Sauberes Wasser durch Sonnenlicht: Forscher entwickeln Material, das Schadstoffe abbaut
Ein neues, lichtaktives Material zerlegt im Labor über 95 Prozent bestimmter Antibiotika- und Industrierückstände im Wasser – allein mit sichtbarem Sonnenlicht.
In Flüssen und Seen sammeln sich Rückstände aus Industrie und Medizin – neue Materialien sollen sie künftig mit Sonnenlicht chemisch abbauen. © Pexels
Antibiotika-Reste, Farbstoffe aus der Textilindustrie oder chemische Rückstände aus Fabriken – all das gelangt in Flüsse und Seen. Kläranlagen entfernen vieles, doch manche Stoffe bleiben hartnäckig. Gerade Antibiotika im Abwasser gelten als Risiko, weil sie resistente Keime fördern können. Forscher suchen deshalb nach Verfahren, die Wasser gründlicher reinigen und dabei möglichst wenig Energie verbrauchen.
Ein brasilianisches Forschungsteam hat ein Material entwickelt, das mithilfe von Sonnenlicht mehr als 95 Prozent bestimmter Schadstoffe abbaut. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Advanced Sustainable Systems. Unterstützt wurde die Arbeit unter anderem von der Forschungsstiftung des Bundesstaates São Paulo (FAPESP).
Forscher kombinieren zwei Materialien gezielt
Die Wissenschaftler entwickelten eine spezielle Struktur aus zwei Bausteinen: einem sogenannten Zirkonium-MOF und Silberpyrophosphat. MOF steht für „Metall-organisches Gerüst“. Diese Stoffe besitzen winzige Poren sowie eine extrem große Oberfläche, sodass sich Schadstoffe dort anlagern können.
Entscheidend ist dabei die Kombination. Das Zirkonium-MOF gilt als besonders stabil im Wasser, während das Silberpyrophosphat stark auf sichtbares Licht reagiert. Zusammen bilden beide eine sogenannte Heterostruktur, die wiederum dafür sorgt, dass Lichtenergie effizient genutzt wird.
Im Fachartikel schreiben Erstautorin Letícia G. da Trindade und ihr Team, dass das Material im sichtbaren Bereich fast siebenmal mehr Photonen absorbiert als im UV-A-Bereich, wodurch Sonnenlicht besonders effizient genutzt wird.
Über 95 Prozent Abbau im Labortest
Im Labor testete das Team typische Schadstoffe, wie sie im Abwasser vorkommen. Dazu zählten Industrie-Farbstoffe sowie zwei häufig eingesetzte Antibiotika.
Das wichtigste Ergebnis: Nach 60 Minuten unter sichtbarem Licht baute das Material bei einem der getesteten Farbstoffe rund 95 Prozent ab. Auch eines der Antibiotika sank um etwa 95 Prozent, das zweite um rund 75 Prozent. Ohne das Material blieb die Belastung fast unverändert.
Ein anderer Farbstoff reagierte besonders schnell – hier verschwanden 96 Prozent bereits nach zehn Minuten. Ein weiterer ließ sich dagegen deutlich schwerer entfernen. Das Material wirkt also je nach Stoff unterschiedlich stark.
Warum das Material mehr leistet als Aktivkohle
Viele Verfahren reinigen Wasser, indem sie Schadstoffe nur herausfiltern. Aktivkohle bindet sie, Membranen halten sie zurück. Die chemische Struktur bleibt dabei erhalten. Das neue Material geht einen Schritt weiter. Es zerlegt die Stoffe.
Unter Lichteinwirkung entstehen sogenannte Hydroxylradikale. Diese reagieren extrem schnell mit organischen Molekülen und spalten sie in kleinere Bestandteile. Die Analysen der Wissenschaftler zeigen, wie sich die Schadstoffe in deutlich weniger schädliche Zwischenprodukte umwandeln ließen.
Die Forscher untersuchten außerdem den gesamten organischen Kohlenstoff im Wasser. Bei einem der getesteten Farbstoffe sank dieser Wert innerhalb einer Stunde um rund 48 Prozent. Das Material veränderte die Stoffe also nicht nur optisch, sondern baute sie chemisch weiter ab.
Antibiotika werden deutlich weniger schädlich
Antibiotikarückstände im Wasser gelten als besonderes Problem. Sie gelangen über Krankenhäuser, Haushalte und Landwirtschaft in die Umwelt. Deshalb prüfte das Team gezielt, wie sich die behandelten Lösungen auf Pflanzen auswirken.
Die Forscher ließen Kopfsalat-Samen in den Proben keimen. Reine Antibiotika hemmten das Wachstum stark. Der Keimindex lag bei etwa 40 Prozent. Nach der Behandlung mit dem neuen Material stieg dieser Wert auf rund 70 Prozent. Das spricht für eine deutlich geringere Resttoxizität.
Technik im Hintergrund einfach erklärt
Das Material wirkt so gut, weil es Lichtenergie besonders geschickt nutzt. Trifft Sonnenlicht auf die Oberfläche, geraten winzige geladene Teilchen in Bewegung. Diese bleiben länger aktiv als bei vielen herkömmlichen Stoffen. Dadurch entstehen besonders reaktionsfreudige Teilchen, die Schadstoffe angreifen und Schritt für Schritt zerlegen.
Wichtige Eigenschaften auf einen Blick:
- nimmt sichtbares Sonnenlicht sehr gut auf
- bleibt auch im Wasser stabil
- reagiert schnell bei bestimmten Farbstoffen
- verringert die Giftigkeit von Antibiotika deutlich
Die Herstellung erfolgte bei 160 Grad Celsius in einem speziellen Mikrowellenverfahren und dauerte etwas mehr als eine Stunde. Im Labor blieb die Leistung über mehrere Durchgänge weitgehend stabil.
Noch Laborversuch – aber mit Potenzial
Alle Tests fanden bislang unter kontrollierten Bedingungen statt. Echtes Abwasser enthält viele unterschiedliche Stoffe. Auch mögliche Rückstände von Silber müssen weiter untersucht werden. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass sich mit gezielt entwickelten Materialien Wasser deutlich effektiver reinigen lässt.
Wenn sich das Verfahren technisch umsetzen lässt, könnte Sonnenlicht künftig eine größere Rolle bei der Wasseraufbereitung spielen. Statt hohe Energiemengen zu verbrauchen, würde Licht die chemischen Reaktionen antreiben.
Für Kläranlagen und Umwelttechnik eröffnet sich damit eine zusätzliche Option, um problematische Rückstände im Wasser zu reduzieren.
Kurz zusammengefasst:
- Ein neu entwickeltes Material aus einem Zirkonium-MOF und Silberpyrophosphat nutzt sichtbares Sonnenlicht besonders effizient und kann im Labor über 95 Prozent bestimmter Schadstoffe wie Farbstoffe und einige Antibiotika im Wasser abbauen.
- Anders als Aktivkohle filtert es die Stoffe nicht nur heraus, sondern zerlegt sie chemisch in weniger schädliche Zwischenprodukte; bei einem Farbstoff sank zudem der gesamte organische Kohlenstoff um rund 48 Prozent innerhalb einer Stunde.
- Tests mit Pflanzensamen zeigen eine deutlich geringere Giftigkeit nach der Behandlung, doch bisher stammen alle Ergebnisse aus dem Labor und müssen unter realen Bedingungen weiter überprüft werden.
Übrigens: Während neue Materialien helfen sollen, Wasser von problematischen Rückständen zu befreien, zeigen Forscher nun erstmals, wie unsichtbare Nano-Schadstoffe im Körper selbst leuchten – und ihren Weg bis ins Gehirn sichtbar machen. Wie diese Technik frühe Risiken erkennt und warum das für unsere Gesundheit entscheidend ist, mehr dazu in unserem Artikel.
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