Neuer Photokatalysator entfernt schnell verborgene krebserregende Nebenprodukte aus Trinkwasserquellen

Ein neuer Photokatalysator, der Sonnenlicht und ein bei der Wasseraufbereitung übliches Oxidationsmittel kombiniert, kann gefährliche organische Stoffe schnell aus dem Wasser entfernen und bietet so ein vielversprechendes Werkzeug für sichereres Trinkwasser und sauberere natürliche Wasserstraßen.

Beseitigung versteckter Gefahren im Wasser

Fulvinsäure, ein Hauptbestandteil natürlicher organischer Stoffe, verleiht vielen Flüssen und Stauseen ihre gelbbraune Farbe und kann bei der Desinfektion mit Chlor reagieren und im Leitungswasser krebserregende Nebenprodukte bilden. Diese Desinfektionsnebenprodukte, darunter Trihalomethane und Halogenessigsäuren, stellen langfristige Risiken für die menschliche Gesundheit dar und erschweren die Wasseraufbereitung sowohl in Städten als auch in ländlichen Gebieten. Die effiziente und groß angelegte Entfernung von Fulvinsäure und ähnlichen „feuerfesten“ organischen Stoffen ist seit langem eine Herausforderung für Ingenieure und Versorgungsunternehmen.​

Ein durch Sonnenlicht angetriebener Katalysator

Forscher haben nun einen recycelbaren Photokatalysator entwickelt, der aus Wismutoxychlorid und einem zweidimensionalen Material namens MXene besteht und sichtbares Licht nutzt, um ein weit verbreitetes Oxidationsmittel namens Peroxymonosulfat aufzuladen. In Tests entfernte dieses BiOCl-MXene-Komposit unter sichtbarem Licht in nur 30 Minuten 98,43 Prozent Fulvinsäure aus Wasser, mit einer mehr als dreimal schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit als herkömmliches BiOCl allein. Das Team berichtet, dass der Katalysator nach fünf Wiederverwendungszyklen über 80 Prozent seiner Entfernungseffizienz beibehält, was eine hohe Haltbarkeit bei wiederholtem Betrieb unterstreicht.​

Menschen denken bei Wasserverschmutzung oft an etwas, das man sehen kann, wie Plastik oder Algen, aber einige der schädlichsten Verbindungen sind unsichtbar und äußerst schwer abzubauen. Unser Material nutzt gewöhnliches Licht und ein gewöhnliches Oxidationsmittel, um diese komplexen Moleküle schnell zu zerlegen, was für die Wasseraufbereitung in der Praxis sehr attraktiv ist

Chenglong Sun, Hauptautor, Qingdao Agricultural University

Wie die Technologie funktioniert

Der Verbundwerkstoff bildet einen Schottky-Übergang, eine spezielle Schnittstelle, an der metallisches MXen und halbleitendes BiOCl zusammenarbeiten, um photogenerierte Ladungen viel effizienter zu trennen und zu transportieren als jedes Material allein. Bei Beleuchtung bewegen sich Elektronen in das MXen, während Löcher im BiOCl verbleiben, wodurch die Rekombination minimiert wird und reaktivere Spezies für den Angriff auf Schadstoffe verfügbar werden. Durch den Einbau von MXene wird auch die Oberfläche des Katalysators von 9,17 auf 41,73 Quadratmeter pro Gramm vergrößert, wodurch viel mehr aktive Zentren für die Durchführung von Reaktionen bereitgestellt werden.​

Durch die Aktivierung von Peroxymonosulfat erzeugt das System einen Cocktail aus starken Oxidationsmitteln, insbesondere Löchern und Superoxidradikalen, die als die dominanten Spezies identifiziert wurden, die den Abbau vorantreiben. Fortschrittliche spektroskopische Analysen zeigten, dass der Prozess die aromatischen Strukturen und Chromophore, die Fulvosäure stabil und lichtabsorbierend machen, schnell zerstört, wobei spezifische UV-Absorptionswerte und Fluoreszenzsignale innerhalb der ersten Minuten der Reaktion stark abfallen. Messungen des gesamten organischen Kohlenstoffs bestätigten, dass fast die Hälfte des Kohlenstoffs in Fulvinsäure innerhalb von 30 Minuten zu Kohlendioxid und kleinen nicht fluoreszierenden Molekülen mineralisiert wurde.​

Robust im echten Wasser und gegenüber vielen Schadstoffen

Über ideale Laborbedingungen hinaus zeigte der Photokatalysator über einen weiten pH-Bereich von 3 bis 9 eine starke Leistung und behielt eine hohe Entfernungseffizienz bei, selbst wenn die Fulvinsäurekonzentration von 20 auf 100 Milligramm pro Liter anstieg. In natürlichen und aufbereiteten Wässern häufig vorkommende Ionen wie Chlorid, Sulfat und Nitrat verursachten in realistischen Mengen nur geringfügige Störungen, und das System bewahrte eine Entfernungseffizienz von mehr als 80 Prozent, wenn geringe Konzentrationen dieser Anionen vorhanden waren. In Leitungswasser und Seewasser, die natürliche organische Stoffe und verschiedene gelöste Salze enthalten, entfernte der Katalysator innerhalb von 30 Minuten immer noch über 70 Prozent der Fulvosäure.​

Die Forscher zeigten auch, dass das gleiche System ein breites Spektrum organischer Schadstoffe über Fulvosäure hinaus bekämpfen kann. Unter sichtbarem Licht und Peroxymonosulfat erreichte der Verbundstoff Entfernungsraten von bis zu 99,99 Prozent für das Antibiotikum Doxycyclin, über 98 Prozent für Farbstoffe wie Methylenblau und Rhodamin B und bis zu 94,71 Prozent für phenolische Verunreinigungen wie Nonylphenol. Diese Vielseitigkeit legt nahe, dass das Material zur Behandlung verschiedener Industrieabwässer und neu auftretender Schadstoffe eingesetzt werden könnte, die einer herkömmlichen Behandlung widerstehen.​

Auf dem Weg zu einer sichereren und nachhaltigeren Behandlung

Der leitende Autor Guangshan Zhang betont, dass die Arbeit grundlegendes Materialdesign mit praktischen Umweltanforderungen verknüpft. „Der Schlüssel liegt darin, dass wir nicht einfach nur höhere Reaktionsraten anstrebten“, sagte Zhang. „Wir haben uns auf Stabilität, Beständigkeit gegenüber realen Wasserbedingungen und ein klares mechanistisches Verständnis konzentriert, damit dieses Konzept in fortschrittlichen Oxidationseinheiten für echte Kläranlagen skaliert und angepasst werden kann.“​

Das Team stellt sich vor, dass Reaktoren auf BiOCl-MXene-Basis in bestehende fortschrittliche Oxidationsprozesse integriert werden könnten, um Trinkwasser aufzubereiten, kleine ländliche Systeme zu schützen oder stark verschmutztes Oberflächenwasser zu sanieren. Da der Katalysator unter sichtbarem Licht arbeitet und ein kontrollierbares Oxidationsmittel verwendet, das in der Wasserindustrie bereits bekannt ist, könnte er einen praktischen Weg bieten, versteckte krebserregende Risiken zu reduzieren und gleichzeitig den Energiebedarf und den chemischen Fußabdruck zu senken.

Quellen: