Neue Technologie nutzt gewöhnliches Sonnenlicht zur Desinfektion von Trinkwasser

May 01, 2023

Ein kostengünstiges, recycelbares Pulver kann bei Sonneneinstrahlung pro Sekunde Tausende wasserbasierter Bakterien abtöten. Wissenschaftler von Stanford und SLAC sagen, dass das ultraschnelle Desinfektionsmittel ein revolutionärer Fortschritt für zwei Milliarden Menschen weltweit sein könnte, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben.

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

Desinfektionspulver wird in bakterienverseuchtes Wasser eingerührt (oben links). Die Mischung wird dem Sonnenlicht ausgesetzt, das alle Bakterien schnell abtötet (oben rechts). Ein Magnet fängt das Metallpulver nach der Desinfektion ein (unten rechts). Anschließend wird das Pulver in einen weiteren Becher mit kontaminiertem Wasser umgefüllt und der Desinfektionsvorgang wiederholt (unten links). (Bildnachweis: Tong Wu/Stanford University)

Jetzt haben Wissenschaftler der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory ein kostengünstiges, recycelbares Pulver erfunden, das bei normaler Sonneneinstrahlung pro Sekunde Tausende von Wasserbakterien abtötet. Laut dem Stanford- und SLAC-Team könnte die Entdeckung dieses ultraschnellen Desinfektionsmittels ein bedeutender Fortschritt für fast 30 Prozent der Weltbevölkerung sein, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser hat. Ihre Ergebnisse werden in einer Studie vom 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.

Mikroskopische Bilder von E. coli vor (links) und nach der Desinfektion. Die Bakterien starben schnell ab, nachdem das Sonnenlicht Chemikalien produzierte, die schwere Schäden an den Zellmembranen der Bakterien verursachten, wie in den roten Kreisen dargestellt. (Bildnachweis: Tong Wu/Stanford University)

Für die Studie verwendeten das Stanford- und SLAC-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 wurden keine lebenden Bakterien mehr entdeckt.“

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 Team von Stanford und SLAC 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.

Yi Cui ist Direktor des Precourt Institute for Energy und des Sustainability Accelerator an der Stanford Doerr School of Sustainability. Er ist außerdem Professor für Photonenwissenschaft am SLAC National Accelerator Laboratory. Bofei Liu ist jetzt Forschungswissenschaftler bei EEnotech Inc., einem von Cui mitbegründeten Spin-off zur Wasseraufbereitung. Tong Wu ist Dozent an der Tonji-Universität in Shanghai.

Weitere Stanford-Mitautoren sind Harold Y. Hwang, Professor für angewandte Physik an der School of Humanities and Sciences und Professor für Photonenwissenschaft am SLAC sowie Direktor des Stanford Institute for Materials & Energy Sciences; ehemalige Ingenieur-Postdocs Chong Liu, Jiayu Wan, Feifei Shi, Ankun Yang, Kai Liu und Zhiyi Lu; und die ehemaligen Ingenieur-Doktoranden Jie Zhao und Allen Pei.

Die Finanzierung der Forschung erfolgte durch das US-Energieministerium.

Mark Golden, Precourt Institute for Energy: (650) 724-1629; [email protected]

Yi Cui, Materialwissenschaft und -technik: (650) 725-3230; [email protected]

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