3D‑Nanotechnologie‑Durchbruch bietet sauberes Wasser, das durch Sonnenlicht gereinigt wird

Jeder Zugang zu sicherem, sauberem Trinkwasser ist eine der größten Herausforderungen, denen die Welt heute gegenübersteht.

Etwa die Hälfte der Weltbevölkerung erlebt laut dem UN World Water Development Report 2024 zumindest einen Teil des Jahres schwere Wasserknappheit. mit einem Anstieg der globalen Migration um 10 % verbunden.

Niedrige Werte der Abwasserbehandlung führen in ärmeren Ländern zu schlechter Wasserqualität, während landwirtschaftlicher Abfluss in wohlhabenderen Ländern ein großes Problem darstellt.

Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach sauberem Trinkwasser weiter, da die Weltbevölkerung wächst. Schnelles Bevölkerungswachstum, Urbanisierung und steigender Wasserbedarf aus Energie, Landwirtschaft und Industrie tragen zur wachsenden Wasser­nachfrage bei.

Allerdings deuten Daten darauf hin, dass bis 2030 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sicherem Wasser, Sanitärversorgung und Hygiene haben werden. Im Jahr 2022 hatten 703 Millionen Menschen keinen grundlegenden Wasserdienst, während eine noch höhere Zahl von 2,2 Milliarden Menschen kein sicher verwaltetes Trinkwasser hatte.

Inmitten dessen wird die Verfügbarkeit von Wasser immer unvorhersehbarer, während die Wasserknappheit mit dem Anstieg der globalen Temperaturen durch den Klimawandel voraussichtlich stark zunehmen wird. Wasserressourcen sind zudem durch Verschmutzung und wasserübertragene Krankheiten gefährdet.

Die Herausforderung unbehandelten Abwassers

Der überwiegende Teil industrieller Abfälle wird laut den Vereinten Nationen in Entwicklungsländern entsorgt, ohne vollständig behandelt zu werden.

Gleichzeitig wird nur ein kleiner Bruchteil des weltweiten Abwassers angemessen behandelt. Laut den Vereinten Nationen konnte die Annahme, dass sämtliches Abwasser irgendeine Behandlung erfährt, nur für 73 Länder (42 % der Weltbevölkerung) berechnet werden, von 107 Ländern (73 % der globalen Bevölkerung), die 2022 Abwasserstatistiken gemeldet haben.

Die Berichterstattung über die Behandlung industriellen Abwassers ist extrem begrenzt, wobei Daten nur aus 22 Ländern (8 % der Weltbevölkerung) vorliegen, in denen lediglich 38 % des industriellen Abwassers als behandelt gemeldet wurden. Darüber hinaus wurden nur 27 % des Abwassers sicher behandelt.

Was das häusliche (Haus‑)Abwasser betrifft, wurden 42 % nicht sicher behandelt. Der Hauptgrund dafür war das Fehlen eines geeigneten Systems zur Sammlung von Grauwasser und Schwarzwasser.

Abwasser ist Wasser, das nach dem häuslichen, industriellen und kommerziellen Gebrauch von Rohwasser, Süßwasser oder Trinkwasser entsteht. Es enthält verschiedene Substanzen, die für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit schädlich sein können.

Substanzen wie Schwermetalle, organische und anorganische Schadstoffe, Krankheitserreger und industrielle Abwässer, die ins Wasser eingeleitet werden, zersetzen sich nicht natürlich, das heißt, sie verbleiben in der Umwelt.

Dann gibt es aufkommende Kontaminanten, darunter Detergenzien, Industriechemikalien, Pharmazeutika, Cyanotoxine, Hormone, per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sowie Nanomaterialien, die Chaos verursachen.

Technologische Innovationen können leistungsstarke, kostengünstige Behandlungsmöglichkeiten bieten, um für alle ausreichend sauberes, preiswertes Wasser sicherzustellen.

Einige dieser Innovationen in der Wasseraufbereitung umfassen fortschrittliche Membrantechnologien wie Umkehrosmose (RO), Ultrafiltration (UF) und Direktkontakt‑Membrandestillation (DCMD).

Solarbetriebene Filter nutzen Solarenergie, um sauberes Wasser in abgelegenen Gebieten zugänglich zu machen. Aufkommende Technologien wie Elektrokoagulation, mikrobielle Brennstoffzellen und fortgeschrittene Oxidationsprozesse tragen ebenfalls zur Verbesserung der Wasserqualität bei.

Eine weitere technologische Innovation, die die Wasseraufbereitung vorantreibt, ist die Nanotechnologie, die eine effiziente Entfernung von Schadstoffen und Keimen ermöglicht.

Nanotechnologie für effektive Wasseraufbereitung

Konventionelle Wasserdesinfektionsmethoden sind hochwirksam und werden daher breit eingesetzt, haben jedoch ihre eigenen Nachteile. Beispielsweise besteht bei der Chlorierung das Risiko der Entstehung schädlicher Desinfektionsnebenprodukte. Ultraviolettstrahlung hingegen erfordert erhebliche Energieaufwendungen und hat begrenzte Wirksamkeit gegen beispielsweise tetracyclinresistente E. coli.

Um die Wasseraufbereitungsprozesse zu verbessern, haben Wissenschaftler technologische Fortschritte erzielt, die zum Einsatz von Nanotechnologie bei der Wasseraufbereitung für sicheres Trinkwasser geführt haben.

Nanotechnologie beinhaltet die gezielte Manipulation von Materie auf äußerst kleiner Skala und hat das Potenzial, eine Schlüsselrolle bei der integrierten Wasserbewirtschaftung zu spielen, um die Wirksamkeit von Behandlungen zu steigern und sogar Wasserressourcen durch Nutzung unkonventioneller Wasserquellen zu erweitern.

Um den Zugang zu sauberem, sicherem Trinkwasser zu erhöhen, behandelt die Nanotechnologie Grundwasser, Oberflächenwasser und Abwasser mit innovativen Nanomaterialien. Zu den Fortschritten in der Nanotechnologie, die für die Abwasserbehandlung eingesetzt werden, gehören magnetische Nanopartikel, bioaktive Nanopartikel, Nanofiltration, Nano‑Adsorbentien, Nanokatalysatoren, Nanopulver, Nano‑Biociden und Nanofasern.

Wissenschaftler haben häufig den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren und Nanocellulose zur Wasserfiltration demonstriert. Diese Verfahren entfernen giftige Schwermetalle aus dem Wasser, verhindern das Eindringen biologischer und chemischer Gefahren und adsorbieren Kontaminanten aus Wasserströmen. Sogar Goldnanopartikel wurden eingesetzt, um Wasser von Schadstoffen wie Pestiziden und Pharmazeutika zu reinigen.

Obwohl die Nanotechnologie vielversprechende Lösungen für sauberes Trinkwasser bietet, birgt sie potenzielle Gesundheits- und Umweltrisiken durch Nanomaterialien und noch größere Schwierigkeiten bei der großskaligen Produktion und den Kosten, weshalb die Umsetzung begrenzt ist.

Jetzt bieten Forscher der Ohio State University eine neue Methode zur Trinkwasseraufbereitung an: 3‑D‑Nanotechnologie‑Decken.

Aus Titandioxid‑(TiO₂‑)Nanofasern gefertigt, nutzen sie Sonnenlicht, um schädliche Schadstoffe im Wasser abzubauen und nachhaltige Energie zu erzeugen. Sie erzeugen keine toxischen Nebenprodukte, und das Team verfügt über die Mittel, sie kommerziell zu skalieren.

Eine neue Methode zur Trinkwasseraufbereitung

In der neuesten Studie, unterstützt von der National Science Foundation, haben Forscher ein neues Material entwickelt, um Wasser durch Entfernung gefährlicher Schadstoffe zu reinigen.

Das neue Material wurde durch die Kombination zweier Verfahren entwickelt – weiche Chemie‑Gele und Blend‑Elektrospinnen.

Beim Elektrospinnen, einem Faserherstellungsverfahren, wird eine elektrische Kraft auf eine Lösung ausgeübt, um Nanofasern zu erzeugen. Dieses Verfahren wird häufig verwendet, um lange, kontinuierliche Nanofasern herzustellen. Das Team entwickelte auf diese Weise dünne, faserähnliche Streifen aus Titandioxid.

Titandioxid (TiO₂) ist eine anorganische Verbindung, die typischerweise in Gassensoren, Solarzellen, Photokatalyse und Selbstreinigungstechnologien verwendet wird.

Obwohl die Verbindung eine hervorragende alternative Energiequelle darstellt, sind Solarbrennstoffsysteme, die seine Nanopartikel nutzen, meist leistungseingeschränkt. Das liegt daran, dass sie nur durch Aufnahme von nicht sichtbarem Ultraviolett‑Licht (UV) photokatalytisch wirken können, was zu geringer Effizienz führt und komplexe Filtrationssysteme erfordert, die ihre Umsetzung erschweren.

Zudem behindert die kurze Lebensdauer der photogenerierten Elektronen und Löcher in TiO₂‑Nanopartikeln ihre effektive Nutzung, während das Fehlen einer leicht wiedergewinnbaren, selbsttragenden Nanostruktur weiterhin eine Herausforderung darstellt.

Verschiedene Studien haben untersucht, es mit verschiedenen Metallionen wie Ag (Silber), Fe (Eisen), Pd (Palladium), Pt (Platin), Zn (Zink), Mn (Mangan), B (Bor) und Zr (Zirkonium) zu dotieren, um diese Einschränkungen zu überwinden und die photokatalytischen Eigenschaften von Titandioxid zu verbessern.

Aber es war Kupfer (Cu), das vielversprechend war. Die Zugabe dieses weichen Metalls mit sehr hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit zum Material veränderte die Situation. Dies erforderte jedoch die Verringerung der optischen Bandlücke und die Erhöhung des Oberflächen‑zu‑Volumen‑Verhältnisses von kupferdotiertem Titandioxid, um die gewünschte photokatalytische Aktivität zu erreichen, was weitere Probleme mit sich brachte.

Daher mussten die Forscher ein System entwerfen, das stabile Cu‑dotierte TiO₂‑Nanopartikel mit einem hohen Oberflächen‑zu‑Volumen‑Verhältnis durch nanofaserbasierte Prozesse bereitstellt.

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Ein Werkzeug zur Wasseraufbereitung & Energieerzeugung

Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Advanced Science¹, beschrieb die neu entstandenen Strukturen, die Nano‑Matten genannt werden. Diese Nano‑Matten können genügend Lichtenergie absorbieren, um gefährliche Schadstoffe in Luft und Wasser abzubauen.

„Es gab bisher keinen einfachen Weg, etwas wie eine Decke zu schaffen, die man auf Wasser legen und Energie erzeugen kann. Aber wir sind die Einzigen, die diese Strukturen hergestellt und gezeigt haben, dass sie tatsächlich funktionieren.“

Was das Hinzufügen von Kupfer zu Titandioxid bewirkte, war, dass es den Prozess der Zerstörung von Schadstoffen stark beschleunigte.

Im Rahmen dieses Prozesses bilden sich, wenn TiO₂ Licht absorbiert, Elektronen, die Wasser oxidieren und Schadstoffe angreifen, die zerstört werden, bis sie harmlos sind.

Um die hohe Wirksamkeit des neuen Materials zu bestimmen, charakterisierten die Forscher die aktualisierten Eigenschaften der Nano‑Matte. Dies half ihnen zu verstehen, wie sie sich verhält und was sie genau von anderen selbstreinigenden Nanopartikeln unterscheidet.

Forscher stellten fest, dass diese Nano‑Matten bei natürlichem Sonnenlicht erfolgreicher Strom erzeugen können als herkömmliche Solarzellen.

„Diese Nanomatten können als Stromgenerator oder als Werkzeuge zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden. In beiden Fällen haben Sie einen Katalysator mit der bisher höchsten gemeldeten Effizienz.“

– Gouma

Außerdem sind diese Fasermatten leicht, einfach zu entfernen und können über jedem Gewässer schweben und arbeiten. Sie sind zudem wiederverwendbar und können mehrere Reinigungszyklen durchlaufen.

Angesichts der hohen Wirksamkeit dieser Nanomatten sehen die Forscher ihren Einsatz beim Entfernen industrieller Schadstoffe aus Wasser in Entwicklungsländern und beim Umwandeln kontaminierter Flüsse und Seen in Quellen für sauberes Trinkwasser.

Darüber hinaus macht die Tatsache, dass diese Technologie keine toxischen Nebenprodukte erzeugt, die Nanomatten umweltfreundlich.

„Es ist ein sicheres Material, es schadet nichts und es ist so sauber, wie es nur sein kann.“

– Gouma

Was die Kommerzialisierung dieser effizienten Technologie angeht, für die das Team die entsprechenden Werkzeuge hat, hängt es davon ab, dass die Industrie sie wahrnimmt.

„Wir haben die Werkzeuge, um sie in großen Mengen herzustellen und in verschiedene Branchen zu übertragen. Die einzige Einschränkung ist, dass jemand diese reichlichen Ressourcen nutzen muss.“

– Gouma

Insgesamt glaubt das Team an das Potenzial der Nano‑Matten. Sie könnten dazu verwendet werden, sauberes Trinkwasser bereitzustellen in Wasseraufbereitungsanlagen, abgelegenen Gebieten und bei Katastrophenhilfe. Je nach weiteren Tests und Skalierbarkeit könnten kommerzielle Anwendungen innerhalb von 3 bis 5 Jahren entstehen.

Das Team ist der Ansicht, dass diese Nano‑Matten auch vielversprechende Werkzeuge für zahlreiche zukünftige photokatalytische Anwendungen sein könnten. Dazu gehören langfristige Nachhaltigkeitsbemühungen wie solarbetriebene Wasserstoffproduktion und Umweltremediation.

Derzeit arbeitet das Team an Möglichkeiten, das Material weiterzuentwickeln, das völlig neuartig ist. Diese neue Form der Nanotechnologie, sagte Gouma, sei „wirklich beeindruckend und etwas, worüber wir sehr begeistert sind.“

Innovatives Unternehmen

Xylem Inc.  

Ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Wassertechnologie, Xylem entwickelt innovative Lösungen für Wasseraufbereitung und -reinigung und ist damit ein starker Kandidat für die Integration nanotechnologiebasierter Wasseraufbereitungssysteme.

Das Unternehmen bietet Produkte für ein breites Anwendungsspektrum, darunter Wasser, Wasserpumpen, Aufbereitungsanlagen, Pumpen, Ventile und Wärmetauscher. Es stellt zudem analytische Instrumente für Wasseranalysen sowie Lösungen für die intelligente Nutzung und den Erhalt kritischer Wasser‑ und Energieressourcen bereit.

Im Bereich der Abwasserbehandlung bietet Xylem einen biologischen Prozess namens aerobe Behandlung an, der in Gegenwart von Sauerstoff stattfindet und organische Stoffe in Kohlendioxid und neue Biomasse umwandelt. Dann gibt es die anaerobe Abwasserbehandlung, die in Abwesenheit von Sauerstoff abläuft, wobei Mikroorganismen organische Abfälle zersetzen. Sie wird üblicherweise zur Behandlung von warmem, hochbelastetem industriellem Abwasser mit großer Menge biologisch abbaubarer organischer Substanz eingesetzt.

Xylem bietet außerdem eine digitale Wasser‑Management‑Lösung namens Water One® an, die Ihr Wasseraufbereitungssystem für höhere Effizienz optimiert.

Die Desinfektionssysteme des Unternehmens werden für kommunale, industrielle und Freizeitanwendungen im Wasserbereich angeboten. Sie umfassen Analysatoren und Prozessregler, Geräte zur Erzeugung von Chlordioxid, Gaszufuhrsysteme, Ozonsysteme, Hypochlorit‑Erzeugungsanlagen, UV‑Desinfektionssysteme und mehr.

Seine Hochreinheits‑Wassersysteme hingegen behandeln das Wasser in mehreren Schritten, um die Qualitätsstandards für kritische Anwendungen in Laboren, im Gesundheitswesen, in der Pharma‑ und Halbleiterindustrie zu erfüllen.

Die Filtrationslösungen von Xylem decken hingegen alles ab, von regenerativen Medienfiltern, Scheibenfiltern, Sandfiltern, Hochleistung‑Mikrosandfiltern und Druckfiltern bis hin zu Umkehrosmose‑Membranen, Schraubenpumpen, UF‑Systemen, Mikrofiltration, Dampfphasen‑Geruchs­kontrollsystemen und Wasserenthärtungsanlagen. Dies bietet ein breites Spektrum an Optionen für Freizeit‑ und Industrieanwendungen sowie für Schwimmbäder und die tertiäre Abwasserbehandlung von Kommunen.

Derzeit ist Xylem ein Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 29,65 Milliarden $, dessen Aktien zum Zeitpunkt der Erstellung bei 122,02 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 5,17 % im Jahresverlauf. Es verzeichnet ein Ergebnis je Aktie (TTM) von 3,65, ein Kurs‑Gewinn‑Verhältnis (P/E, TTM) von 33,40 und eine Eigenkapitalrendite (ROE, TTM) von 8,55 %. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 1,31 %.

Bezüglich der Unternehmensfinanzen meldete Xylem für das vierte Quartal 2024 einen Umsatzanstieg von 7 % auf 2,3 Milliarden $, während die Aufträge 2,2 Milliarden $ betrugen. Der Gewinn je Aktie für das Quartal lag bei 1,34 $, ein Anstieg von 22 %, und betrug auf bereinigter Basis 1,18 $, ein Anstieg von 19 %.

„Das Team lieferte ein starkes viertes Quartal ab, um ein rekordbrechendes Jahr für Xylem abzuschließen. Alle Segmente erzielten ein starkes Auftragswachstum im Q4, was uns Schwung für das Jahr 2025 gibt, basierend auf einer robusten zugrunde liegenden Nachfrage.“

– CEO Matthew Pine

Der Nettogewinn im Quartal betrug 326 Millionen $, und der bereinigte Nettogewinn lag bei 287 Millionen $. Xylem erhöhte seine Dividende für das erste Quartal um 11 % auf 0,40 $ pro Aktie, die diesen Monat an die Aktionäre ausgezahlt wurde.

Für das Gesamtjahr 2024 betrug der Umsatz 8,6 Milliarden $, ein Anstieg von 16 %. Der Gewinn je Aktie lag bei 3,65 $, ein Anstieg von 31 %, und auf bereinigter Basis bei 4,27 $, ein Anstieg von 13 %.

Für das gesamte Jahr liegt Xylems Ausblick bei einem Umsatz zwischen 8,6 und 8,7 Milliarden $ und einer prognostizierten freien Cash‑Flow‑Marge von 9 bis 10 %.

Das Unternehmen erwartet, dass der Gewinn je Aktie für dieses Jahr im Bereich von 4,50 $ bis 4,70 $ liegen wird. Laut Pine:

„Unsere Prognose für 2025 spiegelt das Engagement des Teams für unser langfristiges Rahmenwerk wider, während wir unseren Kunden weiterhin ermöglichen, die größten Wasserprobleme der Welt anzugehen.“

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Fazit

Die Welt steht vor einer Wasserkrise, bei der Millionen keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser und sanitären Einrichtungen haben. Diese Wasserknappheit ist das Ergebnis einer wachsenden Bevölkerung, Verschmutzung, Übernutzung und des Klimawandels. Es wird prognostiziert, dass sich die Lage in den kommenden Jahren weiter verschärft, was einen Bedarf an kostengünstigen und effizienteren Lösungen zur Bewältigung des Problems schafft.

Die Abwasserbehandlung ist eine solche entscheidende Strategie, die helfen kann, Wasserknappheit zu mildern, indem sie die Wasserqualität verbessert, den Zugang zu Wasser erhöht, die Abhängigkeit von Süßwasserquellen reduziert und Wasser zu einer nachhaltigeren Ressource macht.

Nanotechnologie hat lange versprochen, die Wasseraufbereitung zu revolutionieren, hat jedoch noch keine breite Akzeptanz gefunden. Daher stellt die Entwicklung von 3‑D‑Nanotechnologie‑Decken einen bedeutenden Durchbruch dar. Diese Decken nutzen Sonnenlicht, um Schadstoffe zu entfernen und gleichzeitig nachhaltige Energie zu erzeugen.

Die leichte, wiederverwendbare Beschaffenheit dieser Nano‑Matten, verbunden mit dem Fehlen toxischer Nebenprodukte, macht sie zu einer umweltfreundlichen Alternative zu herkömmlichen Filtrationsmethoden. Sobald die Industrie sie wahrnimmt, könnte diese neuartige Technologie die globale Herangehensweise an die Wasseraufbereitung neu definieren. Eine erfolgreiche Kommerzialisierung würde gleichzeitig den Bedarf an sauberem, sicherem Trinkwasser für Hunderte Millionen Menschen weltweit decken!

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