Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat nun ein Verfahren entwickelt, das genau hier ansetzt – und das nach eigenen Angaben effizienter, energieärmer und umweltfreundlicher sein soll als bisherige Methoden.

Ein Stoff, der zu gut im Wasser funktioniert

PFAS sind eine große, heterogene Stoffgruppe: Rund 10.000 Verbindungen sind bekannt, etwa die Hälfte davon findet industriell Anwendung, etwa in Outdoor-Bekleidung, Lebensmittelverpackungen, beschichteten Pfannen oder Kosmetikprodukten. Dass sie so vielseitig eingesetzt werden können, liegt an ihren außergewöhnlichen Eigenschaften: Sie sind wasser-, fett- und schmutzabweisend und zugleich extrem stabil.

Genau diese Stabilität wird jedoch zum Problem. PFAS bauen sich in der Umwelt kaum ab, reichern sich an und stehen im Verdacht, gesundheitsschädlich zu sein, mit möglichen Effekten auf Hormonhaushalt, Immunsystem, Stoffwechsel und Fortpflanzung. Für einige langkettige Vertreter wurde deshalb bereits im Rahmen der Stockholmer Konvention ein Produktions- und Verwendungsverbot oder zumindest eine starke Einschränkung beschlossen.

Die Industrie wich daraufhin zunehmend auf kurzkettige PFAS aus. Doch auch diese Strategie hat eine Kehrseite. PFBA etwa, eine Verbindung mit nur vier Kohlenstoffatomen, besitzt eine stark wasseranziehende Carboxylgruppe und ist deshalb besonders gut löslich. „Deswegen löst sich PFBA sehr gut im Wasser und ist sehr mobil. In bislang gängigen Verfahren wie der Aktivkohleadsorption lässt sich PFBA deshalb nur schlecht aus dem Wasser entfernen“, sagt UFZ-Chemikerin und Autorin Dr. Anett Georgi.

Zwei Schritte gegen ein hartnäckiges Problem

Genau hier setzt das neue Verfahren an, das das UFZ-Team entwickelt hat. Es besteht aus zwei aufeinanderfolgenden elektrochemischen Prozessschritten: Zunächst wird PFBA aus großen Wassermengen herausgeholt und konzentriert, anschließend wird es vollständig zerstört.

Im ersten Schritt fließt das belastete Wasser durch eine Durchflusszelle, in der sich eine Elektrode aus einem textilartigen Aktivkohlefaser-Vlies befindet. Dieses wird leicht positiv geladen. „Dadurch lagert sich die negativ geladene PFBA an der Oberfläche der Aktivkohle ab“, erklärt Erstautor und UFZ-Umweltingenieur Dr. Navid Saeidi.

Wird die Spannung anschließend umgepolt, löst sich der Stoff wieder von der Oberfläche, wird mit einem kleinen Wasservolumen ausgespült und als Konzentrat gesammelt. Die Folge: Die PFBA-Konzentration lässt sich so um den Faktor 40 steigern. Durch eine kaskadenartige Verschaltung mehrerer solcher Zellen kann dieser Effekt weiter verstärkt werden.

Der zweite Schritt ist der eigentliche Abbauprozess. Hier kommt eine Bor-dotierte Diamant-Elektrode zum Einsatz, an der die konzentrierte PFBA-Lösung elektrochemisch oxidiert wird. Die stark oxidierende Anode zersetzt die Verbindung vollständig; als Abbauprodukt bleibt im Wesentlichen Fluorid zurück, das sich vergleichsweise einfach abtrennen lässt.

Energiearm, vor Ort einsetzbar und wiederverwendbar

Die UFZ-Forschenden betonen vor allem die praktischen Vorteile des Verfahrens. „Alle Schritte können am Einsatzort durchgeführt werden, das reduziert Transportkosten und der Energieaufwand ist gering“, benennt Anett Georgi zwei zentrale Punkte.

Hinzu kommt ein Aspekt, der in der Praxis besonders relevant sein könnte: die Wiederverwendbarkeit des eingesetzten Aktivkohle-Vlieses. Da die Adsorption elektrisch gesteuert wird, lässt sich das Material regenerieren und mehrfach einsetzen. Das unterscheidet das Verfahren deutlich von klassischen Aktivkohlefiltern, die mit PFAS beladen entweder verbrannt oder aufwendig regeneriert werden müssen.

„Das schont nicht nur fossile Ressourcen, sondern reduziert auch den CO2-Verbrauch, denn Aktivkohle wird oft aus Steinkohle gewonnen und vorwiegend aus Asien importiert“, ergänzt Anett Georgi.

Flughäfen als Beispiel für ein globales Problem

Einsatzmöglichkeiten sehen die Forschenden insbesondere dort, wo PFAS-belastete Abwässer in größeren Mengen anfallen – etwa in der Industrie oder an Flughäfen. Dort gelangen PFAS unter anderem über Feuerlöschschäume ins Grundwasser, sowohl in kurz- als auch in langkettiger Form.

Mit Blick auf strengere Grenzwerte in vielen Ländern wächst der Druck auf Betreiber, geeignete Reinigungsverfahren einzusetzen. „Da von den Betreibern zunehmend strengere PFAS-Grenzwerte einzuhalten sind, braucht es effizientere und nachhaltigere Technologien zu dessen Entfernung, die so wie unsere Methode zuverlässig, umweltfreundlich und bezahlbar sind. Sie könnte bei komplexen PFAS-Kontaminationen die klassischen Aktivkohle-Adsorber ergänzen und die kurzkettigen PFAS abfangen“, sagt die UFZ-Chemikerin und Mitautorin Dr. Katrin Mackenzie.

Die Konsequenz einer solchen Ergänzung wäre nicht nur eine verbesserte Abscheidung schwer zu entfernender Stoffe wie PFBA, sondern auch eine längere Lebensdauer bestehender Filteranlagen – und damit, so die Hoffnung der Forschenden, auch eine deutliche Kostenreduktion im Betrieb.

Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ