Mit Magneten Plastikpartikel aus dem Wasser entfernen

Publiziert

Mikro- und Nanoplastik stellen omnipräsente und problematische Umweltbelastungen dar, für die gängige Reinigungskonzepte nicht anwendbar sind. Forscher der FAU konnten nun zeigen, wie Plastikpartikel verschiedener Sorten und Grössen mithilfe von Magneten aus dem Wasser entfernt werden können.

Hierzu setzten die Forscher ungiftige, speziell beschichtete Eisenoxid-Nanopartikel, sogenannte SPIONs, ein, die sie gezielt für die Anbindung an Plastikoberflächen entwickelt haben. Die SPIONs verklumpen mit den Plastikpartikel zu größeren Agglomeraten, die dann durch den Anteil an Eisenoxid sehr einfach magnetisch eingesammelt werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeiten wurden im Fachjournal Materials Today publiziert.

Hintergrundwissen: Mikro- und Nanoplastik

Wer hat in den letzten Jahren nicht von Mikroplastik gehört? Von der Antarktis bis in die Tiefsee, in Lebewesen, aber hauptsächlich im Wasser wurde es gefunden – immer mit dem Hinweis, dass es gesundheitsschädlich ist. Aber was ist Mikroplastik eigentlich? Was macht es potentiell so gefährlich und wie wird man diese menschengemachte Verschmutzung wieder los? Und was ist eigentlich Nanoplastik?

  • Mikroplastik zählt zu den so genannten „Emerging Contaminants“, also Umweltbelastungen, die erst seit den 1990-ern als solche wahrgenommen werden. Die Unterscheidung zwischen Mikroplastik (1 mm – 1 µm) und Nanoplastik (kleiner 1 µm) ist noch „jünger“. Bei der Klassifizierung wird allerdings bisher kaum der wichtige Faktor berücksichtigt, dass Plastik nicht gleich Plastik ist, sondern es eine große Vielzahl von verschiedenen Kunststoffen gibt (z.B. Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Teflon etc.), die jeweils in unterschiedlichen Formen, wie zum Beispiel Partikeln oder Fasern, vorkommen können.
  • Mikro-/Nanoplastik entsteht neben der gezielten Herstellung kleinster Kunststoffpartikel – typischerweise verwendet als preiswerte Füllstoffe – hauptsächlich durch die langsame mechanische Fragmentierung von Plastikmüll in der Umwelt. Die Langlebigkeit vieler Kunststoffe, bedingt durch ihre molekulare Struktur, stellt dabei ein Hauptproblem für deren biologischen Abbau dar, so dass Plastikmüll Jahrzehnte überdauert.
  • Plastik zersetzt sich also nicht, sondern wird lediglich immer kleiner. Aus einem Stück Plastikmüll (z.B. Polyethylen) von der Größe eines Zuckerwürfels können im Laufe der Zeit so ca. 1500 Mikropartikel (Durchmesser 10 µm) oder ca. 150.000 Teilchen Nanoplastik (Durchmesser 100 nm) werden. Dabei gilt: je kleiner die Plastikpartikel desto problematischer, da Nanoplastik leichter in Körperzellen eindringen kann (zum Vergleich: das SARS-CoV-2 Virus ist 60-90 nm groß).
  • Zudem besitzt Nanoplastik eine extrem große spezifische Oberfläche an der sich Giftstoffe oder Schwermetalle binden können und so in den Organismus gelangen. Schätzungen zufolge nimmt jeder Mensch mit der Nahrung wöchentlich bis zu 5 Gramm Mikroplastik zu sich – so viel wie eine Kreditkarte.
  • Bis heute wurden mehr als 8.3 Milliarden Tonnen Plastik hergestellt, von denen ein Großteil nicht recycelt wurde und auch nicht wird. Prognosen sagen bis zum Jahr 2050 ein akkumuliertes Plastikmüllvolumen in der Umwelt von 12 Milliarden Tonnen voraus. Effiziente Methoden zur Beseitigung gerade der nanoskaligen Plastikpartikel gibt es bisher nicht, da klassische Methoden wie Filtration oder Oxidation ungeeignet sind.

Mit „smartem Rost“ Plastik aus Wasser entfernen

In der aktuellen Studie zeigen die FAU-Forscher wie man Plastikpartikel verschiedener Sorten und Größen mithilfe ungiftiger, speziell beschichteter Eisenoxid-Nanopartikel einfach aus Wässern entfernen kann. Das FAU-Forscherteam um Prof. Marcus Halik (Department Werkstoffwissenschaften, Interdisziplinäres Zentrum für Nanostrukturierte Filme – IZNF), Prof. Dirk Zahn (Professur für Theoretische Chemie, Computer Chemistry Center – CCC), Prof. Erdmann Spiecker (Department Werkstoffwissenschaften, Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) sowie Prof. Christoph Alexiou (Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON) der Hals-Nasen-Ohren-Klinik) nutzten hierzu sogenannte SPIONs (SuperParamagnetic Iron Oxid Nanoparticles).

Vereinfacht könnte man diese Materialien auch als „smarten Rost“ bezeichnen. Die oberflächenmodifizierten SPIONs, die mit ca. 30 nm Durchmesser deutlich kleiner sind als die untersuchten Plastikpartikel (100–970 nm), wechselwirken mit den Plastikpartikeln wie eine Art Kleber und verklumpen diese zu größeren Aggregaten. Diese Aggregate aus Nanoplastik und Eisenoxid lassen sich nunmehr sehr einfach durch einen Magneten aus dem Wasser entfernen.

Bahnbrechend an diesem Konzept ist, dass durch die Oberflächenfunktionalisierung die SPIONs derart eingestellt werden, das bestimmte Plastiksorten bevorzugt anbinden. Dabei ist das Konzept so variabel, dass auch eine Breitband-Effizienz für Mischungen von Nanoplastik erreicht wird – wie sie auch in der Umwelt vorkommen.

Der wissenschaftliche Hintergrund dieser Wechselwirkungen, die hauptsächlich auf entgegengesetzten Oberflächenladungen der SPIONs und der Plastikpartikel basieren, wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Halik von Marco Sarcletti umgesetzt und durch Experimente bestätigt. Durch Simulationen (AG Zahn) wurde dieses Konzept theoretisch untermauert und die Morphologie der Agglomerate detailliert untersucht.

Die Experimente liefern darüber hinaus deutliche Anzeichen dafür, dass durch die spezielle Struktur der Moleküle an der SPION-Oberflächen eine Selektivität zwischen Plastikpartikeln und anorganischen Sedimentpartikeln erreicht werden kann. Das ist entscheidend, weil somit natürliche Sedimente die Effektivität der Reinigung nicht mindern. In einer eigens für magnetische Nanopartikel entwickelten Teststrategie zeigten die Forscher, dass die verwendeten SPIONs nicht toxisch sind (AG Alexiou). Auch dieser Befund ist fundamental für eine spätere praktische Anwendung.

Natürlich konnten mit dieser Studie nicht alle Fragen beantwortet werden, und kein technisches Verfahren ist geeignet die gesamten 1.4 Mrd. Kubikkilometer Wasser auf der Erde von Mikro- und Nanoplastik zu reinigen, jedoch arbeitet das Team um Prof. Halik derzeit an einer technischen Umsetzung zur Skalierung der magnetischen Wasserreinigung. Ziel ist dabei den zukünftigen Eintrag, der im Wesentlichen über Flüsse erfolgt, zu minimieren.

Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), den Exzellenzcluster EAM (Engineering of Advanced Materials) und durch die Graduate School Molecular Science (GSMS) an der FAU sowie durch das GRK1896 und den SFB1411 unterstützt.

Weitere Informationen

Prof. Marcus Halik
Tel.: 09131/85-70367
marcus.halik(at)fau.de

Marco Sarcletti
marco.sarcletti(at)fau.de

EVENTS

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

Swiss Green Economy Symposium

Konferenz zum Thema Wirtschaft und Nachhaltigkeit in der Schweiz

Datum: 2.-4. September 2026

Ort: Winterthur (CH)

Ilmac Lausanne

Fachmesse und Branchentreff für die Chemie- und Life-Science-Industrie in der Westschweiz

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Lausanne (CH)

POWTECH

Internationale Fachmesse für Technologien zur Verarbeitung von Pulvern, Feststoffen und Flüssigkeiten

Datum: 29. September -1.Oktober 2026

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Events für Hightech-Innovationen aus den Schlüsseltechnologien Optik, Photonik, Elektronik und Mechanik

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Jena (D)

Rehacare

Internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege

Datum: 23.-26. September 2026

Ort: Düsseldorf (D)

VISION

Weltleitmesse für industrielle Bildverarbeitung

Datum: 6.-8. Oktober 2026

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Internationale Fachmesse für den Schweizer Gesundheitssektor

Datum: 20.-22. Oktober 2026

Ort: Zürich (CH)

CPHI

Weltweit führende Messe für die pharmazeutische Industrie

Datum: 6.-8. Oktober 2026

Ort: Frankfurt (D)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 10.-13. November 2026

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 10.-13. November 2026

Ort: München (D)

AUTOMA+

Kongress für die Pharmaindustrie mit Konzentration auf die digitale Transformation und Automatisierung

Datum: 16.-17. November 2026

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

Leitmesse für die Verpackungs- und Intralogistikbranche

Datum: 24.-26. November 2026

Ort: Paris (F)

Bitkom Digital Health Conference

Konferenz für die Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung im Gesundheitswesen

Datum: 24. November 2026

Ort: Berlin (D)

LabConCert

Internationale Konferenz zu Biosicherheit und Labortechnik

Datum: 8.-9. Dezember 2026

Ort: Marburg (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 1.-3. Dezember 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Pharmapack Paris

Europäische Fachmesse für die Pharmaverpackungs- und Arzneimittelverabreichungsgeräteindustrie

Datum: 27.-28. Januar 2027

Ort: Paris (F)

Empack Schweiz

Schweizer Fachmesse für Verpackungslösungen und -technologien

Datum: 27.-28. Januar 2027

Ort: Zürich (CH)

Logistics & Automation

Fachmesse für Intralogistik, Distribution, Transport und E-Logistik in der Schweiz

Datum: 27.-28. Januar 2027

Ort: Zürich (CH)

Recyclingkongress

Kongress über aktuelle Entwicklungen, Innovationen und Herausforderungen im Bereich Recycling

Datum: 29. Januar 2027

Ort: Biel/online (CH)

Paris Packaging Week

Weltweit grösste Messe für Verpackungsinnovationen in der Parfüm-, Kosmetik- und Körperpflegeindustrie

Datum: 3.-4. Februar 2027

Ort: Paris (F)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 16.-19. Februar 2027

Ort: Nürnberg (D)

health.tech GLOBAL SUMMIT

HealthTech bezeichnet den Einsatz moderner digitaler Technologien wie Apps, Wearables oder KI zur Verbesserung von Gesundheitsversorgung, Prävention und medizinischer Diagnostik.

Datum: 2.-4. März 2027

Ort: Basel (CH)

ZHAW-IFM Day

Fachtagung über aktuelle Themen und Herausforderungen im Facility Management (FM)

Datum: 5. März 2027

Ort: Wädenswil (CH)

Additive Manufacturing Forum

Europäische Leitkonferenz und Fachausstellung für additive Fertigung

Datum: 2.-3. März 2027

Ort: Berlin (D)

Forum Kreislaufwirtschaft

Veranstaltung für die Umsetzung der Kreislaufwirtschaft in verschiedenen Bereichen

Datum: 18. März 2027

Ort: Zürich (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 16.-18. März 2027

Ort: Stuttgart (D)

Trendtage Gesundheit Luzern

Veranstaltung für aktuelle Trends und Perspektiven im Gesundheitswesen

Datum: 10.-11. März 2027

Ort: Luzern (CH)

Global Industrie

Messe für den gesamten industriellen Sektor in Frankreich und darüber hinaus

Datum: 15.-18. März 2027

Ort: Paris (F)

Hannover Messe

International Messe für alle Technologien rund um die industrielle Transformation

Datum: 5.-8. April 2027

Ort: Hannover (D)

Swiss Biotech Day

Internationale Konferenz für die Biotechnologiebranche

Datum: 26.-27. April 2027

Ort: Basel (CH)

London Lab Live

Fachmesse und Konferenz für die Zukunft von Laboren

Datum: 5.-6. Mai 2027

Ort: London (GB)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2027

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflow.

Datum: Mai 2027

Ort: Hannover (D)

LogiPharma

Veranstaltung für die Pharmalogistik und die Lieferketten in der Pharmaindustrie

Datum: 25.-27. Mai 2027

Ort: Wien (CH)

The Pharma Days

Veranstaltung für Zusammenarbeit, Innovation und Geschäftswachstum in der pharmazeutischen Industrie

Datum: 26.-27. Mai 2027

Ort: Genf (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 08.-11. Juni 2027

Ort: Genf (CH)

Swissmem Industrietag

Konferenz für die Berufsbildung in der Schweizer Tech-Industrie

Datum: Juni 2027

Ort: Bern (CH)

CosmeticBusiness

Internationale Fachmesse für die Kosmetik-Zulieferindustrie

Datum: 2.-3. Juni 2027

Ort: München (D)

GS1 Excellence Days

Konferenz für Innovationen und Lösungen im Bereich der Standardisierung, Identifikation und Geschäftsprozesse

Datum: Juni 2027

Ort: Bern (CH)

Automatica

Weltleitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 31. August- 2. September 2027

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 21.-23. September 2027

Ort: Basel (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 21.-24. September 2027

Ort: Berlin (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 21.-23. September 2027

Ort: Nürnberg (D)

Achema

Weltleitmesse für Prozessindustrie

Datum: 11.-13. Oktober 2027

Ort: Frankfurt am Main (D)

A + A

Weltleitmesse für sicheres und gesundes Arbeiten

Datum: 19.-22. Okotber 2027

Ort: Düsseldorf (D)

transport-CH

Schweizer Fachmesse für Nutzfahrzeuge und Automobil-Werkstattbedarf

Datum: 10.-13. November 2027

Ort: Bern (CH)

FILTECH

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 16.-18. November 2027

Ort: Köln (D)

AQUA Suisse

Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement

Datum: 1.-2.Dezember 2027

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 1.-2. Dezember 2027

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Fachmesse der Schweizer Bau- und Immobilienwirtschaft

Datum: 18.-22. Januar 2028

Ort: Basel (CH)

aqua pro

Schweizer Fachmesse für die Bereiche Trinkwasser, Abwasser und Gas

Datum: Februar 2028

Ort: Bulle (CH)

PaintExpo

Weltleitmesse für industrielle Lackiertechnik

Datum: 25.-28. April 2028

Ort: Karlsruhe (D)

Techtextil

Internationale Leitmesse für technische Textilien und Vliesstoffe

Datum: 4.-7. April 2028

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Fachmesse für Mikrotechnik

Datum: 4.-7. April 2028

Ort: Moutier (CH)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 25.-28. April 2028

Ort: München (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 29. Mai-01. Juni 2028

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 9.-17. Mai 2028

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 17.-18. Mai 2028

Ort: Zürich (CH)

interpack

Internationale Fachmesse für die Verpackungsindustrie und die zugehörige Prozessindustrie

Datum: Mai 2029

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis