Sugarcane bagasse biochar functionalized with ZnO via zinc hydroxychloride thermal conversion for enhanced photocatalytic degradation of paracetamol

Wasseraufbereitungsanlagen sind darauf ausgelegt, unsere Flüsse und Seen zu reinigen, aber sie haben oft mit einer speziellen Art von unsichtbarer Verschmutzung zu kämpfen: den winzigen Spuren von Medikamenten, die wir hinunterspülen. Wenn Menschen Schmerzmittel wie Paracetamol einnehmen, absorbiert ihr Körper nicht jedes Molekül. Der Rest gelangt durch das Abwassersystem in die Umwelt, wo er Fische und andere Wildtiere schädigen kann. Da diese Chemikalien so beständig sind und in solch geringen Mengen vorkommen, können Standardreinigungsmethoden sie nicht effektiv entfernen. Wissenschaftler sind auf eine leistungsstarke Lösung namens Photokatalyse gestoßen, ein Prozess, der Licht nutzt, um eine chemische Reaktion auszulösen, die Schadstoffe abbaut. Ein häufig verwendetes Material dafür ist Zinkoxid, ein weißes Pulver, das wie ein Schwamm für Lichtenergie fungiert. Dieses Material hat jedoch einen Fehler: Wenn es Licht absorbiert, löscht sich die eingefangene Energie oft selbst aus, bevor sie eine Reinigungsarbeit verrichten kann, und die winzigen Partikel sind nach getaner Arbeit nur schwer wieder einzusammeln.

Um diese Probleme zu lösen, entwickelten Forscher an der Federal University of Itajubá in Brasilien eine neue Methode, um Zinkoxid mit einem Material aus landwirtschaftlichen Abfällen zu kombinieren. Sie nahmen Zuckerrohrbagasse, den faserigen Rückstand, der nach dem Pressen von Zuckerrohr zur Herstellung von Saft übrig bleibt, und verwandelten sie in eine poröse, kohleähnliche Substanz, die als Biochar (Biokohle) bekannt ist. Anstatt die Materialien in einer Flüssigkeit miteinander zu mischen, ließen sie das Zinkoxid unter Anwendung eines Wärmebehandlungsverfahrens direkt auf der Oberfläche dieser Biochar aufwachsen. Das Ergebnis war ein Verbundwerkstoff, bei dem die lichtabsorbierenden Zinkoxidpartikel fest an der kohlenstoffreichen Biochar verankert waren. Dieser Aufbau ermöglichte es der Biochar, als Stützstruktur zu fungieren, die die Zinkoxidpartikel getrennt und stabil hielt, während sie gleichzeitig dabei half, den Energiefluss so zu steuern, dass die Reinigungsreaktion effizienter ablaufen konnte.

Das Team testete dieses neue Material, indem es versuchte, Paracetamol unter einer Lichtquelle aus Wasser zu entfernen. Sie fanden heraus, dass das von Biochar gestützte Material dem reinen Zinkoxidpulver weit überlegen war. In ihren Experimenten entfernte das neue Verbundmaterial mehr als 78 Prozent des Paracetamols aus dem Wasser in nur 90 Minuten, während das Standard-Zinkoxidpulver im gleichen Zeitraum weniger als die Hälfte dieser Menge schaffte. Die Forscher beobachteten, dass die poröse Natur der Biochar half, die Medikamentenmoleküle in der Nähe der aktiven Zinkoxidstellen einzufangen, was der Reaktion einen Vorsprung verschaffte. Darüber hinaus zeigte das Material eine wesentlich höhere Abbaugeschwindigkeit und zersetzte den Schadstoff mit einer Rate, die mehr als doppelt so hoch war wie die des unveränderten Pulvers.

Um genau zu verstehen, wie diese Reinigung geschah, verwendeten die Wissenschaftler spezielle Chemikalien, um verschiedene Teile des Reaktionsprozesses zu blockieren. Sie entdeckten, dass der Abbau des Medikaments durch ein Team von reaktiven Agenten vorangetrieben wurde. Die wichtigsten Helfer waren Hydroxylradikale und Superoxidradikale, dies sind hochenergetische Teilchen, die die Wirkstoffmoleküle angreifen und zerlegen. Die Biochar spielte eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung dieser Radikale, indem sie half, die durch das Licht erzeugten elektrischen Ladungen zu trennen, wodurch verhindert wurde, dass sie ihre Energie verschwendeten. Obwohl das Material nach wiederholter Anwendung eine gewisse Leistungsabnahme zeigte, wahrscheinlich weil die Poren mit Rückständen verstopften, blieb es stabil genug, um als vielversprechender Kandidat für zukünftige Wasseraufbereitungssysteme zu gelten. Diese Arbeit deutet darauf an, dass die Umwandlung von landwirtschaftlichen Abfällen in ein hochtechnologisches Reinigungswerkzeug eine kostengünstige, effektive Möglichkeit bieten könnte, unsere Wasserreserven vor der wachsenden Bedrohung durch pharmazeutische Verschmutzung zu schützen.