Der vom Forschungsteam um Dr. Tran Thi Viet Ha (32 Jahre alt) entwickelte Luffaschwamm kann Öl und Mikroplastik aus Wasser trennen und so zur Lösung von Umweltverschmutzungsproblemen beitragen.
Im Jahr 2021 hatten Dr. Tran Thi Viet Ha, Dozentin an der Fakultät für Fortgeschrittene Technologie und Ingenieurwesen der Vietnam Japan University (Vietnam National University, Hanoi), und ihr Team die Idee, superhydrophobe Materialien aus Luffafasern herzustellen, um Öl und Mikroplastikpartikel aus Wasser zu entfernen. Nach über einem Jahr Forschung entwickelte das Team ein superhydrophobes Schaumprodukt, das aus zwei Hauptkomponenten besteht: der Basisschicht und der Deckschicht.
Die Basisschicht besteht aus natürlichen, alten Luffas, deren hydrophile Hydroxylgruppen ihnen eine natürliche Saugfähigkeit verleihen. Nach der Reinigung wird die Oberfläche der Luffas eingetaucht und mit einer Wachsschicht besprüht, um die Fasern aufzurauen und gleichzeitig ihre Eigenschaften von hydrophil zu hydrophob zu verändern.
Die Beschichtung besteht aus Bienenwachs, Palmwachs, Bohnenwachs..., die völlig natürlich und umweltfreundlich sind.
Der wachsbeschichtete Schwamm ist wasserabweisend, nimmt jedoch Öl vollständig auf. Zudem nimmt er problemlos Mikroplastikpartikel von etwa 5 μm Größe auf, da die 3D-Strukturen und elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der Materialoberfläche und den Kunststoffpartikeln durch Kapillarwirkung entstehen.
Luffafasern sind nach der Wachsbeschichtung vollständig wasserdicht. Foto: Forschungsteam
Testergebnisse zeigen, dass die hydrophoben Eigenschaften von Luffa mit einem Wasserkontaktwinkel von über 150 Grad gut sind. Dies ist die Grundlage für die Trennung von Öl und das Auffangen von Mikroplastikpartikeln im Wassergemisch.
Laut dem Forschungsteam wird eine Oberfläche aufgrund des Kontaktwinkels zwischen dem Wassertropfen und der festen Oberfläche als hydrophob oder hydrophil eingestuft. Beträgt der Kontaktwinkel mehr als 150 Grad, wird die Oberfläche superhydrophob. Daher hat der Luffaschwamm seine Superhydrophobie erfolgreich nachgewiesen.
Die Luffaschwämme konnten Öl mit einer Rate von etwa 72–88 g/g aufnehmen und erreichten eine Trennleistung von über 99 % für Öl-Wasser-Gemische. Darüber hinaus zeigte das Material eine hohe Mikroplastik-Aufnahmekapazität. Das Ergebnis: 381 mg Polystyrol-Mikroplastik in 569 g Wasser, was einer Effizienz von 99 % entspricht.
Dr. Ha und ihre Kollegen haben ähnliche Forschungen an Industrieschäumen wie Polyurethanschaum, Melaminschaum und chemischen Beschichtungsmaterialien mit komplexen Methoden durchgeführt, die nur für den Labormaßstab geeignet waren. Gleichzeitig wird geprüft, ob Beschichtungsverfahren mit Luffa-Material und natürlichem Wachs in größerem Maßstab in die Praxis umgesetzt werden können. „Der Prozess ist einfach, erfordert leicht erhältliche Geräte und erfordert keine Hochtechnologie. Die Herstellung dauert nur eine Stunde“, so die Ärztin.
Luffaschwämme können Öl von Wasser trennen. Foto: Forschungsteam
Ein Bericht der Weltbank vom Juli 2022 schätzte, dass Vietnam jährlich etwa 3,1 Millionen Tonnen Plastikmüll an Land produziert. Neben Mikroplastik kann auch Öl durch direkte oder indirekte Einleitung in Wasserquellen gelangen und sich über verschiedene Wege in der Umwelt verbreiten, was zu zahlreichen potenziellen Gesundheitsproblemen für Mensch und Tier führen kann.
Zur Lösung dieses Problems wurden viele Methoden eingesetzt, darunter Verbrennung, chemische und biologische Behandlung. Diese können jedoch Sekundärverschmutzung verursachen. So kann die Verbrennung beispielsweise dazu beitragen, Öl aus dem Wasser zu entfernen, führt aber gleichzeitig zu Luftverschmutzung, da nach dem Prozess große Mengen CO2 und SO2 freigesetzt werden.
Dr. Ha sagte, der Faserschwamm der Gruppe könne zur Behandlung von Umweltverschmutzung und zur Überwindung der oben genannten Probleme eingesetzt werden. Die Forschungsergebnisse wurden im Juni 2023 in der Zeitschrift Environmental Technology & Innovation veröffentlicht.
Außerordentlicher Professor Dr. Nguyen Minh Phuong von der Fakultät für Chemie der University of Science (Vietnam National University, Hanoi) bewertete Öl und Mikroplastik als zwei Umweltschadstoffe, die nicht nur in Vietnam, sondern weltweit Anlass zu großer Sorge geben. Ölverschmutzung in Oberflächengewässern ist ein brennendes Problem, und die Materialien zu ihrer Entfernung müssen sehr leicht sein und auf der Wasseroberfläche schwimmen können. Mikroplastik hingegen ist giftiger als großformatige Kunststoffe und mit bloßem Auge erkennbar. Die beiden Themen, die Dr. Has Forschungsgruppe bearbeitet, sind sowohl aktuell als auch von praktischer Bedeutung.
Laut Associate Professor Phuong ist die Forschung zur Behandlung von Öl und Mikroplastik in Gewässern sowohl national als auch international noch recht bescheiden. Derzeit hat keine Forschungsgruppe Materialien entwickelt, die sowohl Öl als auch Mikroplastik in Gewässern gleichzeitig behandeln können.
Sie sagte, die Verwendung von Luffa zur Behandlung von Umweltverschmutzung sei eine neue und einzigartige Idee, da es sich um ein natürliches, umweltfreundliches und biologisch abbaubares Material handele. Luffa wurde in einigen Studien zur Behandlung anorganischer Schadstoffe wie Schwermetalle im Wasser eingesetzt, da es herausragende Eigenschaften wie eine große Oberfläche und große Poren aufweist und sehr leicht ist und problemlos auf der Wasseroberfläche schwimmt.
Superhydrophobe Materialien erregen auch aufgrund ihrer Fähigkeit, selektiv Öl zu absorbieren, die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern weltweit. Typischerweise werden chemische Methoden eingesetzt, um poröse Materialien in hydrophobe Oberflächen umzuwandeln.
Laut PSG Phuong ist die Verwendung von Wachsen natürlichen Ursprungs, wie sie die Forschungsgruppe vornimmt, zur Modifizierung der Materialoberfläche eine interessante Idee mit hohem Anwendbarkeitspotenzial.
Bich Thao
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