Studie zu „Wasserreinigung und Recycling mit nanomagnetischen Helfern“ honoriert

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Würzburg — Der Fraunhofer-Wissenschaftler Dr. Karl Mandel erhält für Inhalt, Darstellung und gesellschaftliche Bedeutung seiner Doktorarbeit den renommierten Deutschen Studienpreis der Körber-Stiftung. Der Materialforscher vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg wird für seine Dissertation, in der es um „Wasserreinigung und Rohstoffrecycling mit nanomagnetischen Helfern“ geht, ausgezeichnet.

Verschiedenste Stoffe – von Düngemitteln bis Schwermetallen – verschmutzen weltweit Wasser, welches dadurch zu flüssigem Müll, zu Abwasser wird. Durch „nanomagnetische Helfer“ ist es möglich, die Substanzen aus dem Wasser wieder herauszuholen – so werden sie erneut für Industrie oder Landwirtschaft nutzbar gemacht und gleichzeitig wird das Wasser gereinigt. Karl Mandels Aufgabe in seiner Doktorarbeit war es, eine Art „Greifer“ zu entwickeln, mit dem man ins Wasser „hineingreifen“ und die darin gelösten Stoffe herausholen kann. Somit wäre das Wasser gereinigt und die herausgezogenen Stoffe für industrielle Zwecke wieder einsetzbar.

Der Trick: magnetische  Spezialpartikel

Dieses Prinzip hat der Fraunhofer-Forscher mit einem materialchemischen und prozesstechnischen Ansatz ausgeführt. Dabei sind kleine Spezialpartikel die innovative Lösung. Diese Partikel können feinstverteilt dem Abwasser zugegeben werden und dann die darin enthaltenen Stoffe selektiv chemisch binden. Der Trick dabei: Da die Partikel magnetisch sind, können sie mit ihrer Fracht einfach mit einem Magneten aus dem Abwasser herausgezogen werden. Der an die Partikel gebundene Stoff wird dann wieder abgewaschen und kann so in einer Waschlösung gesammelt und z. B. für industrielle Prozesse wiederverwertet werden. Auch die Partikel selbst sind wiederverwendbar. Dem Abwasser erneut zugegeben können sie ihre Reinigungsaufgabe aufs Neue erfüllen.

Bei der Entwicklung dieses Prozesses bestand die besondere Herausforderung darin, die Spezialpartikel richtig aufzubauen. Um Stoffe im Wasser zu binden, müssen sie sich nämlich fein im Abwasser verteilen. Die Fängerpartikel müssen dazu völlig frei im Abwasser schweben und dürfen zunächst nicht magnetisch sein. An dieser Stelle kommt die Nanotechnologie zum Einsatz, die sich mit Materialien im Größenbereich von wenigen Tausendstel Mikrometern beschäftigt. Zum Vergleich: Ein Nanopartikel verhält sich in seiner Größenrelation zu einem Fußball wie der Fußball zum gesamten Erdball.

Stoffe wie Phosphat oder Arsen gebunden

Das Faszinierende an dieser kleinen Dimension ist, dass viele physikalische und chemische Eigenschaften von Materialien plötzlich radikal andersartig werden – so auch nanodimensionierte magnetische Materialien. Ein solches Nanopartikel rotiert seine magnetische Ausrichtung willkürlich in alle Richtungen – aber nur solange, bis ein großer Magnet in die Nähe des Partikels gebracht wird. Dann richtet sich seine Magnetisierung aus und es wird vom Magneten angezogen. Wird der Magnet entfernt, verliert es wieder seine magnetische Eigenschaft. Somit entsteht ein schaltbarer Magnet. Durch den Nanoeffekt ziehen sich die Partikel im Abwasser nicht gegenseitig an, verteilen sich gut und sind nur aktiv, wenn ein großer Magnet in der Nähe ist.

Um aber die Partikel mit einem großen Magneten gut anziehen zu können, braucht es einen Trick: Viele der kleinen Partikel werden mithilfe eines Matrixmaterials zu einem großen Partikel zusammengefasst. Ein solches Partikel, mit Abermillionen Nanopartikeln in seinem Inneren, entspricht in seiner Größe dann etwa der Dicke eines menschlichen Haares – und es behält seine Eigenschaft als schaltbarer Magnet bei. Ausgestattet mit einer für bestimmte Stoffe modifizierten Oberfläche bindet das große zusammengesetzte Partikel dann selektiv Stoffe wie Phosphat oder Arsen.

Mit diesem Verfahren kann eine Kläranlage so zur Rohstofflagerstätte der Zukunft werden, während das Wasser gereinigt wird.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC