Kein Wunder also, dass PFAS mittlerweile Böden und Gewässer verunreinigen und auch im Körper von Menschen und Tieren nachweisbar sind.

Die Gefahren sind bekannt: Die sogenannten Ewigkeits-Chemikalien können unter anderem die Leber schädigen, Hormonstörungen auslösen und Krebs verursachen.

Nun haben Forschende der ETH Zürich eine neue Methode entwickelt, um eine gefährliche Untergruppe von PFAS, die sogenannten PFOS, abzubauen.

PFAS mit Ultraschall und Nanopartikeln abbauen

Mit Hilfe von Nanopartikeln und Ultraschall könnte die Piezokatalyse zukünftig eine effektive Alternative zu bestehenden Verfahren bieten.

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Das piezoelektrische Nanopartikel agiert als Katalysator und setzt eine chemische Reaktion in Gang: Das PFOS-Molekül wird zu 90.5 % abgebaut und zu 29 % defluoriert. © Grafik: Andrea Veciana / ETH Zürich

Forschende aus der Gruppe von Salvador Pané i Vidal, Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme, haben eine neue Methode entwickelt, um eine Untergruppe der PFAS, die PFOS (Perfluoroctansulfonate), abzubauen. PFOS sind aufgrund ihrer Toxizität mittlerweile stark eingeschränkt, in einigen Bereichen sogar verboten.

„Das Hauptproblem besteht darin, dass die Moleküle aus langen Kohlenstoffketten bestehen, die von Fluoratomen umgeben sind. Diese Kohlenstoff-Fluor-Bindung ist so stark, dass man sehr viel Energie braucht, um sie aufzubrechen", sagt Andrea Veciana, Doktorandin bei Pané i Vidal.

Um die PFOS-Moleküle aufzubrechen und damit im Wasser abzubauen, setzten die Forschenden erstmals die Piezokatalyse ein.

Die Funktionsweise der Piezokatalyse

Piezo bezieht sich auf die Piezoelektrizität: Eine elektrische Spannung, die bei mechanischer Verformung entsteht.

Katalyse meint die Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch geeignete Substanzen.

„Wir haben Nanomaterialien entwickelt, die piezoelektrisch sind. Mit bloßem Auge sieht dieses Material ein bisschen wie Sand aus", sagt Veciana. „Im Ultraschallbad laden sich diese Partikel elektrisch auf und wirken als Katalysator."

Pané i Vidal ergänzt: „Es ist diese elektrische Ladung, die die ganze Kette von Reaktionen in Gang setzt und die PFOS-Moleküle Stück für Stück abbaut. Deshalb nennt man die Nanopartikel piezoelektrisch."

Um die PFOS-Konzentration in ihren Proben messen zu können, arbeiteten die Forschenden mit Samy Boulos, einem Analysespezialisten des Labors für Lebensmittelbiochemie, zusammen.

Die Forschenden konnten mit einem Massenspektrometer nachweisen, dass 90,5 Prozent der PFOS-Moleküle abgebaut wurden.

Abbau von PFAS in der Praxis - Eine Herausforderung

„Man muss allerdings hinzufügen, dass wir mit einer sehr hohen Konzentration von vier Milligramm pro Liter gearbeitet haben", sagt Veciana.

„In der Natur, zum Beispiel in Seen und Flüssen liegt die PFOS-Konzentration bei weniger als einem Mikrogramm pro Liter. Je geringer die Konzentration, desto länger dauert es, bis die PFOS abgebaut sind."

Einige Technologien, die derzeit entwickelt werden, konzentrieren das Wasser zuerst und zerstören die PFOS erst anschließend.

Dies wäre laut der Forschenden auch bei der Piezokatalyse ein wichtiger Schritt, den man in einem konkreten Anwendungsfall wie dem Abwasser der chemischen Industrie umsetzen müsse.

Abbau von PFAS: Warum die Piezokatalyse überlegen ist

Das Potenzial der neuen Methode wird deutlich, wenn man die bisherigen Möglichkeiten zum Abbau von PFAS betrachtet.

„Eine Methode ist die thermische Zersetzung, die mit über 1000 Grad Celsius sehr energieintensiv ist", sagt Veciana. PFAS können auch durch Photokatalyse abgebaut werden.

Das ist ein ähnlicher Prozess wie die Piezokatalyse, aber statt mechanischer Energie wird Licht zur Aktivierung des Katalysators verwendet.

Das Hauptproblem dieser Methode: In der Praxis geht es darum, Abwasser zu behandeln. Dieses ist trüb und nur wenig Licht kann es durchdringen.

Veciana nennt eine dritte Methode: Man könne auch die Absorption nutzen. Dabei nimmt man eine Art Schwamm, der die Schadstoffe aus dem Wasser aufnimmt. Aber damit verschiebe man das Problem von einem Ort zum anderen. Denn dann müsse eine Lösung für den mit PFAS-durchsetzten Schwamm gefunden werden.

Die Nachteile der bestehenden Methoden waren einer der Gründe für die ETH-Forschenden, nach einem neuen Weg zu suchen, um PFAS abzubauen.

Die Piezokatalyse hat den Vorteil, dass sie mit verschiedenen mechanischen Energiequellen funktioniert.

„Wenn Wasser in Kläranlagen gereinigt werden muss, und ohnehin schon Turbulenzen im Wasser vorhanden sind, könnte man diese Energie vielleicht nutzen, um PFAS im Wasser abzubauen", sagt Veciana.

Skalierbarkeit: Noch viel Arbeit vor der Umsetzung

Was den Forschenden im Labor mit Wasserproben von 50 Millilitern gelungen ist, lässt sich leider noch nicht in die Praxis übertragen.

„Die Skalierbarkeit unserer Methode ist eine der grössten Herausforderungen", sagt Pané i Vidal. „Es ist uns aber gelungen zu zeigen, dass die Piezokatalyse als Methode zum Abbau von PFOS funktioniert und Vorteile gegenüber bisherigen Methoden hat."

Die Methode könne zudem nicht nur auf PFOS, sondern auf alle PFAS sowie andere Mikroschadstoffe angewendet werden.

Generell sollten Methoden zum Abbau von PFAS eingesetzt werden, bevor die Chemikalien in die Umwelt gelangen. Sie kämen also in Kläranlagen der Industriebetriebe oder in gesammeltem Wasser aus der Landwirtschaft, das wiederverwendet werden soll, zum Einsatz.

„Unternehmen sollten alle möglichen Massnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass das Wasser, das sie in die Umwelt ableiten, so sauber wie möglich ist", sagt Pané i Vidal.

Gemeinsame Lösungen durch Forschung und Politik

Veciana fügt hinzu: „PFAS sind ein globales Problem, das in erster Linie durch politische Veränderungen und mehr Transparenz angegangen werden sollte."

In den Medien werde bereits viel über ein PFAS-Verbot und strengere Vorschriften berichtet, die die Industrie zu mehr Transparenz bei der Verwendung von PFAS zwingen sollen.

Veciana betont: „Dennoch ist es auch wichtig, Innovationen durch Forschung voranzutreiben, um die bereits vorhandene Belastung durch PFAS so weit wie möglich zu reduzieren und zu beheben."

Originalpublikation:
Veciana A, Steiner S, Tang Q, Pustovalov V, Llacer-Wintle J, Wu J, Chen X, Manyiwa T, Ultra Jr. V, Garcia-Cirera B, Puigmartí-Luis J, Franco C, Janssen D, Nyström L, Boulos S, Pané S: Breaking the Perfluorooctane Sulfonate Chain: Piezocatalytic Decomposition of PFOS Using BaTiO3 Nanoparticles. Small Science 2400337. doi: 10:1002/smsc.202400337

Quelle: ETH Zürich