Wasserreinigung mit Nanopartikeln Magnetischer Rost reinigt Wasser von Hormonen

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Schadstoffe einfach aus dem Wasser sammeln – diesen Ansatz verfolgen Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg. Sie entwickeln „Rost“-Nanopartikel, an denen etwa Rohöl- oder Hormon-Rückstände haften. Mit einem Magnet lassen sich die beladenen Teilchen wieder aus dem Wasser entfernen.

Wird Rost ins Wasser geschüttet, wird es normalerweise schmutziger. Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben aber spezielle Eisenoxid-Nanopartikel entwickelt, die es tatsächlich sauberer machen. Dieser „intelligente Rost“ kann je nach Beschichtung der Partikel viele verschieden Stoffe anziehen, darunter Öl, Nano- und Mikroplastik sowie das Herbizid Glyphosat. Und weil die Nanopartikel magnetisch sind, lassen sie sich mit einem Magneten ganz einfach zusammen mit den Schadstoffen aus dem Wasser entfernen. Jetzt berichtet das Forschungsteam, dass sie die Partikel so verändert haben, dass sie Östrogenhormone einfangen, die potenziell schädlich für Wasserlebewesen sind.

„Unser intelligenter Rost ist billig, ungiftig und recycelbar“, sagt Prof. Dr. Marcus Halik, Professur für Werkstoffwissenschaften (Polymerwerkstoffe). „Und wir haben den Einsatz bei allen Arten von Verunreinigungen nachgewiesen und das Potenzial dieser Technik für eine drastische Verbesserung der Wasseraufbereitung aufgezeigt.“

Mikro- und Nanoplastik aus Wasser entfernen

Smarter Rost und der Mikroplastik-Magnet

Intelligenter Rost bindet Schadstoffe

Seit vielen Jahren erforscht Haliks Team 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. Indem die Wissenschaftler ändern, was an der anderen Seite der Phosphonsäuren gebunden ist, können sie die Eigenschaften der Nanopartikeloberflächen so anpassen, dass sie verschiedene Arten von Schadstoffen stark adsorbieren.

Frühe Versionen des intelligenten Rosts fingen Rohöl aus Wasser aus dem Mittelmeer und Glyphosat aus Teichwasser ein, das die Forscher in der Nähe der Universität sammelten. Darüber hinaus zeigte das Team, dass der smarte Rost Nano- und Mikroplastik entfernen kann, welches Labor- und Flusswasserproben zugesetzt wird.

Rohöl, Mikroplastik, Glyphosat, und nun Hormone filtern

Bisher konzentrierte sich die Gruppe auf Schadstoffe, die meist in großen Mengen vorhanden sind. Der Doktorand Lukas Müller wollte wissen, ob er die Rost-Nanopartikel so modifizieren könnte, dass sie auch Spurenverunreinigungen wie Hormone anziehen.

Wenn einige unserer körpereigenen Hormone 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, sagt Müller, daher seien sie nur schwer zu entfernen. Doch selbst diese Konzentrationen beeinflussen nachweislich den Stoffwechsel und die Fortpflanzung einiger Pflanzen und Tiere, während die Auswirkungen niedriger Konzentrationen dieser Verbindungen auf den Menschen über lange Zeiträume noch nicht vollständig erforscht ist.

Östrogen in „Taschen“ gefangen?

„Ich habe mit dem häufigsten Östrogen Östradiol begonnen und dann vier weitere Derivate mit ähnlichen Molekülstrukturen untersucht“, 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 Forschungsgruppe geht davon aus, dass sie zusammen viele Milliarden winziger 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 zusätzliche Experimente abwarten, 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.

Weiterführende Literatur: Philipp Groppe, Susanne Wintzheimer, Andreas Eigen, Henrik Gaß, Marcus Halik and Karl Mandel: Real-time monitoring of magnetic nanoparticle-assisted nanoplastic agglomeration and separation from water, Environmental Science: Nano, Issue 7, 2022; DOI: 10.1039/D2EN00131D

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