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07.03.2013

Wie sich Nanopartikel in Gewässern verhalten


In einem Modell für die Verteilung von Chemikalien in der Umwelt hat eine Studie des Nationalen Forschungsprogramms "Chancen und Risiken von Nanomaterialien" (NFP 64) den Transport von Titandioxid-Nanopartikeln über die Gesamtlänge des Rheins untersucht.

Titandioxid gehört heute zu unseren alltäglichen Begleitern. In nanoskaliger Größe wird es unter anderem in Sonnencremes verwendet. Es sorgt für einen hohen UV-Schutz, ohne einen weißen, klebrigen Film auf der Haut zu hinterlassen. Beliebt sind Titandioxid-Nanopartikel auch in Dispersionsfarben. Die Nanopartikel unterstützen den Abbau von Verschmutzungen durch Lichteinwirkung. Fassaden reinigen sich dadurch selbst. Das klingt alles sehr nützlich. Doch was geschieht mit Titandioxid-Nanopartikeln, wenn sie in die Umwelt gelangen? Angesichts der immer breiteren Anwendung solcher Materialien werden Antworten dringend benötigt.

Nanopartikel im Umweltmodell

Ein Forschungsprojekt im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms "Chancen und Risiken von Nanomaterialien" (NFP 64) will herausfinden, wie sich Titandioxid-Nanopartikel in der Umwelt verteilen. Der Fokus liegt auf dem Verbleib in Gewässern, da Titandioxid-Nanopartikel aufgrund ihrer Anwendungen vor allem dort freigesetzt werden. Um diese Fragen zu klären, verwendet die Forschungsgruppe an der ETH Zürich ein Verteilungsmodell für Chemikalien in der Umwelt. Diese Umweltmodelle helfen vorauszusagen, wie chemische Substanzen in der Umwelt transportiert werden und wo sie sich in welcher Konzentration ansammeln. Für herkömmliche Chemikalien sind solche Modelle schon ausgereift, für Nanopartikel stecken sie noch in den Kinderschuhen. Denn Titandioxid-Nanopartikel verhalten sich in Gewässern ganz anders als organische Chemikalien, sie werden nicht abgebaut und treten nicht aus dem Wasser in die Luft über. Hingegen haften sie an Schwebstoffen im Wasser und sinken mit ihnen bis ins Sediment ab. Die Prozesse, welche auf Titandioxid-Nanopartikel in Gewässern wirken, müssen daher für das Modell zuerst neu definiert und im Labor gemessen werden.

Rasches Absinken auf den Flussgrund

Um in einem weiteren Schritt herauszufinden, wie sich die Partikel über die Gesamtlänge eines Flusses verhalten, braucht es konkrete Umweltdaten. Als Basis des Modells dient der Rhein, dessen Länge in 520 Boxen unterteilt wird. Ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers und das Verhalten von Titandioxid-Nanopartikeln innerhalb jeder Box bekannt, lässt sich im Modell errechnen, wie viele Partikel in der Box verbleiben und wie viele in die nächste fließen. Somit liefert das Modell über eine Strecke von 700 Kilometern des Rheins Schätzungen der Konzentration von Partikeln im fließenden Wasser und im Sediment. Und letztlich, welche Menge davon in der Nordsee endet.

Die Modellrechnungen ergeben, dass über 90 Prozent der Nanopartikel ins Sediment des Flusses absinken und zwar relativ rasch. Die Anbindung der Nanopartikel an Schwebstoffe ist daher ein zentraler Prozess, der bestimmt, wo sich Nanopartikel in Gewässern ansammeln. Für die Forscher bedeutet dies einerseits, dass die Häufigkeit, mit der Titandioxid-Nanopartikel auf Schwebstoffe treffen, genauer als bisher gemessen werden muss. Entsprechende technische Verbesserungen des Messprozesses sind momentan im Gange. Weil sich die Partikel vor allem am Flussgrund ansammeln, wird man andererseits auch die Folgen für die darin lebenden Organismen untersuchen müssen.

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Quelle: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)




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