02.06.2020 - Northwestern University

Intelligenter Schwamm könnte Ölverschmutzungen säubern

Hochporöser Schwamm saugt selektiv Öl auf, wodurch Wasser und Wildtiere geschont werden

Ein von der Northwestern University geleitetes Team hat einen hochporösen, intelligenten Schwamm entwickelt, der selektiv Öl in Wasser aufsaugt.

Mit seiner Fähigkeit, mehr als das 30-fache seines Gewichts an Öl aufzunehmen, könnte der Schwamm zur kostengünstigen und effizienten Beseitigung von Ölverschmutzungen verwendet werden, ohne die Meeresfauna und -flora zu schädigen. Nachdem das Öl aus dem Schwamm ausgepresst wurde, kann er viele Dutzend Male wiederverwendet werden, ohne seine Wirksamkeit zu verlieren.

"Ölverschmutzungen haben verheerende und unmittelbare Auswirkungen auf die Umwelt, die menschliche Gesundheit und die Wirtschaft", sagte Vinayak Dravid von Northwestern, der die Forschung leitete. "Obwohl viele Ölverschmutzungen klein sind und vielleicht nicht in die Abendnachrichten kommen, sind sie immer noch zutiefst invasiv in das Ökosystem und die umliegenden Gemeinden. Unser Schwamm kann diese Verschmutzungen auf eine wirtschaftlichere, effizientere und umweltfreundlichere Art und Weise beheben als jede der derzeit modernsten Lösungen".

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Industrial Engineering and Chemical Research veröffentlicht. Dravid ist der Abraham-Harris-Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der McCormick School of Engineering an der Northwestern. Vikas Nandwana, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter in Dravids Labor, ist der Erstautor der Arbeit.

Die Beseitigung von Ölverschmutzungen ist ein teurer und komplizierter Prozess, der oft die Meereslebewesen schädigt und die Umwelt weiter belastet. Zu den derzeit verwendeten Lösungen gehören die Verbrennung des Öls, die Verwendung chemischer Dispersionsmittel, um das Öl in sehr kleine Tröpfchen zu zerlegen, das Abschöpfen des auf dem Wasser schwimmenden Öls und/oder die Absorption des Öls mit teuren, nicht wiederverwertbaren Sorptionsmitteln.

"Jeder Ansatz hat seine eigenen Nachteile und keiner ist eine nachhaltige Lösung", sagte Nandwana. "Die Verbrennung erhöht den Kohlenstoffausstoß, und Dispersionsmittel sind für die Meeresfauna und -flora schrecklich schädlich. Abschäumer funktionieren nicht in rauen Gewässern oder mit dünnen Ölschichten. Und Sorptionsmittel sind nicht nur teuer, sondern erzeugen auch eine riesige Menge physischen Abfalls - ähnlich wie das Problem der Windeldeponien".

Die Northwestern-Lösung umgeht diese Herausforderungen, indem sie Öl selektiv absorbiert und sauberes Wasser und unbeeinträchtigte Meereslebewesen zurücklässt. Das Geheimnis liegt in einer Nanokomposit-Beschichtung aus magnetischen Nanostrukturen und einem Substrat auf Kohlenstoffbasis, das oleophil (zieht Öl an), hydrophob (widersteht Wasser) und magnetisch ist. Die nanoporöse 3D-Struktur des Nanokomposits interagiert selektiv mit den Ölmolekülen und bindet sich an diese, fängt das Öl ein und speichert es, bis es ausgepresst wird. Die magnetischen Nanostrukturen verleihen dem intelligenten Schwamm zwei zusätzliche Funktionalitäten: die kontrollierte Bewegung in Gegenwart eines externen Magnetfeldes und die Desorption von adsorbierten Komponenten, wie z.B. Öl, auf eine simulierte und ferngesteuerte Weise.

Die OHM (oleophobe, hydrophobe, magnetische) Nanokomposit-Aufschlämmung kann zur Beschichtung jedes billigen, kommerziell erhältlichen Schwamms verwendet werden. Die Forscher brachten eine dünne Schicht der Aufschlämmung auf den Schwamm auf, drückten den Überschuss aus und ließen ihn trocknen. Der Schwamm lässt sich schnell und einfach in einen intelligenten Schwamm (oder "OHM-Schwamm") mit einer selektiven Affinität für Öl umwandeln.

Vinayak und sein Team testeten den OHM-Schwamm mit vielen verschiedenen Arten von Rohölen unterschiedlicher Dichte und Viskosität. Der OHM-Schwamm absorbierte durchweg bis zum 30-fachen seines Gewichts an Öl und ließ das Wasser zurück. Um die natürlichen Wellen nachzuahmen, legten die Forscher den OHM-Schwamm auf einen in Wasser getauchten Schüttler. Selbst nach kräftigem Schütteln gibt der Schwamm weniger als 1% des absorbierten Öls wieder an das Wasser ab.

"Unser Schwamm funktioniert effektiv unter verschiedenen und extremen Wasserbedingungen mit unterschiedlichen pH- und Salzgehaltsniveaus", sagte Dravid. "Wir glauben, dass wir ein Giga-Tonnen-Problem mit einer nanoskaligen Lösung lösen können.

"Wir freuen uns, solch intelligente Schwämme als eine Plattform für die Umweltsanierung einzuführen, mit der Schadstoffe, die in Wasser, Boden und Luft vorhanden sind, wie z.B. überschüssige Nährstoffe, Schwermetallverunreinigungen, VOC/Toxine und andere selektiv entfernt und wiedergewonnen werden können", sagte Nandwana. "Die Nanostrukturbeschichtung kann so zugeschnitten werden, dass diese Schadstoffe selektiv adsorbiert (und später desorbiert) werden können".

Das Team arbeitet auch an einer anderen Sorte von OHM-Schwamm, der selektiv überschüssige gelöste Nährstoffe, wie z.B. Phosphate, aus Düngemittelabflüssen und landwirtschaftlicher Verschmutzung absorbieren (und später zurückgewinnen) kann. Stephanie Ribet, eine Doktorandin in Dravids Labor und Mitautorin des Papiers, verfolgt dieses Thema. Das Team plant die Entwicklung und Kommerzialisierung der OHM-Technologie zur Umweltsanierung.

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