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Aug 01, 2023

Ungiftiges Pulver nutzt Sonnenlicht, um kontaminiertes Trinkwasser schnell zu desinfizieren

18. Mai 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

18. Mai 2023

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von der Stanford University

Mindestens 2 Milliarden Menschen weltweit trinken regelmäßig Wasser, das mit krankheitserregenden Mikroben kontaminiert ist.

Jetzt haben Wissenschaftler der Stanford University ein kostengünstiges, recycelbares Pulver erfunden, das Tausende von Bakterien im Wasser pro Sekunde abtötet, wenn es normalem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Laut dem Stanford-Team könnte die Entdeckung dieses ultraschnellen Desinfektionsmittels einen erheblichen Fortschritt für fast 30 % der Weltbevölkerung bedeuten, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser hat. Ihre Ergebnisse werden am 18. Mai in Nature Water veröffentlicht.

„Durch Wasser übertragene Krankheiten sind für 2 Millionen Todesfälle pro Jahr verantwortlich, die meisten davon bei Kindern unter 5 Jahren“, sagte der Co-Hauptautor der Studie, Tong Wu, ein ehemaliger Postdoktorand für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen (MSE) an der Stanford School of Engineering. „Wir glauben, dass unsere neuartige Technologie revolutionäre Veränderungen in der Wasserdesinfektion ermöglichen und weitere Innovationen in diesem spannenden interdisziplinären Bereich anregen wird.“

Herkömmliche Wasseraufbereitungstechnologien umfassen Chemikalien, die giftige Nebenprodukte erzeugen können, und ultraviolettes Licht, dessen Desinfektion relativ lange dauert und eine Stromquelle erfordert.

Das in Stanford entwickelte neue Desinfektionsmittel ist ein harmloses Metallpulver, das sowohl UV- als auch energiereiches sichtbares Licht der Sonne absorbiert. Das Pulver besteht aus nanoskaligen Flocken aus Aluminiumoxid, Molybdänsulfid, Kupfer und Eisenoxid.

„Wir haben nur eine winzige Menge dieser Materialien verwendet“, sagte der leitende Autor Yi Cui, Fortinet-Gründerprofessor für MSE und Energiewissenschaft und -technik an der Stanford Doerr School of Sustainability. „Die Materialien sind kostengünstig und ziemlich reichlich vorhanden. Die wichtigste Neuerung besteht darin, dass sie alle zusammenarbeiten, wenn sie in Wasser getaucht werden.“

Nachdem er Photonen von der Sonne absorbiert hat, verhält sich der Molybdänsulfid/Kupfer-Katalysator wie eine Halbleiter/Metall-Verbindung und ermöglicht es den Photonen, Elektronen abzulösen. Die freigesetzten Elektronen reagieren dann mit dem umgebenden Wasser und erzeugen Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale – eine der biologisch zerstörerischsten Formen von Sauerstoff. Die neu gebildeten Chemikalien töten die Bakterien schnell ab, indem sie ihre Zellmembranen ernsthaft schädigen.

Für die Studie verwendete das Stanford-Team ein 200-Milliliter-Becherglas mit Wasser bei Raumtemperatur, das mit etwa 1 Million E. coli-Bakterien pro ml [0,03 Unzen] kontaminiert war.

„Wir haben das Pulver in das kontaminierte Wasser eingerührt“, sagte Co-Hauptautor Bofei Liu, ein ehemaliger MSE-Postdoktorand. „Dann führten wir den Desinfektionstest auf dem Stanford-Campus in echtem Sonnenlicht durch und innerhalb von 60 Sekunden konnten keine lebenden Bakterien mehr nachgewiesen werden.“

Die pulverförmigen Nanoflocken können sich schnell bewegen, mit vielen Bakterien physischen Kontakt aufnehmen und diese schnell abtöten, fügte er hinzu.

Auch die durch Sonnenlicht erzeugten chemischen Nebenprodukte verflüchtigen sich schnell.

„Die Lebensdauer von Wasserstoffperoxid und Hydroxyradikalen ist sehr kurz“, sagte Cui. „Wenn sie nicht sofort Bakterien zum Oxidieren finden, zerfallen die Chemikalien in Wasser und Sauerstoff und werden innerhalb von Sekunden entsorgt. Sie können das Wasser also sofort trinken.“

Das ungiftige Pulver ist zudem recycelbar. Eisenoxid ermöglicht es, die Nanoflocken mit einem gewöhnlichen Magneten aus dem Wasser zu entfernen. In der Studie sammelten die Forscher mithilfe von Magnetismus 30 Mal dasselbe Pulver, um 30 verschiedene Proben kontaminierten Wassers zu behandeln.

„Für Wanderer und Rucksacktouristen könnte ich mir vorstellen, eine kleine Menge Pulver und einen kleinen Magneten dabei zu haben“, sagte Cui. „Tagsüber gibt man das Pulver in Wasser, schüttelt es ein wenig unter Sonnenlicht und schon hat man innerhalb einer Minute trinkbares Wasser. Mit dem Magneten nimmt man die Partikel für die spätere Verwendung heraus.“

Das Pulver könnte auch in Kläranlagen nützlich sein, in denen derzeit UV-Lampen zur Desinfektion von aufbereitetem Wasser eingesetzt werden, fügte er hinzu.

„Tagsüber kann die Pflanze sichtbares Sonnenlicht nutzen, das viel schneller wirken würde als UV-Strahlung und wahrscheinlich Energie sparen würde“, sagte Cui. „Die Nanoflocken sind relativ einfach herzustellen und können schnell tonnenweise vergrößert werden.“

Die Studie konzentrierte sich auf E. coli, das schwere Magen-Darm-Erkrankungen verursachen und sogar lebensbedrohlich sein kann. Die US-Umweltschutzbehörde hat den maximalen Schadstoffgehalt für E. coli im Trinkwasser auf Null festgelegt. Das Stanford-Team plant, das neue Pulver an anderen durch Wasser übertragenen Krankheitserregern zu testen, darunter Viren, Protozoen und Parasiten, die ebenfalls schwere Krankheiten und den Tod verursachen.

Mehr Informationen: Yi Cui, Solarbetriebenes, effizientes heterogenes Subminute-Wasserdesinfektions-Nanosystem, zusammengesetzt aus Fingerabdruck-MoS2, Nature Water (2023). DOI: 10.1038/s44221-023-00079-4. www.nature.com/articles/s44221-023-00079-4

Zeitschrifteninformationen:Naturwasser

Bereitgestellt von der Stanford University