Wissenschaftler entwickeln parallele Methode zur Nebelgewinnung und Wasseraufbereitung

Die Nebelgewinnung bietet Regionen ohne Seen und Flüsse eine weitere Süßwasserquelle, aber in städtischen Zentren, wo Wasser oft knapp ist, kommt die Luftverschmutzung zusätzlich zur Herausforderung. Jetzt haben Forscher eine einfache Methode entwickelt, um gleichzeitig Wasser aus Nebel zu sammeln und schädliche Verunreinigungen zu entfernen – ein Fortschritt, der dazu beitragen könnte, Millionen von Menschen weltweit Zugang zu sauberem Trinkwasser zu verschaffen.

Wie heute in der Fachzeitschrift „Nature Sustainability“ berichtet, demonstrieren Forscher, wie ein nanotechnisch hergestelltes Stahlgeflecht mit einer speziellen solarbetriebenen Beschichtung Wassertröpfchen aus Nebel sammeln und das Wasser dann aufbereiten kann, um es trinkbar zu machen. Die Beschichtung, ein Polymer aus Titandioxid-Nanopartikeln, verfügt über die einzigartige Fähigkeit, auch bei Sonneneinstrahlung reaktiv zu bleiben und rund um die Uhr Verschmutzungen durch Regen oder Sonnenschein zu entfernen.

Dieser vollständig passive, hybride Ansatz zum Sammeln und Aufbereiten von Wasser ist „ein Novum auf seinem Gebiet“, so der Hauptforscher Thomas Schutzius, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der UC Berkeley. Zuvor war er Assistenzprofessor an der ETH Zürich, wo die meisten dieser Arbeiten abgeschlossen wurden.

„Mit der Wassergewinnung wollen wir das Problem lösen, Trinkwasser dort bereitzustellen, wo es benötigt wird, aber es gibt gleichzeitig das Problem der Luftverschmutzung in städtischen Zentren“, sagte Schutzius. „Wir glauben, dass die Antwort eine parallele Behandlung ist. Deshalb war es unser Ziel, Nebelkollektoren zu entwickeln, die sowohl Wasser sammeln als auch einen Teil dieser Verschmutzung – insbesondere organische Verschmutzungen – entfernen können, während sie gleichzeitig passiv bleiben.“

Lösung für den ganzen Tag und jedes Wetter

Seit Jahren entwickeln Forscher passive Systeme, um mikroskopisch kleine Wassertröpfchen aus Nebel effizient aufzufangen, oft unter Verwendung großer, vertikaler Zäune aus nanoskopischen gewebten Maschen. Diese früheren Arbeiten konzentrierten sich jedoch auf unbelasteten Nebel. In städtischen und industriellen Umgebungen und sogar in windabgewandten Gebieten können Nebeltröpfchen mit gefährlichen Mengen organischer Schadstoffe verunreinigt werden, von denen viele mit Krebs oder anderen schwerwiegenden Gesundheitsproblemen in Verbindung stehen und das gesammelte Wasser nicht mehr trinkbar machen.

Thomas Schutzius, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der UC Berkeley.

Um diese Verunreinigungen aus den eingefangenen Nebelwassertröpfchen zu entfernen, setzten die Forscher auf Polymerbeschichtungen. Erstautor Ritwick Ghosh, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung und Gastforscher an der ETH Zürich, hatte zuvor entdeckt, dass kontaminierter Nebel durch den Einsatz von Netzbeschichtungen mit photokatalytisch aktiven Metalloxid-Nanopartikeln in begrenztem Umfang behandelt werden kann wie Titandioxid.

Solche Beschichtungen werden reaktiv, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt werden, und bewirken, dass Schadstoffmoleküle in Nebeltröpfchen in harmlose Stoffe zerfallen, wodurch das gesammelte Wasser trinkbar wird. Diese Beschichtungen erforderten jedoch eine aktive und kontinuierliche UV-Lampenbeleuchtung, was ihre Fähigkeit zur wirksamen Bekämpfung organischer Schadstoffe beeinträchtigte.

In dieser neuesten Studie haben Schutzius und Ghosh den nächsten Schritt unternommen, um die Behandlung vollständig passiv zu gestalten: Sie optimierten die Nanopartikelbeschichtung, sodass das Wasser weiter behandelt werden konnte, ohne dass es rund um die Uhr UV-Licht ausgesetzt werden musste.

„Der Schlüssel hier ist, dass wir die Oberfläche reaktiv machen können, wenn es sonnig ist, und dass sie auch dann reaktiv bleibt, wenn es neblig oder bewölkt ist – sie zeigt also fast ein kapazitives Verhalten“, sagte Schutzius und beschrieb die Fähigkeit der reaktiven Beschichtung, Ladung zu speichern eine Batterie, die eine effektive Wasseraufbereitung unabhängig von Wetterbedingungen und Tageszeit ermöglicht.

Hervorragende Behandlung

Im Rahmen dieser Studie testeten die Forscher zwei Beschichtungstypen, hydrophile und hydrophobe. Beide schnitten bei der Wasseraufnahme gleich gut ab, die hydrophile Version schnitt jedoch bei der Behandlung hervorragend ab.

Da die hydrophile Beschichtung Wasser anzieht, bilden gesammelte Wassertröpfchen einen dünnen Film entlang des Netzes, sodass Schadstoffmoleküle eine kurze Strecke zurücklegen können, bevor sie auf die reaktive Beschichtung des Netzes treffen, die dann zu ihrem Zerfall führt. Umgekehrt führt die hydrophobe oder wasserabweisende Beschichtung dazu, dass sich Wasser zu einer dicken Schicht auf dem Netz ansammelt, wodurch die Schadstoffpartikel mehr Zeit benötigen, um die reaktive Oberfläche zu erreichen.

Nach der Durchführung von Labortests mit gängigen Schadstoffen wie Diesel und Bisphenol A wollten die Forscher die Leistung des hydrophil beschichteten Netzes in einer realen Umgebung messen. Anschließend testeten sie das Netz auf einem Dach unter direkter Sonneneinstrahlung, wobei sie Methylorange als Verunreinigung verwendeten. Ihre Ergebnisse zeigten, dass das Netz den verschmutzten Nebel mit „guter Wassersammelleistung (≈8 %) und außergewöhnlicher Reduzierung organischer Schadstoffe (> 90 %)“ auffing und behandelte.

Zum Vergleich: In entsprechenden Experimenten mit Nebelsammelgeräten konnten die Forscher maximale Sammeleffizienzen von etwa 12 bis 17 % erreichen, obwohl diese Arbeit in einem Labor mit nicht kontaminiertem Nebel durchgeführt wurde. Und in Ghoshs früheren Experimenten mit polymerbeschichteten Netzen, die eine konstante UV-Bestrahlung erforderten, betrug die Menge des entfernten organischen Inhalts weniger als 36 %.

Laut Schutzius wurde die Nebelernte in Trockengebieten auf der ganzen Welt bereits in großem Maßstab umgesetzt. Die Implementierung eines parallelen Behandlungssystems kann sich als schwieriger erweisen, da die Luftverschmutzung sowohl in ihrer chemischen Zusammensetzung als auch in ihren Konzentrationen von Ort zu Ort unterschiedlich sein kann. Er ist jedoch optimistisch, dass dies durch weitere Tests der Polymerbeschichtung behoben werden kann, was den Weg für die zukünftige Einführung des Behandlungssystems ebnet.

„Zuerst müssten Sie die Schadstoffmischung auswählen, die mit Ihrem Nebel einhergeht“, sagte Schutzius. „Sobald Sie das verstanden haben, glaube ich nicht, dass irgendetwas mehr zwischen Ihnen und einer Ausweitung steht.“

Co-Autoren der Studie sind Adrien Baut und Giorgio Belleri vom Labor für Mehrphasen-Thermofluidik und Oberflächen-Nanoengineering, Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik, ETH Zürich; und Michael Kappl und Hans-Jürgen Butt von der Abteilung Physik an Grenzflächen, Max-Planck-Institut für Polymerforschung.

Weitere Informationen:

Medienmitteilung der ETH Zürich: Sauberes Wasser aus Nebel gewinnen