern.

Abfall zu verwenden, um Wasser zu reinigen – das klingt zunächst widersprüchlich. Doch an der TU Wien ist genau das gelungen: Forscher haben eine spezielle Nanostruktur entwickelt, die eine weitverbreitete Klasse gesundheitsschädlicher Farbstoffe aus dem Wasser filtert. Eine entscheidende Komponente dabei ist ein Material, das normalerweise als Abfall gilt: Gebrauchte Zellulose, etwa in Form von Reinigungstüchern oder Pappbechern. Mit der Zellulose wird ein feines Nano-Gewebe beschichtet, um verschmutztes Wasser möglichst effektiv zu filtern.

Mehr Oberfläche für bessere Filterwirkung

Ziel der neu entwickelten Nanofasern sind schädliche organische Farbstoffe aus der Textilindustrie, so genannte Azo-Verbindungen. So kommen weltweit häufig zum Einsatz, auch in Ländern, in denen wenig Augenmerk auf Umweltschutz gerichtet wird und die Farbstoffe oft ungefiltert ins Abwasser gelangen. „Das ist gefährlich, denn solche Farbstoffe werden nur sehr langsam abgebaut, sie können lange Zeit im Wasser bleiben und bergen große Gefahren für Mensch und Natur“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien.

Es gibt verschiedene Materialien, die solche Farbstoffe binden können. Doch das allein genügt noch nicht. „Wenn man das verschmutzte Wasser einfach nur über eine Filterfolie fließen lässt, die Farbstoffe binden kann, ist der Reinigungseffekt gering“, erklärt Rupprechter. „Viel besser ist es, ein Nanogewebe aus vielen winzigen Fasern herzustellen, durch die das Wasser hindurchsickert.“ Das Wasser kommt dann mit einer viel größeren Oberfläche in Kontakt, und somit werden auch viel mehr organische Farbstoff-Moleküle gebunden.

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Vom Altpapier zum Nanofilter

„Wir arbeiten mit semi-kristalliner Nanozellulose, die man aus Abfallmaterial herstellen kann“, sagt Qaisar Maqbool, Erstautor der Studie und Postdoc in Rupprechters Forschungsgruppe. „Oft setzt man für ähnliche Zwecke metallhaltige Substanzen ein. Unser Material ist für die Umwelt hingegen völlig harmlos, und wir können es noch dazu durch Upcycling von Altpapier herstellen.“

Diese Nano-Zellulose wird gemeinsam mit dem Kunststoff Polyacrylnitril zu Nanostrukturen „versponnen“. In einem Elektrospinning-Verfahren wird das Material in flüssiger Form versprüht, die Tröpfchen werden elektrisch aufgeladen und durch ein elektrisches Feld geschickt. „Dadurch kann man erreichen, dass die Flüssigkeit beim Aushärten extrem feine Fädchen bildet, mit einem Durchmesser von 180 bis 200 Nanometern“, sagt Rupprechter. Diese Fädchen bilden ein feines Gewebe mit sehr hoher Oberfläche – ein so genanntes Nanoweb. Auf einem Quadratzentimeter kann man ein Geflecht von Fädchen unterbringen, die insgesamt eine Oberfläche von mehr als 10 cm2 aufweisen.

Erfolgreiche Tests

Die Tests mit diesen zellulosebeschichteten Nanostrukturen verliefen erfolgreich: In drei Zyklen wurde mit violettem Farbstoff belastetes Wasser gereinigt, dabei wurden 95 Prozent des Farbstoffs entfernt. „Die Farbstoffe bleiben im Nanogewebe gespeichert. Man kann dann entweder das ganze Gewebe entsorgen oder es aber auch regenerieren, die gespeicherten Farbstoffe herauslösen und das Filtergewebe wiederverwenden“, erklärt Rupprechter.

Weiterführende Untersuchungen sind notwendig, um die mechanischen Eigenschaften der Nanonetze und deren Biokompatibilität zu bewerten sowie die Spezifität gegenüber komplexeren Schadstoffen zu beurteilen und Skalierbarkeit auf Industriestandards zu erreichen. Zudem will Rupprechter mit seinem Forschungsteam untersuchen, wie sich diese Farbstoff-Filtertechnologie auf andere Einsatzbereiche übertragen lässt. „Auch für den medizinischen Bereich könnte diese Technik sehr interessant sein“, sagt der Wissenschaftler. „Bei der Dialyse etwa geht es ebenfalls darum, ganz bestimmte chemische Stoffe aus einer Flüssigkeit herauszufiltern.“ Beschichtete Nanogewebe könnten auch bei solchen Anwendungen ihre Stärken ausspielen.

Originalpublikation: Maqbool, Q., Cavallini, I., Lasemi, N., Sabbatini, S., Tittarelli, F. and Rupprechter, G.: Waste-Valorized Nanowebs for Crystal Violet Removal from Water, Small Sci. Volume 4, Issue 4, April 2024; DOI: 10.1002/smsc.202300286

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