Direkt zum Inhalt

Chemie: Sauberes Wasser dank Sonnenstrahlen

Wasseraufbereitung ohne Strom oder teure Chemikalien: Wissenschaftler entwickeln Katalysatoren, die Wasser allein mit Hilfe von Licht reinigen. Sie kommen ohne aufwändige Infrastruktur aus und könnten in entlegenen Gebieten oder nach Naturkatastrophen sauberes Trinkwasser bereitstellen.
Durst löschenLaden...
Der Bedarf an Methoden zur kostengünstigen Wasseraufbereitung ist groß, denn in vielen Ländern sind Grund- und Oberflächenwässer stark verschmutzt. Besonders wichtig ist die effektive Desinfektion des Trinkwassers, um Infektionen mit Viren, Bakterien oder mehrzelligen Parasiten zu verhindern. Üblicherweise setzt man dem Wasser dazu ein starkes Oxidationsmittel wie Chlor zu, die jedoch nicht überall in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Deswegen arbeiten Forscher an einer Alternative: Neuartige Katalysatoren sollen Wasser allein durch Sonnenlicht reinigen.

Seit 1985 ist bekannt, dass Titandioxid unter UV-Licht die Eigenschaft hat, Mikroben effektiv abzutöten. Verantwortlich dafür sind wahrscheinlich aggressive Sauerstoffradikale, die durch freie Ladungsträger im Metalloxid erzeugt werden. Bei dieser Reaktion wird das Material im Gegensatz zu klassischen Desinfektionsmitteln nicht verbraucht – einmal vorhanden, kann der Katalysator mit Licht allein für lange Zeit sauberes Trinkwasser erzeugen, zum Beispiel in Regionen, in denen wenig technische Infrastruktur verfügbar ist.

Das allerdings ist Zukunftsmusik. Noch stehen keine fotokatalytischen Systeme zur Verfügung, die den Anforderungen der Praxis gerecht würden. Der größte Nachteil des Titandioxids ist die verwendete Lichtwellenlänge: Wegen der Absorption durch die Atmosphäre macht die UV-Strahlung weniger als vier Prozent des an der Erdoberfläche ankommenden Lichts aus, und entsprechend wenig Energie steht für die Desinfektion zur Verfügung. Abhilfe sollen Materialien schaffen, die auch im sichtbaren Wellenlängenbereich aktiv sind.

Einige Kandidaten hat die Forschung bereits identifiziert. Der einfachste Weg ist eine aus der Solartechnik und nicht zuletzt dem Pflanzenreich bekannte Methode: Sensibilisierung des Titandioxids mit Hilfe von Farbstoffen [1]. Hier sammeln spezielle Pigmente die Sonnenenergie ein und regen erst im nächsten Schritt Elektronen im Titandioxid an. Als effektiver hat sich jedoch die Dotierung des Oxids mit Nichtmetallen wie Schwefel oder Stickstoff erwiesen – diese Maßnahme verschiebt die Anregungsenergie direkt in den Bereich sichtbaren Lichts [2]. Mit derartigen Materialien haben Forscher nicht nur Bakterien inaktiviert, sondern auch deren widerstandsfähige Dauersporen.

Andere Metalloxide haben sich ebenfalls als aussichtsreiche Fotokatalysatoren erwiesen, entweder allein oder zusammen mit Titandioxid. Palladiumoxidteilchen erhöhen die antimikrobielle Effektivität von stickstoffdotiertem Titandioxid und zeigen sogar Langzeitwirkung: Sie wirken auch im Dunkeln noch antibakteriell. Das Palladiumoxid sammelt während der Beleuchtung Elektronen aus dem Titandioxid ein und wird zu elementarem Palladium reduziert – im Dunkeln fließen die Elektronen zurück und erhalten die antimikrobielle Aktivität.

Nanopartikel aus Silber, Silberbromid und Wolframoxid erzielen einen ähnlichen Effekt auf andere Weise: Sie können sich an die Außenwand von Bakterien anheften, so dass diese keine Nahrung mehr aufnehmen können. Sobald die Sonne aufgeht, setzt die Fotokatalyse wieder ein und zerstört die inaktivierten Bakterien [3].

Wie diese Wirkung zu Stande kommt, ist bislang nur teilweise aufgeklärt. Licht geeigneter Wellenlänge führt im Titandioxid zur Ladungstrennung, und man nimmt an, dass diese Ladungsträger entweder Mikroorganismen direkt schädigen oder aggressive Zwischenprodukte erzeugen. Forscher konnten bei einigen der Materialien zeigen, dass unter Bestrahlung kurzlebige Verbindungen wie Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale entstehen, die mit den Bestandteilen der Zellmembran reagieren und sie so zerstören. Doch auch andere Mechanismen, zum Beispiel ein Einfluss auf die Zellatmung, wurden vorgeschlagen. Aufzuklären, wie sich diese Prozesse auf molekularer Ebene abspielen und wie sie beeinflusst werden können, ist der nächste wichtige Schritt auf dem Weg zu einer rein fotokatalytischen Trinkwasseraufbereitung.
12. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 12. KW 2010

Lesermeinung

1 Beitrag anzeigen

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

  • Quellen
[1] Yao, K. et al.: Photocatalytic disinfection of phytopathogenic bacteria by dye-sensitized TiO2 thin film activated by visible light. In: Surface and Coatings Technology 202, S. 1329–1333, 2010.

[2] Sakthivel, S. et al.: Visible Light Activity and Photoelectrochemical Properties of Nitrogen-Doped TiO2. In: The Journal of Physical Chemistry B 108, S. 19384–19387.

[3] Zhang, D. et al.: Inorganic materials for photocatalytic water disinfection. In: Journal of Materials Chemistry, 10.1039/b925342d, 2010.

Partnervideos