Schematische Zeichnung eines MOFs
Shaghayegh Naghdi
Sauberes Trinkwasser ist essentiell. Wie man Grundwasser daher von Schadstoffen wie Glyphosat effizient befreien kann, zeigte nun ein internationales Forschungsteam um Dominik Eder.
Verunreinigtes Trinkwasser ist eine grosse Gefahr für die menschliche Gesundheit. Verschiedene Schadstoffe wie Pflanzenschutzmittel, Hormone, Medikamente und andere chemische Verbindungen können mit den derzeit zur Verfügung stehenden Methoden jedoch nicht vollständig aus dem Grundwasser entfernt werden. Gleichzeitig nimmt die Verunreinigung durch diese Stoffe stetig zu.
Ein aktuelles Beispiel dafür ist Glyphosat, das weltweit zur Unkrautbekämpfung eingesetzt wird und potenzielle Gefahren für Mensch und Umwelt birgt.
Ein Team um Dominik Eder (TU Wien, Institut für Materialchemie) hat nun eine neue Materialklasse entwickelt – sogenannte metallorganische Gerüste (MOFs) – mit denen sich das Herbizid Glyphosat selektiv und effizient aus dem Grundwasser entfernen lässt. Die Ergebnisse publizierten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift «Advanced Functional Materials».
Kleines Volumen, grosse Oberfläche
MOFs bestehen aus winzigen Metalloxidclustern, die durch organische Moleküle zu einem hochporösen, schwammartigen Netzwerk verbunden sind. Sie weisen eine extrem grosse Oberfläche von bis zu 7000 m²/g auf. «Das bedeutet, dass in einem Gramm MOFs ein ganzes Fussballfeld Platz findet», veranschaulicht Dominik Eder. «Folglich können in den Poren viele Moleküle adsorbiert werden, was MOFs zu idealen Materialien macht, um Moleküle wie CO2, anorganische Salze und organische Schadstoffe direkt aus der Luft oder Wasser zu binden.»
Mesoporen für grosse Moleküle
Eine entscheidende Einschränkung von MOFs für ihre Verwendung in flüssigen Medien ist jedoch die Zugänglichkeit aktiver Stellen tief im Inneren des Materials, wo die Adsorptionsprozesse und chemische Reaktionen stattfinden. Um diese Stellen zu erreichen, müssen die Zielmoleküle durch Mikroporen mit Durchmessern von weniger als 1 Nanometer diffundieren, was oft der Grösse der Moleküle selbst entspricht. In flüssigen Medien können Lösungsmittelmoleküle diesen Diffusionsprozess erheblich verlangsamen und die Poren verstopfen. Um dieses Problem zu lösen, hat die Forschungsgruppe eine Strategie entwickelt, um zusätzliche Poren mit einem Durchmesser von bis zu 10 Nanometern, so genannte Mesoporen, in die MOFs einzubauen.
Erfolgreiche Entfernung von Glyphosat
In Zusammenarbeit mit Forscherinnen der University of Northern British Columbia in Kanada untersuchte das Team um Dominik Eder schliesslich die Adsorption von Glyphosat aus Grundwasser. Bemerkenswerterweise konnte das neue Material in nur 20 % der Zeit dreimal so viel Glyphosat entfernen wie das derzeit beste Adsorptionsmittel.
Mit Hilfe von Computersimulationen, die am Technion in Israel durchgeführt wurden, entdeckte die Gruppe zudem, dass durch die Entfernung der organischen Bindeglieder neue Metallstellen entstehen. Diese ermöglichen die Bildung von chemischen Bindungen mit Glyphosat und dadurch eine schnellere Diffusion des Zielmoleküls. «Diese Bindungen sind stark genug, um Glyphosat und ähnliche organische Verbindungen sehr schnell und effizient zu adsorbieren. Sie sind jedoch schwach genug, um Glyphosat mit einer einfachen Natriumchlorid-Salzlösung wieder zu entfernen, so dass diese MOFs mehrfach verwendet werden können», erklärt Dominik Eder.
