Zukunftsmarkt Nachhaltige Wasserwirtschaft und Nanotechnologie

Das Umweltbundesamt hat bereits 2007 eine Fallstudie zum Handlungsfeld „Nanotechnologie“ mit dem Schwerpunkt „Nachhaltige Wasserwirtschaft“ beim Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) in Auftrag gegeben. Bei der Nanotechnologie handelt es sich um eine breite Querschnittstechnologie mit zahlreichen Verfahrens- und Technologieplattformen. Nanotechnologien können zur Vorbeugung von Wasserverschmutzungen oder zu deren Beseitigung genutzt werden. Das gelingt durch den Ersatz wasserbelastender Prozesse oder durch die Aufbereitung von Abwässern mit Nanomaterialien. Mit Nanosensoren kann die Wasserqualität überwacht werden. Eine nachhaltige Wasserwirtschaft ist wichtig, da Wasser eine zentrale Rolle bei Ernährung, Gesundheit, Landwirtschaft und industriellen Prozessen spielt. Bei der Lösung umweltrelevanter Probleme hat die Nanotechnologie ein großes Potenzial.

Potenziale der Nanotechnologie für eine nachhaltige Wasserwirtschaft

Als Schlüssel- und Querschnittstechnologie bietet die Nanotechnologie zahlreiche Ansätze für Verfahrens- und Produktinnovationen in vielen Technikfeldern und Wirtschaftsbranchen. Sie bietet auch ein hohes Potenzial für eine nachhaltige Wasserwirtschaft, da die Wasservorräte immer weiter verknappen und sich die weltweite Wasserverschmutzung verstärkt. Für eine nachhaltige Versorgung der Weltbevölkerung mit Trink- und Brauchwasser gewinnt die Nanotechnologie immer mehr an Bedeutung.

Nanotechnologie hat ein hohes Potenzial für Umweltschutzmaßnahmen und Verfahrensinnovationen in der Wasserwirtschaft. Nanomaterialien können für die Reinigung und Aufbereitung von Abwässern genutzt werden. Eine effiziente und selektive Überwachung der Wasserqualität ist mit Nanosensoren möglich. Wasserbelastende Prozesse können durch nanotechnologische Verfahrensinnovationen ersetzt werden.

In der Verfahrens- und Wertschöpfungskette der Trinkwasserversorgung setzen nanotechnologische Innovationen an verschiedenen Stellen an.

Zur Vorbeugung oder Beseitigung von Wasserverschmutzungen können Nanotechnologien in der Abwasserbehandlung, der Wasseraufbereitung und der Grundwassersanierung genutzt werden.

Die Abwasserreinigung ist ein aufwändiger und energieintensiver Prozess. Der Einsatz von Prozesswasser sollte daher reduziert oder komplett vermieden werden. Abwässer werden auch mit einer Kreislaufführung des Wassers vermieden. In Haushalten und der industriellen Produktion kann leicht verschmutztes Brauchwasser noch verwendet werden.

Mit Nanotechnologien können neue Produktionsprozesse etabliert werden, bei denen weniger wasserbelastende Nebenprodukte anfallen. Nanotechnologien werden immer häufiger für die Aufbereitung und Filterung von durch industrielle, landwirtschaftliche oder siedlungsbedingte Einträge verschmutztem Wasser genutzt.

Die Nano-Sensorik eröffnet ein breites Spektrum an Optimierungspotenzialen bei der selektiven Messung von Schadstoffen. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass mögliche toxische Wirkungen von Nanopartikeln noch nicht hinreichend untersucht wurden. Die technologische Fortentwicklung der Nanotechnologie im Zusammenhang mit der nachhaltigen Wasserwirtschaft sollte daher immer mit einer wissenschaftlichen Risikobewertung gepaart sein.

Deutschland verfügt über eine hohe technologische Kompetenz im Bereich der Nanotechnologie, vor allem in der Membran- und Nanofiltrationstechnik. Mit dieser Technologie können Auslandsmärkte erschlossen werden. Die Konvergenz von Nanotechnologie, Mikrosystemtechnik, Elektronik und Biotechnologie bietet auch in der Wasserwirtschaft neue Anwendungsmöglichkeiten.

Als Schlüssel- und Querschnittstechnologie bietet die Nanotechnologie zahlreiche Ansätze für Verfahrens- und Produktinnovationen in vielen Technikfeldern und Wirtschaftsbranchen | Foto: ©CreativeSuburb #244245854 – stock.adobe.com

Erforderliche Risikobewertung von Nanotechnologien

Die Nanotechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Die Zahl der mit Nanotechnik hergestellten Produkte wächst ständig. Über die Exposition von Menschen und Umwelt durch Nanomaterialien ist aktuell noch wenig bekannt. Messtechnologien in der Nanodimension sind aufwendig und sind für die Nutzung in Innenräumen und Außenbereichen noch nicht genug entwickelt. Um potenzielle Schäden und Kosten durch die Nanotechnologie zu identifizieren und zu vermeiden, muss eine Risikobewertung erfolgen.

In den vergangenen Jahren haben die Bundesregierung und die EU-Kommission einige Forschungsprojekte zur Nanotechnologie gefördert.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat verschiedene Projekte unterstützt. Die Projekte erlauben erste Rückschlüsse auf mögliche toxische Effekte von Nanomaterialien. Da es noch an toxikologischen Langzeituntersuchungen fehlt, ist eine umfassende Risikobewertung noch nicht möglich. Daten zur ökotoxikologischen Wirkung liegen noch nicht im ausreichenden Maß vor.

Entwicklungs- und Anwendungsbereiche von Produkten der Nanotechnik

Nicht nur für eine nachhaltige Wasserwirtschaft, sondern auch in anderen Bereichen ist die Nanotechnologie ein wichtiger Zukunftsmarkt. Das Umweltbundesamt erwartet zahlreiche Innovationen in vielen technischen Bereichen aufgrund der Nanotechnologie. Die Entwicklung und Marktdurchdringung sind bei vielen nanotechnischen Verfahren und Produkten noch in den Anfängen. Viele solcher Produkte sind jedoch bereits auf dem Markt.

Wichtige Anwendungsbereiche der Nanotechnik sind:

• Oberflächenfunktionalisierung und Veredelung
• Energieumwandlung und Nutzung
• Katalyse, Chemie und Werkstoffsynthese
• Nanosensoren
• Konstruktion
• Informationsverarbeitung und -übermittlung
• Lebenswissenschaften

Nanoprodukte haben ein hohes Umwelt- und Gesundheitsentlastungspotenzial. Aufgrund der Miniaturisierung ermöglichen sie Materialeinsparungen. Die Gewichtsreduktion und die Funktionsoptimierung ermöglichen auch die Einsparung von Energie. Membranverfahren auf der Basis der Nanotechnologie verbessern die Reinigungsleistung von Filtersystemen. In der nachhaltigen Wasserwirtschaft spielen diese Verfahren eine immer wichtigere Rolle, insbesondere bei der Aufbereitung von Abwasser. Ein breites Spektrum an Anwendungen eröffnet sich auch im Gesundheitsschutz.

Nicht nur für eine nachhaltige Wasserwirtschaft, sondern auch in anderen Bereichen ist die Nanotechnologie ein wichtiger Zukunftsmarkt | Foto: ©Olga Makukha #325859571 – stock.adobe.com

Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnologie für eine nachhaltige Wasserwirtschaft

Für eine nachhaltige Wasserwirtschaft kann die Nanotechnologie auf verschiedene Weise genutzt werden. Die Nanotechnologie kann für die Kreislaufführung in der Wasserführung eingesetzt werden und ermöglicht effizientere, wassersparende Verfahren. Sie eignet sich auch für die Entwicklung lösungsmittelfreier Prozesse.

Um die Belastung von Gewässern durch organische Lösungsmittel zu verhindern, ist eine aufwendige Reinigung der Abwässer erforderlich. Dabei bleibt häufig Sondermüll zurück. Lösungsmittel können durch Nanoemulsionen ersetzt werden. Solche Nanoemulsionen im Pharmazie- und Kosmetikbereich können zusätzlich die Wirksamkeit von Salben und Cremes optimieren.

Nanotechnologien können in der Wasserwirtschaft direkt in nachgeschalteten Reinigungsverfahren eingesetzt werden. Sie eignen sich für Abwasserbehandlung, Wasseraufbereitung, Grundwassersanierung und Wasserdesinfektion. Zusätzlich werden für eine nachhaltige Wasserwirtschaft die Prinzipien der Stofftrennung und Katalyse genutzt. Mit Membranverfahren kann die Filtration bei der Wasserreinigung erfolgen. Mikrobiell belastetes Wasser kann mit der Membranfiltration zu Trinkwasser aufbereitet werden.

Um alle gefährdenden Rückstände zu entfernen, ist eine nachträgliche Desinfektion erforderlich.

In der Wasserreinigung spielt die Adsorption neben der Filtration eine wichtige Rolle. Die Adsorption mit Hilfe der Nanotechnologie kann genutzt werden, um Schadstoffe und giftige Chemikalien aus dem Wasser zu entfernen. Die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen wird mit Nano-Katalysatoren erhöht.

Für eine nachhaltige Wasserwirtschaft gewinnt die Mess- und Regelungstechnik mit Hilfe der Nanotechnologie immer mehr an Bedeutung. Die konstante Überwachung der Gewässerqualität kann mit Nanosensoren erfolgen.

Wirtschaftliche Potenziale der Nanotechnologie

Immer mehr Wirtschaftssektoren werden von der Nanotechnologie durchdrungen. Zulieferer-Branchen des Wassersektors nutzen die Nanotechnologie immer stärker. Der Geräte- und Anlagenbau, die Mess- und Regelungstechnik, aber auch die chemische Industrie und die Materialherstellung wenden die Nanotechnologie auf vielfältige Weise an. Nanotechnologien bieten wichtige Ansätze für optimierte Materialien und Komponenten, um die Wasseraufbereitung wirtschaftlicher zu gestalten. Zur Umsetzung dieser Innovationen ist ein abgestimmtes Handeln entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Wasserwirtschaft erforderlich.

Der Wassersektor ist einer der aussichtsreichsten Märkte für die Nutzung der Nanotechnologie mit ihrem Innovationspotenzial. Aufgrund des steigenden Wasserbedarfs sind Innovationen in der Wassergewinnung, beim Transport und der Verteilung, aber auch bei der Reinigung und Entsorgung von Wasser und Abwasser zu erwarten. Um die Wasserwirtschaft nachhaltiger zu gestalten, steigt die Nachfrage nach ganzheitlichen Wassermanagement-Systemen und chemiearmen Lösungen. Membranverfahren sind Schlüsseltechnologien im Wassersektor. Eine wichtige Technologie ist die Wasserentsalzung, die verstärkt zur Aufbereitung von Abwässern genutzt wird. Ein exponentielles Wachstum ist seit 1975 zu verzeichnen. Die Nano- und Ultrafiltration gewinnt bei der Wasserentsalzung zunehmend an Bedeutung.