Nanopartikel in aquatischen Systemen: Eine kurze Einführung PDF
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Markus Delay Nanopartikel in aquatischen Systemen Eine kurze Einführung Dr.-Ing. Markus Delay Engler-Bunte-Institut, Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Karlsruhe Deutschland ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic) essentials ISBN 978-3-658-08730-2 ISBN 978-3-658-08731-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-08731-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio- grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikro- verfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informatio- nen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com) Vorwort Sie interessieren sich für Nanopartikel in aquatischen Systemen und benötigen eine prägnante Einführung in dieses spannende Thema? Willkommen in der „na- no-Welt“! Die Beschäftigung mit Nanopartikeln begeistert nicht nur Wissenschaftler und Hersteller: Maßgeschneiderte Nanopartikel (sogenannte engineered nanoparticles, ENP) erlauben auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften vielversprechende und faszinierende Einsatzmöglichkeiten in der Medizin, in industriellen Prozessen, in der Umwelttechnik, aber auch im Lebensmittelbereich und in Körperpflegepro- dukten. Nicht wenige Menschen stehen dem Einsatz von Nanopartikeln allerdings sehr skeptisch gegenüber, weil bislang vor allem noch große Kenntnislücken darü- ber bestehen, welche Auswirkungen und Risiken von ENP ausgehen, insbesondere von solchen, die unabsichtlich in die aquatische Umwelt gelangen. Dieses Buch möchte hier in zugegebenermaßen knappen Rahmen zu einem bes- seren Verständnis und zur eigenen Urteilsfindung beitragen. Natürlich können hier nur einzelne Aspekte beleuchtet werden; mancher Sachverhalt kann nur angerissen werden oder wird gar nicht aufgegriffen. Besonderer Wert wird daher auf Litera- turverweise gelegt, um eine Schneise durch das Dickicht der Veröffentlichungen zu schlagen und zur eigenen weiterführenden Lektüre anzuregen. In dieses Essential fließen langjährige Forschungs- und Lehraktivitäten des Au- tors am Engler-Bunte-Institut, Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein; es basiert auf den Kernpunkten eines im Jahr 2012 publizierten englischen Übersichtsartikels (Review) [1]. Das Buch entstand aus dem Bewusstsein von Verlag und Autor, dass entsprechende deutschsprachige Einführungen in dieses Thema noch spärlich gesät sind. V VI Vorwort Der Autor dankt Herrn Dr. Daniel Fröhlich vom Springer Verlag für die Er- mutigung zu diesem Buch und die kritische Durchsicht des Manuskriptes. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sei an dieser Stelle für die finanzielle Förderung des Projektes „Stability and Interactions of Engineered Nanoparticles (ENP) in Aqueous Matrices (SIENA)“ (DE 1839/1-1) gedankt. Dr.-Ing. Markus Delay Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Historie, Begriffsbestimmungen und Systematik . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Historische Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Begriffsbestimmungen und Systematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 Anwendungen von synthetischen Nanopartikeln (ENP) . . . . . . . . . . . 11 4 Verhalten von Nanopartikeln in aquatischen Systemen . . . . . . . . . . . 15 4.1 V orbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.3 W echselwirkungen von Nanopartikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.4 Nanopartikel in wässrigen Systemen: Auch Partikel werden älter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.5 Bemerkungen zu Modellen und zu Experimenten zum Umweltverhalten von ENP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 5 Analytische Methoden zur Charakterisierung und Quantifizierung von Nanopartikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6 Nutzen und Risiken von Nanopartikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 7 Ausblick – Wohin die Reise geht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Was Sie aus diesem Essential mitnehmen können . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 VII Einleitung 1 Wenn wir uns im Rahmen dieser kurzen Einführung mit Nanopartikeln in aqua- tischen Systemen beschäftigen, müssen wir zunächst eine Vorstellung davon be- kommen, wie winzig Nanopartikel sind und in welchen Größenordnungen wir uns bewegen (zur genauen Begriffsbestimmung: siehe Kap. 2). nano leitet sich vom griechischen Wort νάνος ( nános) ab, was Zwerg bedeutet. Die Vorsilbe nano steht für 10−9, also einen milliardstel Teil. 1 nm ist demnach ein milliardstel Meter. Das Wellenlängenspektrum des sichtbaren Lichts bewegt sich zwischen rund 400 nm und 800 nm. Der Durchmesser nanoskaliger Partikel liegt im Bereich von 1 nm und 100 nm. Eine Vorstellung davon, wie klein Nanopartikel sind, vermittelt vielleicht der Vergleich ihres Durchmessers d mit dem eines Fußballs und dem unserer Erde; es gilt folgendes Größenverhältnis (Gl. 1.1): d(Nanopartikel) d(Fuβball) = (1.1) d(Fuβball) d(Erde) Nanopartikel in wässrigen Umweltsystemen sind keine Neuheit – sie sind ständige Begleiter der Erd- und der Menschheitsgeschichte. Durch diverse physikalische, chemische und biologische Prozesse kommen Nanopartikel natürlicherweise in der Atmosphäre, in Gewässern und im Boden vor. Dort können sie sich erheblich auf das Umweltverhalten (zum Beispiel Stofftransport, Stoffkreisläufe) von vielen Nähr- und Schadstoffen auswirken, wobei die Tragweite ihrer Rolle in diesen Pro- zessen noch nicht annähernd verstanden ist [2]. Vulkanausbrüche, Verwitterung von Gesteinen sowie Verbrennung von organischem Material (Waldbrände) sind nur einige Beispiele für natürliche Quellen. Natürliche Nanopartikel werden bei © Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 1 M. Delay, Nanopartikel in aquatischen Systemen, essentials, DOI 10.1007/978-3-658-08731-9_1 2 1 Einleitung der aktuellen Diskussion um Nanopartikel oft vernachlässigt, in der es hauptsäch- lich um die gezielt hergestellten, synthetischen Nanopartikel ( engineered nanopar- ticles, ENP) geht. Neu und besonders ist vor allem die außerordentliche Vielfalt an ENP, die sich unter anderem hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, ihres Partikel- durchmessers, ihrer Partikelform und ihrer Oberflächenfunktionalisierung vonei- nander unterscheiden; angesichts dieser Vielfalt kann bildhaft von einem wahren „nano-Zoo“ geredet werden. Es muss betont werden, dass sich die Eigenschaften von Nanopartikeln damit zwangsläufig so stark unterscheiden können, dass pau- schale Aussagen über ihr Verhalten und mögliche von ihnen ausgehende Risiken nur mit Einschränkung gemacht werden können; vielmehr sind einzelfallbezogene Betrachtungen notwendig. ENP bestehen in der Regel aus einem Kern ( core) und einer oder mehreren Hül- len ( shell); ihre Oberfläche kann mit speziellen funktionellen Gruppen und Mole- külen versehen sein. In Tab. 1.1 sind einige wichtige core-Materialien aufgeführt; die Hülle kann anorganischer oder organischer Natur (zum Beispiel Polymere, oberflächenaktive Moleküle, Farbstoffe) sein. Anwendungen von Nanopartikeln finden sich in Kap. 3. Im Vergleich zu makroskaligen Feststoffen aus denselben Materialien weisen ENP auf Grund ihrer Partikelgröße stark unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften auf, die ihren Einsatz vielversprechend und attraktiv machen (zum Tab 1.1 Übersicht einiger wichtiger core-Materialien von ENP core-Typ Material Metallisch Eisen Gold Silber Metalloxidisch Oxide von: Aluminium Cer Eisen Silicium Titan Zink Halbleiter und Quantenpunkte Cadmium-Selenid Cadmium-Tellurid Gallium-Arsenid Kohlenstoff-basiert Fullerene (C ) 60 Nano-Röhrchen ( carbon nanotubes, CNT) Ruß ( black carbon) Sonstige Dendrimere Tonminerale
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