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Fachartikel
27. August 2020

Empa-Materialwissenschaft

Forschende entwickeln Mini-Abwasserreinigung aus Blaualgen

Cyanobakterien - im Volksmund Blaualgen genannt - gehören zu den ältesten Lebewesen dieser Erde. Materialforschende der Empa haben die Bakterien nun so beschichtet, dass sie Schadstoffe mittels einer chemischen Reaktion aus Abwasser eliminieren können.

Die Forschenden überzogen rund vier Mikrometer dünne, geschraubte Schnüre von Cyanobakterien zunächst mit einer feinen Hülle aus Nickel. Einer Zwiebelschale gleich folgten darauf zarte Schichten aus Zinkoxid und Zinksulfid-Nanopartikeln.

Diese Zinkverbindungen werden unter Sonnenlicht photokatalytisch aktiv: Sie oxidieren und neutralisieren gewisse Schadstoffe unter Lichteinwirkung. «Mit der photokatalytischen Aktivität der beschichteten Algen sollte ein nachhaltiger, einfacher und günstiger Prozess für die Wasseraufbereitung genutzt werden können», sagte die Empa-Forschende Laetitia Philippe gemäss einer Mitteilung des Instituts. So erreichte sie gemeinsam mit ihrem Team das Ziel, Abwasser von persistenten organischen Schadstoffen zu befreien.

Kraftstoffe aus Algenrückständen

Nachdem die Bakterien die Schadstoffe zu leicht abbaubaren Produkten abgebaut haben, bleiben sie als Mini-Kraftwerke übrig. Die magnetische Nickelbeschichtung hilft dabei, die winzigen Algen aus dem Wasser herauszufischen. «Aus der Biomasse können Biokraftstoffe hergestellt werden», erklärte Laetitia Philippe. So lassen sich die Algenrückstände zu Bioethanol, Biodiesel und Pellets pressen.

Die Gewinnung der Blaualgen ist denkbar einfach: Zum einen kommen sie häufig in Gewässern und an Land vor. Zum anderen lassen sie sich mit Licht, Wasser und Dünger mit rasanter Geschwindigkeit in grossen Mengen züchten. Dabei verbrauchen sie nicht nur Kohlendioxid - durch das Einleiten von zusätzlichem Kohlendioxid in die Blaualgenkultur lässt sich die CO2-Bilanz der Methode noch verbessern.

Laetitia Philippe ist denn auch zuversichtlich, dass sich die im Fachmagazin «Advanced Science» vorgestellte Technologie nicht nur im Labor, sondern künftig auch in grösseren Massstäben bewähren kann.

Vollendete Architektur

Die Cyanobakterien tummelten sich bereits vor über 2 Milliarden Jahren in der «Ursuppe» unseres Planeten und helfen seither, die Atmosphäre mit Sauerstoff anzureichern. Heutzutage leben Blaualgen praktisch überall - in Gewässern, auf der Rinde von Bäumen oder an unwirtlichen Berggipfeln. Sie haben die effiziente Nutzung von Sonnenlicht zur Photosynthese derart perfektioniert, dass sie sogar in düsteren Grotten überleben können.

Für einen besonders effizienten und gleichzeitig nachhaltigen Prozess wurde an der Empa das Verfahren des «Biotemplating» genutzt, bei dem eine von der Natur vorgegebene Architektur als Schablone dient, um neue Oberflächenbeschichtungen anzubringen. Die Blaualge Spirulina, deren Form an einen winzigen Tauchsieder erinnert, eignete sich dafür besonders, da ihre kompakte Wendel-Struktur zur effizienten Nutzung des Sonnenlichts beiträgt.

Die Forschenden beschichteten die rund vier Mikrometer dünnen geschraubten Schnüre der konservierten Spirulina-Einzeller zunächst mit einer feinen Hülle aus Nickel. Einer Zwiebelschale gleich folgten darauf zarte Schichten aus Zinkoxid und Zinksulfid-Nanopartikeln. «Während die Blaualgen als Strukturgeber fungieren, sorgt die magnetische Nickelbeschichtung für eine einfache Möglichkeit, die kleinen Alleskönner wieder zurückzugewinnen», sagt Laetitia Philippe. Die darüber aufgetragene Beschichtung mit Zinkverbindungen weist eine beeindruckende photokatalytische Aktivität auf. Einerseits führt die Kombination zweier Zinkverbindungen zu einer längeren Leistungsfähigkeit der Photokatalyse-Reaktion.

An der Empa kann aber auch ein grösserer Wellenlängenbereich des Sonnenlichtspektrums genutzt werden. «Mit Zinkoxid lässt sich lediglich die UV-Strahlung des Sonnenlichts für Reinigungsprozesse nutzen», erklärt Empa-Forscher Albert Serrá. «Mit der photokatalytischen Aktivität der beschichteten Algen sollte aber nun ein nachhaltiger, einfacher und günstiger Prozess für die Wasseraufbereitung genutzt werden können.»

Wasser von Mikroplastik befreien

Seit 2015 gehört die Verfügbarkeit und nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser für alle Menschen zur Globalen Nachhaltigkeitsagenda der Vereinten Nationen (UN). Entsprechend dieser Zielvorgabe suchte die Forschenden der Empa nach einer Technologie, die sauberes Wasser weltweit und auf der Grundlage von bestehenden Anlagen produzieren könnte. Hierbei sollte das Wasser vor allem von Mikroplastik und persistenten organischen Schadstoffen befreit werden, die herkömmliche Aufbereitungssysteme nicht entfernen. Die Forschenden entwickelten daher einen Prozess auf der Basis von Photokatalyse mittels Zinkoxid und Zinksulfid, einer chemischen Reaktion, die unter Lichteinwirkung Schadstoffe oxidiert und neutralisiert. Die Kombination mit Zinksulfid-Nanopartikeln ermögliche es nun aber auch Bereiche des sichtbaren Lichts als Energiequelle anzuzapfen.

Hier geht’s zum Originalbeitrag im «Advanced Science».

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