 Sauberes Wasser mangelt vielerorts. Sonnenlicht dagegen ist an den meisten Orten reichlich vorhanden. Eine neue Methode erlaubt es, Wasser mit sichtbarem Licht von Krankheitserregern zu reinigen. Nanopartikel machen es möglich.
Wasser ist ein unersetzbarer Rohstoff. Fast neun Milliarden Menschen werden sich 2050 das Süsswasser der Erde teilen müssen. Dabei scheint es bereits heute nicht für alle zu reichen: Rund vier Millionen Menschen sterben jährlich durch verschmutztes Trinkwasser. Ursache sind wasserübertragende Krankheiten, die durch Mikroorganismen ausgelöst werden. Zu den klassischen Wasserseuchen gehören Thyphus, und Cholera, Parathyphus und bakterielle Ruhr. Diese werden durch Bakterien, die sich über mehrere Wochen im Wasser vemehren können, ausgelöst. Aber auch Viren und Protozoen zählen zu den wasserbürtigen Krankheitserregern, so können Erstere beispielsweise Kinderlähmung, Magen-Darm-Erkrankungen und Protozoen die Amöbenruhr hervorrufen.
Arbeiten mit sichtbarem Licht
Viele internationale Forschungsinstitute arbeiten daran, Wege zu finden, um diese vielfältigen Erreger auf einfache Weise zerstören zu können. Ziel der Wissenschaftler ist es, eine Methode zu entwickeln, die überall schnell und einfach einsetzbar ist. Einem Forschungsteam um Jian Ku Shang, Materialwissenschaftler an der Universität von Illinois ist es jetzt gelungen ein Verfahren zu entwickeln, Mikroorganismen die sich im Wasser befinden mit Hilfe eines Photokatalysators zu zerstören. Das besondere an diesem Katalysator: Er arbeitet im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts. Somit reicht das Licht der Sonne aus, die Mikroben in verunreinigten Gewässern in Kohlendioxid, Wasser und andere Verbindungen zu zerlegen und das Wasser damit von den Krankheitserregern zu befreien. Dieses System ist unabhängig von äusseren Energiequellen. Einzig und allein das Sonnenlicht, das den Photokatalysator erreicht, wird benötigt, die chemische Reaktion zu starten. Der Einsatz eines solchen Systems wäre unter anderem in Katastrophenregionen denkbar: Bei schweren Erdbeben, Tsunamis, Überschwemmungen kommt es in der Regel zum Zusammenbruch der Stromversorgung. Wasserleitungen werden zerstört und sauberes Trinkwasser wird knapp. Ein System, das dann Wasser ohne Strom aufbereitet, könnte in diesen Krisengebieten erheblich helfen.
Auch Lampen können reinigen
Photokatalysatoren zur Zerstörung von Bakterien sind bereits hinlänglich bekannt, doch bislang verlangen sie nach intensiver Strahlung im UV-Bereich. Das Forscherteam um Professor Shang konnte die herkömmlichen Katalysatoren jetzt soweit modifizieren, dass die Aktivität vom ultravioletten in den sichtbaren Wellenlängenbereich (zwischen 400 und 550 Nanometern) verschoben wurde. Die Forscher entdeckten ferner, dass nicht nur das Sonnenlicht den Katalysator aktiviert, sondern bereits handelsübliche künstliche Lichtquellen die erwünschte chemische Reaktion initiieren. Dieser Effekt wird erreicht, weil der Katalysator gleichzeitig auch empfindlicher geworden ist. Ein weiterer Vorteil: Die Desinfektion vollzieht sich äusserst schnell. Damit könnte man ihn vielleicht sogar direkt in Wasserleitungen einbauen und so grosse Mengen sauberen Wassers produzieren, spekuliert Shang.
Nanonpartikel helfen
Herkömmliche Katalysatoren zu Wasserreinigung werden aus Titandioxid-Fasern hergestellt, die mit Stickstoff dotiert sind. Die entscheidende Veränderung besteht im Hinzufügen von Nanopartikeln aus Palladium. Diese sitzen auf der Oberfläche der Fasern und erhöhen so die Wirkung des Katalysators beträchtlich. In einem Test legten Shang und seine Kollegen den neuen Photokatalysator in eine wässrige Lösung, in der Kolibakterien befanden. Dann schalteten sie eine handelsübliche Halogenlampe an. Schon nach einer Stunde war die Bakterienkonzentration von einer Million Zellen pro Liter auf 10.000 Zellen gefallen, also auf ein Hundertstel.
Anschliessend untersuchten sie, wie sich das Material im Dunkeln verhält, nachdem es zuvor dem Licht ausgesetzt worden war. Nach zehn Stunden im Sonnenlicht wurde die Versuchsanordnung ins Dunkle gebracht. Das Ergebnis zeigte, dass der Katalysator auch noch nach 24 Stunden aktiv war. „Normalerweise stoppt bei Photokatalysatoren die Aktivität sofort, wenn man das Licht ausknipst“, sagt Shang. „Die chemischen Verbindungen, die durch den Lichteinfall entstehen, existieren nur für einige Nanosekunden.“
Die Palladium-Nanopartikel ändern dieses Verhalten in zweierlei Weise. Wenn Licht in Form von Photonen auf dem Katalysator auftrifft, entstehen im Material Paare von negativen und positiven Ladungen – Elektronen und so genannte „Löcher“, dies sind Bereiche in denen Elektronen fehlen. Diese „Löcher“ reagieren mit Wasser und bilden dabei Hydroxyl-Radikale. Die Radikale sind dann die eigentlichen „Vernichter“ der Mikroorganismen. Doch die Löcher in Titandioxid Fasern sind instabil, Elektronen und Löcher rekombinieren in kürzester Zeit. Das Geheimnis der Palladium-Nanopartikel liegt in der Absorbtion der Elektronen, das Elektron ist somit im Titandioxid nicht mehr verfügbar und damit bleiben genug Löcher erhalten, um Radikale zu bilden.
Suche nach industrieller Verwertung
Die absorbierten Elektronen laden aber zugleich die Palladium-Teilchen negativ auf. „Wenn das Licht abgeschaltet wird, werden die Ladungen ganz langsam wieder abgegeben. Dadurch bekommen wir einen ‚Memory-Effekt’“, erläutert Shang. Die freigesetzten Ladungen reagieren dann im Dunkeln ihrerseits mit Wasser, so dass sich weiterhin oxidierende Moleküle bilden, die die schädlichen Mikroben angreifen.
Nach weiteren erfolgreichen Tests in einer Pilotanlage wird nach der industriellen Verwertung gesucht. Die Anlagen könnten mit einem hohen Nutzeffekt zu einer deutlichen Verbesserung der Trinkwasserqualität in Wassernotstandsgebieten führen.
Bild: Sauberes Wasser durch Sonnelich (Photocase)
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