Wasser mit der Kraft der Sonne reinigen

Nov 07, 2023

Veröffentlicht: 17. März 2023

Autor: Brett Beasley

„Heute sind Informationstechnologie und Energie die großen Herausforderungen“, sagt László Forró, Aurora- und Thomas Marquez-Professor für Physik komplexer Quantenmaterie am Fachbereich Physik und Astronomie der University of Notre Dame, „aber morgen wird die große Herausforderung sein.“ Wasser."

Die Weltgesundheitsorganisation berichtet, dass heute fast zwei Milliarden Menschen regelmäßig verunreinigtes Wasser konsumieren. Sie schätzt, dass bis 2025 die Hälfte der Weltbevölkerung von Wasserknappheit betroffen sein könnte. Viele der Betroffenen leben in ländlichen Gebieten, in denen es an der für den Betrieb moderner Wasseraufbereitungsanlagen erforderlichen Infrastruktur mangelt, während viele andere in Gebieten leben, die von Krieg, Naturkatastrophen oder Umweltverschmutzung betroffen sind. Es besteht ein größerer Bedarf als je zuvor an innovativen Möglichkeiten, den Zugang zu Wasser für diejenigen zu erweitern, die ohne Strom-, Sanitär- und Transportnetze leben.

Kürzlich hat Forrós Labor eine solche Lösung entwickelt. Sie haben einen Wasserreiniger entwickelt, der in der Nature-Partnerzeitschrift Clean Water beschrieben wird und von einer Ressource angetrieben wird, zu der fast alle schwächsten Menschen auf der Welt Zugang haben: die Sonne.

Die Schlüsselkomponente in Forrós System ist Titandioxid. Titandioxid ist ein leicht verfügbares Material, das für seine lichtstreuenden Eigenschaften bekannt ist. In einer Form ist es ein Pigment, das einigen Farben und Zahnpasten ihre charakteristische „titanweiße“ Farbe verleiht. Es dient auch als Wirkstoff in Sonnenschutzmitteln und absorbiert Licht, bevor es die Haut erreicht.

Titandioxid kann auch auf andere Weise auf Licht reagieren: durch die Bildung hochreaktiver Formen von Sauerstoff, sogenannter „freier Radikale“. Diese freien Radikale sind in der Lage, die in kontaminiertem Wasser vorkommenden Parasiten, Bakterien und Viren zu zerstören.

Forró und seine Kollegen erkannten, dass sie einen Weg finden könnten, Titandioxid zur Wasserreinigung zu verwenden, wenn es ihnen gelänge, eine ausreichend große Menge Titandioxid in Nanodrahtform herzustellen. Die Nanodrähte waren etwa 10 Nanometer breit, etwa ein 6.000stel der Breite eines menschlichen Haares. Der Haken war, dass die meisten Labore jeweils nur wenige Gramm Nanodrähte herstellen konnten. Forró und Endre Horváth, ein Chemiker, entwickelten jedoch ein neues Verfahren, das Titandioxid-Nanodrähte in großen Mengen erzeugte. Das neue Verfahren hatte einen wichtigen Vorteil. Es könnte ein Kilogramm (mehr als zwei Pfund) der Nanodrähte auf einmal gewonnen werden.

Da ihnen größere Mengen an Titandioxid-Nanodrähten zur Verfügung standen, konnten Forró und seine Kollegen neue Verbundmaterialien bilden. Sie mischten die Nanodrähte mit suspendierten Nanoröhren aus Kohlenstoff zu einer Art Netz. Sie entwässerten das Netz und verdünnten es mit einer Klinge, bis es dünner als ein Blatt Kopierpapier war. Dann erhitzten sie das Material, bis seine Bestandteile zu einer Membran verschmolzen, die sie als Filter verwenden konnten.

Um ein Reinigungssystem zu bauen, platzierte Forrós Team den Filter zwischen Glasscheiben und schuf oben an einem Ende einen Eingang und unten am gegenüberliegenden Ende einen Ausgang. Sie spekulierten, dass das in das Gerät fließende Wasser durch drei verschiedene Prozesse gereinigt würde, die parallel zueinander ablaufen. Eine davon ist die mechanische Filterung. Das Filtermaterial würde verhindern, dass größere Partikel durch das Papier gelangen. Gleichzeitig würde das Sonnenlicht mit dem Titandioxid interagieren, um freie Radikale zu erzeugen und alle im Wasser vorhandenen Mikroben zu zerstören. Gleichzeitig würde das Sonnenlicht das Filterpapier und das umgebende Wasser erwärmen, es pasteurisieren und zusätzlich sicherstellen, dass alle schädlichen Mikroorganismen abgetötet wurden. Dann könnte das gereinigte Wasser verbrauchsbereit aus dem Gerät austreten.

Nachdem ihr Prototyp fertig zusammengebaut war, konnten Forró und seine Kollegen ihn einer Reihe von Tests unterziehen. Bei einem Test handelte es sich um Wasser aus einem nahegelegenen Fluss. Sie testeten das Wasser vor und nach der Filtration auf E. coli und stellten fest, dass das Gerät in der Lage war, alle E. coli vollständig aus dem Wasser zu entfernen. Sie testeten das Gerät auch mit Wasser, das mit einem „Cocktail“ aus neun verschiedenen Schadstoffen vermischt war. Dazu gehörten Arzneimittelrückstände, Pestizide, Pflegeprodukte, Hormone und Kosmetika. Sie fanden heraus, dass der dreistufige Reinigungsprozess des Filters erhebliche Teile selbst dieser Schadstoffmoleküle aus dem Wasser entfernte.

Während Forrós erste Arbeit an seinem Filtersystem an seiner früheren Institution, der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, begann, entwickelt und verfeinert er es in seiner neuen Rolle als Gründungsdirektor des Stavropoulos-Zentrums für komplexe Quantenmaterie in Notre Dame weiter . In Zusammenarbeit mit Chemikern entwickelt er fortschrittlichere Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten und arbeitet mit dem IDEA Center in Notre Dame zusammen, um mögliche kommerzielle Anwendungen zu erkunden. Er erforscht auch Modifikationen, die den Filter effizienter machen würden.

„Jetzt kann ein Gerät zwei Liter Wasser pro Tag desinfizieren“, sagt er. „Das reicht für das Trinkwasser einer Person, aber was ist mit anderen Menschen und anderen Verwendungszwecken wie Kochen und Waschen? Wir glauben, dass größere Filter und Anwendungen in größerem Maßstab größere Vorteile bringen werden.“

Forró sagt, dass er hofft, dass andere Forscher aus seiner Erfahrung bei der Entwicklung des Geräts eine Lehre ziehen, nämlich den Wert des neuen Denkens über traditionelle Disziplingrenzen hinweg.

„Diese Arbeit beinhaltet Fortschritte in der Physik“, erklärt Forró. „Wir müssen die Eigenschaften von Titandioxid-Nanodrähten auf einer grundlegenden Ebene verstehen. Aber es gibt auch Materialwissenschaften: Wie können wir sie zu Filtern machen und wie können wir sie am besten verarbeiten? Und es gibt Biologie und Biochemie. Es entstehen Durchbrüche.“ wenn wir fachübergreifend arbeiten und den Wortschatz des anderen lernen.“

Als Beispiel nennt Forró seine Zusammenarbeit mit einem Biologen, der die Protein-Polymer-Mikrotubuli untersuchte, die eine wichtige Rolle bei der Zellteilung spielen. Forró verfügte über die Technik, die er durch die Messung von Kohlenstoffnanoröhren entwickelt hatte, und der Biologe verfügte über das Wissen, wie man Mikrotubuli im Labor herstellt. Es dauerte einige Zeit, aber schließlich veröffentlichten sie eine bahnbrechende Arbeit über die Komplexität und mechanischen Eigenschaften von Mikrotubuli.

Breites und interdisziplinäres Arbeiten bedeutet für Forró auch, den Blick auf die größten Probleme der Welt zu richten und die Wissenschaft im Dienste der Gesellschaft einzusetzen.

„Dies ist ein Beispiel für einen Fortschritt in der Grundlagenwissenschaft, der auch eine praktische Anwendung hat“, sagt er. „Es ist nicht Wissenschaft um der Wissenschaft willen. Es ist Wissenschaft, die sich in der Gesellschaft engagiert, und das ist etwas, das auch in Zukunft unsere gesamte Arbeit leiten wird.“

Forrós laufende Arbeit an der Entwicklung seines solaren Wasserreinigungsgeräts wird vom Stavropoulos Center for Complex Quantum Matter unterstützt.

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