Erst sammeln, dann knacken
Neue Verfahren sollen PFAS aus Wasser entfernen und zerstören
Bild: HZDR/Tobias Ritz
PFAS sind extrem stabil und deshalb schwer wieder loszuwerden. Forscher arbeiten an Verfahren, mit denen sich Ewigkeitschemikalien aus belastetem Wasser entfernen, konzentrieren und anschließend zerstören lassen.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS, sind eine große Gruppe künstlich hergestellter Chemikalien. Allen gemein sind extrem stabile Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Fluoratomen. Das macht sie nicht nur wasser-, fett- und schmutzabweisend, sondern auch widerstandsfähig gegen Hitze und aggressive Chemikalien. Diese Eigenschaften haben den PFAS schon vor Jahrzehnten die Türen zu zahlreichen Produkten und Industrieprozessen geöffnet – von wetterfester Kleidung über die Halbleiterproduktion bis hin zu Feuerlöschschäumen.
Doch die Widerstandsfähigkeit hat ihren Preis. Viele PFAS werden in der Umwelt kaum abgebaut. Das hat ihnen auch den Beinamen Ewigkeitschemikalien eingebracht. Einige reichern sich in Organismen an. Welche Folgen die Vielzahl dieser Stoffe für Menschen, Tiere und Ökosysteme hat, ist bislang nur teilweise geklärt. Studien bringen bestimmte PFAS unter anderem mit einer geschwächten Immunantwort, erhöhten Cholesterinwerten sowie Auswirkungen auf Leber und Entwicklung in Verbindung. Gelangen sie in Böden und Gewässer, sind sie nur schwer wieder loszuwerden. Denn es reicht nicht, sie aus dem Wasser herauszufiltern. Um sie wirklich unschädlich zu machen, müssen ihre extrem stabilen Moleküle aufgebrochen werden.
PFAS in der Falle
Doch bevor PFAS zerstört werden können, müssen sie erst einmal aus dem Wasser heraus. Gerade kurzkettige Vertreter sind dabei schwer zu fassen. Sie lassen sich mit herkömmlichen Aktivkohlefiltern schlechter zurückhalten als die langkettigen. Sie brechen früher durch und die Aktivkohle muss häufiger ausgetauscht oder regeneriert werden. Das ist aufwendig, da sie aus dem Filter ausgebaut und bei hohen Temperaturen behandelt werden muss.
Ein Forschungsteam um Anett Georgi vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) will diesen Aufwand deutlich verringern. Ist das verwendete Aktivkohlevlies mit PFAS beladen, wird eine geringe elektrische Spannung angelegt. Das löst die Stoffe ab und das Vlies kann erneut eingesetzt werden. Im Labor funktioniert das bereits gut. „Nun müssen wir nachweisen, dass unser Elektrosorptionsmodul auch mit real belastetem Wasser zuverlässig funktioniert und sich viele Male regenerieren und wieder einsetzen lässt“, sagt Anett Georgi.
Beim Regenerieren des Vlieses entsteht ein wesentlich kleineres, stark PFAS-haltiges Wasservolumen. „In der zweiten Stufe unseres Reinigungsverfahrens nutzen wir dann eine spezielle Elektrode“, erklärt die Forscherin. „Daran werden die Moleküle elektrochemisch oxidiert und damit zersetzt.“ Einsetzen ließe sich eine solche Anlage zum Beispiel dann, wenn Grundwasser durch Feuerlöschschäume belastet ist. Interessant ist das Verfahren aber auch für kommunale und industrielle Abwässer.
Die beiden getrennten Prozessstufen machen das Verfahren aber auch für andere Ansätze interessant. Denn statt der Elektrooxidation könnten die aufkonzentrierten PFAS grundsätzlich auch mit anderen Zerstörungstechnologien behandelt werden.
Moleküle knacken
Genau solche konzentrierten PFAS-Ströme sind für die Verfahren interessant, an denen Sebastian Reinecke und sein Team am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) arbeiten. Die Forscherinnen und Forscher verfolgen gleich zwei Wege, um die besonders stabilen Moleküle aufzubrechen: hydrodynamische Kavitation und kaltes atmosphärisches Plasma.
„Bei der Kavitation entstehen winzige Dampfblasen im Wasser, die sofort wieder in sich zusammenfallen“, erklärt Sebastian Reinecke. „Dabei konzentriert sich die enthaltene Energie auf kleinstem Raum und es entstehen hohe Temperaturen sowie hochreaktive Teilchen. Diese können die PFAS-Moleküle aufbrechen.“ Mit diesem Verfahren gelang es dem Team bereits, PFAS in den Proben abzubauen.
Als noch wirksamer erwies sich das kalte Plasma. Eine Elektrode über der Wasseroberfläche erzeugt dabei ebenfalls hochreaktive Teilchen, die mit den PFAS reagieren und ihre stabilen Bindungen aufbrechen. Der Abbau funktioniert sehr gut, benötigt bislang allerdings vergleichsweise viel Energie.
Sebastian Reinecke, Leiter Abteilung für Wasser und Umwelttechnologien Institut für Fluiddynamik am HZDR. Bild: HZDR
Deshalb arbeitet das HZDR nun daran, beide Prozesse effizienter zu machen. „Das Stichwort ist Prozessintensivierung“, sagt Reinecke. „Bei der Kavitation soll möglichst viel belastetes Wasser durch die Bereiche geführt werden, in denen die Dampfblasen kollabieren. Beim Plasma wiederum wollen wir durch Umwälzung und eingebrachte Gasblasen mehr PFAS dorthin bringen, wo die reaktiven Teilchen entstehen.“
Besonders effizient arbeiten beide Verfahren bei konzentrierten PFAS-Strömen. Eine Möglichkeit wäre deshalb, belastetes Wasser möglichst nah an seiner Quelle zu behandeln. Denkbar wären beispielsweise kleine dezentrale Anlagen direkt an industriellen Prozessen, etwa in der Halbleiterfertigung, bevor sich PFAS-haltige Abwässer mit anderen Wasserströmen vermischen und stark verdünnen.
Bis dahin ist allerdings noch Entwicklungsarbeit nötig. Bevor das Team größere Mengen realer Industrieabwässer behandelt und in Richtung Pilot- oder Demonstratoranlage geht, will es den PFAS-Abbau auf über 90 Prozent steigern und das bei einem vertretbaren Energieaufwand. Ein nächster Schritt könnte dann die Behandlung eines 1.000-Liter-Behälters mit real belastetem Industrieabwasser sein.
Gemeinsam stärker
„Für PFAS ist es oft sehr gut, wenn man mehrere Verfahrensschritte kombiniert“, sagt Anett Georgi. Genau hier könnten sich die Ansätze von UFZ und HZDR ergänzen: Das UFZ holt PFAS aus großen Wassermengen heraus und konzentriert sie auf. Für Reineckes Verfahren sind solche Ströme besonders interessant. „Je höher die Konzentration der Schadstoffe ist, desto effektiver können wir arbeiten“, sagt er. So könnte aus zwei unterschiedlichen Ansätzen am Ende eine gemeinsame Prozesskette werden: erst sammeln, dann knacken.
PFAS kompakt
Was sind PFAS? Eine große Gruppe künstlich hergestellter fluorierter Chemikalien mit besonders stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen.
Warum sind sie nützlich? Viele sind wasser-, fett- und schmutzabweisend sowie hitze- und chemikalienbeständig.
Warum sind sie problematisch? Viele werden in der Umwelt kaum abgebaut, einige reichern sich in Organismen an und können gesundheitsschädlich sein.
Kurz- oder langkettig? PFAS unterscheiden sich unter anderem durch die Länge ihrer fluorierten Kohlenstoffkette. Langkettige Vertreter lassen sich meist leichter an Aktivkohle binden, kurzkettige sind mobiler und schwieriger zurückzuhalten.
Weitere Wege aus dem Wasser
Schaumfraktionierung ist besonders geeignet, um langkettige PFAS an Luft-Wasser-Grenzflächen anzureichern und mit dem Schaum abzutrennen.
Membranfiltration hält PFAS zurück, benötigt aber hohe Drücke und damit vergleichsweise viel Energie.
Ionenaustauscher können auch kurzkettige PFAS binden; eine Herausforderung ist die Regeneration und der Umgang mit den dabei entstehenden Konzentraten.
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