Changchun, China (LabNews Media LLC) – Ein Forschungsteam der Northeast Normal University hat aus Resten der invasiven Pflanze Rhus typhina ein mit Nano-Magnesiumoxid modifiziertes Pyrohydrochar (nMgO/Py-HyC) entwickelt, das Fluorid effizient aus Wasser binden kann. Das Material erreichte nach Angaben der Forschenden eine maximale Fluoridadsorptionskapazität von 469,64 Milligramm pro Gramm und übertraf damit die im Rahmen der Studie verglichenen MgO-basierten Adsorbentien. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Biochar X veröffentlicht.
„Unser Ziel war es, zwei Umweltprobleme gleichzeitig anzugehen: die Fluoridbelastung des Wassers und die zunehmende Ansammlung invasiver Pflanzenbiomasse“, sagte Jiunian Guan, korrespondierender Autor der Studie. „Indem wir diese Biomasse in ein funktionales Kohlenstoffmaterial umwandelten und es mit Nano-Magnesiumoxid kombinierten, haben wir ein Adsorptionsmittel mit starker Fluoridentfernungsleistung und vielversprechender Umweltverträglichkeit geschaffen.“
Hintergrund
Fluorid kommt nach Angaben der Forschenden natürlicherweise im Grundwasser vor. Auch industrielle Prozesse wie die Halbleiterfertigung, die Glasproduktion, die Galvanisierung, die Lithiumraffination, die Pestizidherstellung und die pharmazeutische Produktion können fluoridhaltiges Abwasser erzeugen. Eine übermäßige Fluoridbelastung kann schwerwiegende Gesundheitsprobleme verursachen, weshalb wirksame Aufbereitungstechnologien sowohl für den Schutz des Trinkwassers als auch für die industrielle Abwasserbehandlung von großer Bedeutung sind.
Herstellung und Wirkmechanismen
Die Forschenden wandelten zunächst Biomasse von Rhus typhina in Hydrochar um und stellten anschließend durch ein relativ einfaches Pyrolyseverfahren den magnesiumhaltigen Verbundwerkstoff her. Die so entstandene poröse Kohlenstoffstruktur trug zur Dispergierung von Nano-MgO-Partikeln bei und bot zahlreiche Stellen, an denen Fluorid gebunden werden konnte.
Ein wesentlicher Vorteil war nach Angaben der Forschenden die Fähigkeit des Materials, unter verschiedenen Wasserbedingungen zu funktionieren. Die Fluoridadsorption blieb über einen breiten pH-Bereich von 5,0 bis 11,0 stabil. Häufig vorkommende Begleitionen wie Nitrat und Sulfat verursachten kaum Störungen, während hohe Konzentrationen von Bicarbonat die Fluoridaufnahme verringerten.
Detaillierte Materialanalysen zeigten, dass Fluorid nicht durch einen einzigen Prozess gebunden wurde. Stattdessen wirkten mehrere Mechanismen zusammen, darunter elektrostatische Anziehung, Oberflächenkomplexierung, Anionen- und Ligandenaustausch, Ausfällung und Wasserstoffbrückenbindung. Fluorid konnte direkt mit Magnesium interagieren und stabile Verbindungen wie MgF? und fluorhaltige Magnesiumhydroxidphasen bilden.
Die Forschenden beobachteten zudem einen klaren synergistischen Effekt zwischen dem Kohlenstoffträger und dem Nano-MgO. Unter denselben experimentellen Bedingungen war die Adsorptionskapazität des kombinierten Materials deutlich größer als die Kapazitäten der beiden separat betrachteten Komponenten. Das poröse Gerüst trug dazu bei, aktive Magnesiumstellen freizulegen und den Kontakt zwischen Fluoridionen und dem Adsorbens zu verbessern.
Ausblick
Die Studie weist nach Einschätzung der Forschenden auf eine potenzielle Kreislaufstrategie hin: Invasive Pflanzenreste können von einer ökologischen Managementlast in ein nützliches Material für die Wasserreinigung umgewandelt werden. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, um das Material unter verschiedenen realen Abwasserbedingungen und im technischen Maßstab zu bewerten. Dennoch lieferten die Ergebnisse eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung hocheffizienter, kohlenstoffarmer Fluoridbehandlungstechnologien auf Basis erneuerbarer Biomasse-Ressourcen.
Originalpublikation: Tong Y, Wang D, Gu L, Tai Y, Tang X, et al. Nano-MgO/pyro-hydrochar for enhancing adsorption of fluoride ion from aqueous solution: performance, influencing factors, and mechanisms. Biochar X 2: e023, 30. September 2026.
DOI: 10.48130/bchax-0026-0021
Credits
Yao Tong Donglin Wang Lingqing Gu Yujie Tai Xianjie Tang Xi Zhang Rongdi An Til Feike und Jiunian Guan
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