Wie Nanotechnologie bei Umweltproblemen helfen könnte

Aber jetzt ist es an der Zeit, die Umwelt und unsere Beziehung zu ihr zu reparieren, wobei die Nanotechnologie eine entscheidende Rolle bei der Sicherung der zukünftigen Nachhaltigkeit unseres Planeten spielen wird.

Warum Nanotechnologie?

Nanomaterialien weisen im Vergleich zu ihren massiven Gegenstücken unerwartete Eigenschaften auf; ihr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen verleiht ihnen einzigartige physikalisch-chemische Eigenschaften, einschließlich vielseitiger Funktionalitäten und verbesserter Reaktivität oder Selektivität.

Von der Einsparung von Rohstoffen, Energie und Wasser bis hin zur Verringerung von Treibhausgasen und gefährlichen Abfällen können die einzigartigen Eigenschaften der Nanotechnologie in verschiedenen Produkten, Verfahren und Anwendungen genutzt werden, die zweifelsohne den Umwelt- und Klimaschutz unterstützen können.

Rettet die Meere

Ölverschmutzungen können für Ozeane, Flüsse und die darin lebende Tierwelt katastrophale Folgen haben. Konventionelle Methoden zur Beseitigung von Ölverschmutzungen sind unzureichend, und obwohl sie noch in den Kinderschuhen stecken, sind nanobasierte Lösungen eine vielversprechende Alternative, um die Säuberungsarbeiten in Angriff zu nehmen.

Nach der Deepwater Horizon-Katastrophe im Jahr 2010 entwickelten Forscher der State University of New York (SUNY) Stony Brook ein Nanogitter aus photokatalytischen Kupfer-Wolframoxid-Nanopartikeln. Wenn diese Nanopartikel durch Sonnenlicht aktiviert werden, zerlegen sie das Öl in biologisch abbaubare Verbindungen.

"Es nutzt das gesamte Sonnenspektrum und kann lange im Wasser arbeiten", sagt Pelagia-Irene Gouma, Professorin im Department of Materials Science and Engineering. "Unsere Methode ist eine einzigartige Technologie. Wenn man diese Gitter mit Licht bestrahlt, beginnen sie zu arbeiten und können immer wieder verwendet werden."

Sauberes Wasser

Nanotechnologie-basierte Lösungen können auf verschiedene Weise zur langfristigen Qualität, Verfügbarkeit und Lebensfähigkeit von Wasser beitragen:

• Aufbereitung und Sanierung: Die Nanotechnologie könnte eine neue Generation von Nanomembranen zur Trennung hervorbringen, um eine bessere Wasserreinigung und Entsalzung sowie bessere Mittel zur Entfernung, Reduzierung oder Neutralisierung von Wasserverunreinigungen zu ermöglichen. Zu letzteren könnten Zeolithe, Kohlenstoff-Nanoröhren, selbstorganisierte Monoschichten auf mesoporösen Trägern (SAMMS), Biopolymere und Einzel-Enzym-Nanopartikel gehören, um nur einige zu nennen.
• Sensorik und Detektion: Neue und verbesserte Sensoren, die in der Lage sind, chemische und biologische Verunreinigungen in niedrigen Konzentrationen zu erkennen, sind mit der Nanotechnologie möglich. Nanomaterialien machen es auch möglich, photoelektrochemische Analysen zu verwenden, die Lichtreaktion und chemische Sensorik für die biologische und chemische Überwachung integrieren und den Bedarf an teuren und komplizierten Instrumenten und Verfahren negieren.
• Vermeidung von Umweltverschmutzung: Dies umfasst nicht nur "traditionelle" Schadstoffe, sondern auch durch Wasser übertragene Infektionskrankheiten. Die Nanotechnologie könnte zum Beispiel alternative chlorfreie Biozide in Form von Silber und Titandioxid-Katalysatoren für die photokatalytische Desinfektion bereitstellen. Zu den praktischen Anwendungen der Wasserreinigung, die bereits im Einsatz sind, gehört der Einsatz von Eisen-Nanopartikeln zur Entfernung von organischen Lösungsmitteln im Grundwasser. Die Nanopartikel verteilen sich im Wasser und zersetzen die Lösungsmittel, ohne dass Wasser aus dem Boden gepumpt werden muss, was die Methode effektiver und kostengünstiger macht. Nanotechnologie-basierte Lösungen können auch radioaktive Abfälle entfernen. Titanat-Nanofasern wirken als gute Absorber, um radioaktive Ionen wie Cäsium und Jod aus dem Wasser zu entfernen.

Die Luft reinigen

Kohlendioxid (CO₂) ist vielleicht die größte Bedrohung für die Umwelt. Die industrielle Revolution, begleitet von der zunehmenden Notwendigkeit, fossile Brennstoffe zu verbrennen, hat dazu geführt, dass große Mengen dieses Treibhausgases die Atmosphäre verschmutzen und den Klimawandel vorantreiben. Infolgedessen erwärmt sich der Planet, die Polkappen schmelzen, und viele tief liegende Gebiete drohen ganz zu verschwinden.

Die Nutzung erneuerbarer Energien reduziert bereits die Menge des in die Luft abgegebenen CO₂. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, CO₂ aus Abgasen zu filtern, um es abzuscheiden und zu speichern, wenn es keine Alternative zur Verbrennung fossiler Brennstoffe gibt.

Aktuelle Methoden zur Abtrennung von CO₂ aus Abgasen sind teuer, verwenden Chemikalien und sind nicht wettbewerbsfähig genug für großtechnische Anwendungen. Membranen aus Nanomaterialien könnten jedoch auf die gleiche Weise funktionieren - zu einem Bruchteil der Kosten und ohne zusätzliche Verbindungen.

Forscher in Deutschland haben kürzlich einen ultradünnen, nanoskaligen Polymerfilm hergestellt, der CO₂ mit unübertroffenen Ergebnissen herausfiltert. Diese hohe Durchlässigkeit ist auf das CO₂-phile Material zurückzuführen, das nur einige zehn Nanometer dick ist. Laut den Forschern könnte das Material für die Behandlung großer Gasströme unter niedrigem Druck eingesetzt werden, beispielsweise für die CO₂-Abscheidung aus Rauchgasen in Kohlekraftwerken.

Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) stellen ebenfalls eine Gefahr für die Luftqualität dar und tragen zu Smog und hohen Ozonwerten bei. Japanische Forscher entdeckten eine Möglichkeit, VOCs - ebenso wie Schwefel- und Stickoxide - bei Umgebungstemperatur aus der Luft zu entfernen. Sie nutzten poröses Manganoxid mit eingewachsenen Gold-Nanopartikeln als Katalysator, um die schädlichen Verbindungen zu zersetzen und zu entfernen.

Ein empfindliches Gleichgewicht schaffen

Die Nanotechnologie bietet eine enorme Chance für Umwelttechnologien. Es gibt bereits viele Erfolgsgeschichten in den Bereichen Sensorik und Überwachung, selektive Adsorption und Nanomembranen. Wir müssen jedoch darauf achten, ein Gleichgewicht zwischen den Bedürfnissen der Umwelt und der Aktivität, Selektivität und Stabilität der von uns gewählten Nanotechnologien herzustellen.

Viele der wünschenswerten Eigenschaften der Nanomaterialien - wie z. B. ihre hohe Leistungsfähigkeit - resultieren aus ihrer hohen Reaktivität, die durch ihre empfindliche Oberfläche und Mikrostruktur verursacht wird. Daher müssen wir darauf achten, dass Nanomaterialien nicht beschädigt und abgebaut werden und die Umwelt nicht weiter belastet wird.

Quelle: AZO Nano – How does nanotechnology address problems in the environment?

Bildquelle : Wikimedia Commons – Algor7