Zelluloseabfall als Nano-Filter
Farbstoffe, wie sie zum Beispiel in der Textilindustrie verwendet werden, können ein Umweltproblem darstellen. Forscher der Technischen Universität Wien entwickelten mittels Zellulose-Abfällen Filter dafür.
Abfall zu verwenden, um Wasser zu reinigen – das klingt vielleicht widersinnig. Doch an der TU Wien ist nun genau das gelungen: Eine spezielle Nanostruktur wurde entwickelt, die eine weitverbreitete Klasse gesundheitsschädlicher Farbstoffe aus dem Wasser filtern kann. Eine entscheidende Komponente ist dabei ein Material, das eigentlich selbst 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.
Farbiges Gift im Wasser
Organische Farbstoffe stellen die größte Gruppe synthetischer Farbstoffe dar, darunter auch die sogenannten Azo-Verbindungen. Besonders in der Textilindustrie werden sie häufig eingesetzt – 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 alleine genügt noch nicht. Rupprechter: „Wenn man das verschmutzte Wasser einfach nur über eine Filterfolie fließen lässt, die Farbstoffe binden kann, ist der Reinigungseffekt gering. 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 können auch viel mehr organische Farbstoff-Moleküle gebunden werden.
Mit dem Elektrospinning-Verfahren
„Wir arbeiten mit semi-kristalliner Nano-Zellulose, die man aus Abfallmaterial herstellen kann“, informiert 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“. Dafür ist allerdings einiges an technischem Geschick nötig. Erfolgreich war das Team der TU Wien mit dem sogenannten Elektrospinning-Verfahren. Dabei 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“, erklärt Günther Rupprechter. Diese Fädchen bilden ein feines Gewebe mit sehr hoher Oberfläche – ein sogenanntes „Nanoweb“. Auf einem Quadratzentimeter lässt sich ein Geflecht von Fädchen unterbringen, die insgesamt eine Oberfläche von mehr als zehn Quadratzentimetern aufweisen.
Erfolgreiche Tests
Die Tests mit diesen zellulosebeschichteten Nano-Strukturen verliefen sehr erfolgreich: In drei Zyklen wurde mit violettem Farbstoff belastetes Wasser gereinigt; dabei konnten 95 Prozent des Farbstoffs entfernt werden. Rupprechter: „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.“
Weiterführende Untersuchungen sind notwendig, um die mechanischen Eigenschaften der hochentwickelten Nanonetze und deren Biokompatibilität zu bewerten, die Spezifität gegenüber komplexeren Schadstoffen zu beurteilen und eine Skalierbarkeit auf Industriestandards zu erreichen. Günther Rupprechter und sein Forschungsteam wollen dabei untersuchen, wie sich diese Farbstoff-Filtertechnologie auf andere Einsatzbereiche übertragen lässt.
(Erschienen im EU-Recycling Magazin 06/2024, Seite 11, Grafik: Technische Universität Wien)
