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Sauberes Wasser ist eines der von den Vereinten Nationen gesetzten Ziele für eine nachhaltige Entwicklung. Mit Graphen ist es nun sehr einfach, Wasser durch eine Membran zu filtern, und zwar ohne einen chemischen Prozess. Nach seiner Entdeckung im Jahr 2004 wurde Graphen zum feinsten Material, das es auf der Welt gibt. Seine besondere Zusammensetzung – Kohlenstoff- und Wasserstoffatome in Form einer Bienenwabe – sowie seine Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit machen diesen Stoff zu einer vielversprechenden Ressource für viele Anwendungen, insbesondere für die Wasseraufbereitung. Dieser Artikel befasst sich mit der Verwendung von Graphen zur Filterung von Wasser, um es trinkbar zu machen.

Lesen: Ultimativer Leitfaden zu Graphen: Alles, was Sie über Graphen wissen müssen

Zunächst ist es notwendig, das Problem der Wasserknappheit und des verunreinigten Wassers zu verstehen, bevor die Verwendung von Graphen zu diesem Zweck erörtert wird:

Mangelnder Zugang zu Wasser

Fast 700 Millionen Menschen auf der Welt haben keinen Zugang zu Trinkwasser. Das Trinken von verschmutztem Wasser hat katastrophale Folgen für die Gesundheit und die Ernährung der Menschen und schwächt den Körper erheblich. Menschen, die verunreinigtes Wasser trinken, können schnell unterernährt werden. Tatsächlich sind 50 Prozent der Fälle von Unterernährung bei Kindern auf wiederholten Durchfall und Darminfektionen aufgrund von verschmutztem Wasser und/oder unzureichender Hygiene zurückzuführen.

Trotz unbestreitbarer Fortschritte, die Regierungen und NRO mit Unterstützung der Vereinten Nationen seit 1990 erzielt haben, haben derzeit mehr als 2 Milliarden Menschen keinen Zugang zu Trinkwasser. Neunzig Prozent dieser Menschen leben vor allem in ländlichen oder abgelegenen Gebieten, aber das Problem wird nach Ansicht von Klimaexperten bald ein noch nie da gewesenes Ausmaß annehmen.

Wasser in den nachhaltigen Entwicklungszielen

Im Jahr 2015 einigten sich die Staats- und Regierungschefs der Welt auf die Verabschiedung der Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs), um bis 2030 die Armut zu beseitigen, den Planeten zu schützen und Wohlstand für alle zu sichern. Diese Ziele gelten für alle Länder und decken mehrere Bereiche ab, wie z. B. den Klimawandel oder geschlechtsspezifische Ungleichheiten. Die Nummer 6 ist dem Wasser gewidmet: Sauberes Wasser und sanitäre Einrichtungen für alle.

Aufgrund seiner Querschnittsdimension ist Wasser für die Erreichung anderer Ziele wie Null Hunger, Gesundheit und Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung. Leider sieht es so aus, als ob viele Länder beim derzeitigen Fortschritt das sechste Ziel bis 2030 nicht erreichen können.

Es sind größere Anstrengungen und Investitionen erforderlich, um alle Ziele zu erreichen, insbesondere in Bezug auf Gesundheit und Hygiene: Es bedarf u. a. nationaler politischer Anpassungen, der Mobilisierung von Ressourcen und nationaler statistischer Systeme zur Überwachung der neuen SDG-Indikatoren. Das Wichtigste ist jedoch, allen Menschen auf der Welt durch fortschrittliche Lösungen sauberes Wasser zur Verfügung zu stellen. Dies ist durch den Einsatz von Graphen-Filtern aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit möglich.

Einsatz von Graphen zur Wasseraufbereitung

Die von MIT-Forschern entwickelten Graphen-Nanorollen könnten u. a. zur Herstellung von wirksamen und gezielten Wasserfiltersystemen verwendet werden. Die außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Graphen brachten die Forscher auf die Idee, dieses Material für die Konstruktion von Wasserreinigungsmembranen zu verwenden. Nicht nur, um Schadstoffe chemisch zu entfernen, sondern auch, um sie physikalisch zu extrahieren. Diese Milliarden von Graphen-Nanoröllchen sind in Schichten angeordnet und können Schadstoffe selektiv auffangen. Dieses Verfahren erzeugt sehr reines Wasser ohne unangenehmen Geschmack oder schlechten Geruch.

Graphen-Nanowalzen

Graphen gilt als Wundermaterial, insbesondere in der Elektronikindustrie. Leider sind die außergewöhnlichen Eigenschaften, die Forscher bereits entdeckt haben, sehr kompliziert und kostspielig in der Umsetzung. Es geht um die Preisfrage, die US-Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University an Graphenoxid interessiert. Aus diesem Grund ist es schwierig, die Reinheit von Graphen zu erhalten und es auf industrieller Ebene einzusetzen. Forscher des MIT und der Harvard University nutzen die oxidierte Form, die mit Sauerstoff- und Wasserstoffatomen verunreinigt, aber billiger als das reine Material ist. Sie haben aus Graphenoxid mit Hilfe von Ultraschalltechniken Nanorollen mit kontrollierbaren Abmessungen hergestellt. Die Nanorollen haben die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Graphen und kosten nur einen Bruchteil davon.

Die Idee, Graphen-Nanokugeln zu verwenden, ist nicht neu, aber wie gesagt, die Technik ist zu teuer, um industriell genutzt zu werden. Forscher hatten auch versucht, Graphenoxid-Nanowalzen herzustellen. Die US-Forscher setzten zunächst ein chemisches Verfahren, die so genannte Hummer-Methode, ein, um Graphenoxidblätter aus Graphitspänen herzustellen. Nach dem Einbringen in eine Lösung wurden diese Graphenoxid-Folien dann mit zwei verschiedenen Ultraschallmethoden simuliert, um das gleiche Ergebnis zu erzielen: die spontane Bildung von Nanorollen.

Forscher am MIT und an der Harvard University haben piezoelektrische Sonden verwendet, die, wenn sie unter Strom gesetzt und in eine Lösung gegeben werden, Schallwellen mit einer Frequenz von etwa 20 Hz oder 390 Hz erzeugen. Diese Wellen bringen die Umgebung in Bewegung und erzeugen Blasen. Wenn diese Blasen explodieren, setzen sie genügend Energie frei, um die Bildung von konischen Nanorollen aus Graphenoxidblättern einzuleiten. Und die Ergebnisse der US-Forscher zeigen, dass eine höhere Frequenz und eine kürzere Behandlung größere Nanorollen erzeugen kann und umgekehrt.

Bislang wurden nur 10 % der Platten in Nanorollen umgewandelt. Die Forscher am MIT und an der Harvard University versichern jedoch, dass ihre Technik verbessert werden kann, um eine höhere Ausbeute zu erzielen. Sie kann dann in bestehende industrielle Verfahren zur Herstellung von Wasserfiltrationsmembranen integriert werden.

Aufbereitung von Meerwasser

Ebenso haben Wissenschaftler eines der größten Probleme der Menschheit gelöst: Meerwasser zu reinigen und es für Trinkwasserzwecke nutzbar zu machen. Die jüngste Anwendung, die von einem Forscherteam der Universität Manchester entdeckt wurde, ist ein Filter, der die Trinkwasserknappheit, eines der größten Probleme der Menschheit, lösen könnte.

14 % der Weltbevölkerung haben keinen Zugang zu Trinkwasserressourcen. Nach Angaben der Organisation der Vereinten Nationen werden in acht Jahren 14 % der Weltbevölkerung keinen Zugang zu Trinkwasserressourcen haben. Dieses Problem könnte dank der 71 % der Wassermassen, die die Erde bedecken, verhindert werden. Die Kosten für die Entsalzung eines Teils der Ozeane schienen jedoch bis zur Entdeckung von Graphenoxid nicht realisierbar.

Wissenschaftler haben eine Verbindung auf Graphenbasis entwickelt, die durch einen einfachen Oxidationsprozess im Labor hergestellt werden kann. Auf diese Weise entsteht eine große Graphenschicht, die in der Lage ist, das Meerwasser zu filtern und es trinkbar zu machen. Aber wie haben die Forscher erreicht, dass die gewöhnlichen Salze des Meeres nicht durch das Material hindurchgehen?

Bisher ließ die Struktur von Graphenoxid kleine Nanopartikel, organische Moleküle und große Salze passieren, ohne dass die üblichen Salze des Meerwassers absanken. Der Grund dafür war, dass die Löcher in den Schichten kleiner sein mussten, damit die Membranen nicht aufquellen und die Substanz durch die anderen Moleküle hindurchgehen konnte.

Der innovative Schritt bestand nun darin, dass die Forscher auf jeder Seite des Graphenoxid-Gewebes eine dünne Schicht Harz – wie es für Klebstoffe verwendet wird – aufbrachten, die verhinderte, dass sich die Membran ausdehnte, wodurch die Eigenschaften des Materials fein abgestimmt wurden. Das heißt, der Porenraum wird kontrolliert, um die Entsalzung zu verbessern. Der nächste Schritt des wissenschaftlichen Fortschritts ist die Herstellung dieser Folien in industriellem Maßstab und zu geringen Kosten.

Neueste Forschung zur Wasseraufbereitung mit Graphen

Australische Forscher haben ein Filtersystem mit einem Graphen-Derivat entwickelt, das in der Lage ist, jegliches Brackwasser oder kontaminiertes Wasser von Schadstoffen zu befreien. Ihr Verfahren ist energieeffizienter als herkömmliche Filter. Eine Innovation, die nach Ansicht der Wissenschaftler einige Probleme im Zusammenhang mit der Trinkwasserknappheit in der Welt lösen und dazu beitragen würde, das Ziel 6 der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung zu erreichen. Die Wasseraufbereitung ist in der Regel ein komplexer, mehrstufiger Prozess, so dass dieser Durchbruch erhebliche Auswirkungen auf die geschätzten 2,1 Milliarden Menschen haben könnte, die in vielen Ländern der Erde kein Trinkwasser zur Verfügung haben.

Die Verbesserung des Zugangs zu sicherem Wasser für die menschliche Gesundheit ist die Herausforderung eines Teams australischer Wissenschaftler. Der von ihnen entwickelte Filter hält 99 % des Salzes im Meerwasser zurück, ebenso wie die meisten Verunreinigungen und industriellen Schadstoffe oder solche, die vom Menschen in die Umwelt abgegeben werden. Ihr Verfahren basiert auf einer besonderen Form von Graphen, einem zweidimensionalen Kohlenstoffkristall, bei dem die Dicke eines Atoms eine mikroskopisch kleine Anordnung von sechseckigen Mustern bildet.

Dieses Material mit erstaunlichen Eigenschaften hat die Besonderheit, dass es hydrophob ist, also Wasser abstößt. Australische Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, mit der sich das Äquivalent von Graphen leicht aus Sojaöl, einem kostengünstigen und erneuerbaren Stoff, gewinnen lässt. Dieses GraphAir, wie es die Forscher nennen, liegt in Form eines sehr feinen Films vor. Indem es die Membran herkömmlicher, auf dem Markt erhältlicher Filtergeräte bedeckt, reinigt das Gerät in einem einzigen Durchgang jedes Brackwasser oder verschmutzte Wasser.

Darüber hinaus ist dieser Graphen-Filter relativ billiger, schneller und umweltfreundlicher herzustellen als andere Filter, da sein Hauptbestandteil erneuerbares Sojaöl ist, was ebenfalls zur Maximierung der Effizienz der Reinigung beiträgt. Mit der Zeit können ölbasierte Schadstoffe die Eigenschaften des Filters beeinträchtigen, so dass die Verunreinigungen entfernt werden müssen, bevor er wieder verwendet werden kann. Nach mehreren Tests in den stark verschmutzten Gewässern des Hafens von Sydney wurde das Gerät nie verschmutzt, so die Forscher, die ihre Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichten. Filter auf Graphenbasis können alle komplexen, zeitaufwändigen und mehrstufigen Verfahren ersetzen, die derzeit von Privatpersonen oder der Wasserindustrie eingesetzt werden.

Schlussfolgerung

Wasserverschmutzung und Wasserknappheit sind ein großes Problem in der Welt. Es ist festzustellen, dass 700 Millionen Menschen auf der Welt keinen Zugang zu sauberem Wasser haben. Das verunreinigte Wasser, das die Menschen trinken, führt zu vielen Krankheiten, die auch zum Tod führen können. In dieser Hinsicht hat sich Graphen aufgrund seiner besonderen Struktur mit hoher Permeabilitätsdichte als ein Wunder auf diesem Gebiet erwiesen. Graphen bietet die Möglichkeit, es sowohl für die Entsalzung von Wasser als auch für die Wasserreinigung zu verwenden. Die in diesem Artikel besprochenen Studien weisen darauf hin, dass die Wasseraufbereitung auf der Grundlage von Graphen in wesentlich kürzerer Zeit und zu wesentlich geringeren Kosten durchgeführt werden kann. Die von MIT-Forschern entwickelten Nanowalzen sind sehr effektiv bei der Wasseraufbereitung und machen das Wasser trinkbar. In ähnlicher Weise haben australische und britische Forscher wichtige Meilensteine bei der Wasseraufbereitung mit Graphen erreicht, wie in dem Artikel beschrieben.

Quelle


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