Derzeit existieren rund 10.000 PFAS-Substanzen. Davon werden ca. 4.000 bis 5.000 industriell genutzt, etwa in Outdoor-Kleidung, Lebensmittelverpackungen, Pfannen oder Kosmetik. Viele der Stoffe gelangen über Anwendungen wie Feuerlöschschäume in die Umwelt, wo sie sich nur sehr langsam oder gar nicht abbauen.

PFAS gelten als gesundheitsgefährdend, da sie den Stoffwechsel, Hormonhaushalt, die Fortpflanzung sowie das Immunsystem beeinflussen. Sie stehen zudem  im Verdacht, krebserregend zu sein. Langkettige PFAS wurden deshalb im Rahmen der Stockholmer Konvention reguliert. In der Folge ersetzte die Industrie diese zunehmend durch kurzkettige Varianten.

Kurzkettige PFAS als neue Herausforderung

Kurzkettige PFAS wie Perfluorbutansäure (PFBA) werden inzwischen immer häufiger in der Umwelt nachgewiesen. PFBA hat nur vier Kohlenstoffatome und besitzt am Molekülende eine Carboxylgruppe, die Wasser stark anzieht.

“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.

Zweistufiges Verfahren zur PFBA-Entfernung

Ein Forschungsteam des UFZ hat ein zweistufiges elektrochemisches Verfahren entwickelt, um PFBA gezielt zu entfernen.

Im ersten Schritt erfolgt eine Anreicherung durch Elektro-Adsorption. PFBA-haltiges Wasser wird durch eine Durchflusszelle mit einer leicht positiv geladenen Elektrode aus Aktivkohlefaser-Vlies geleitet.

“Dadurch lagert sich die negativ geladene PFBA an der Oberfläche der Aktivkohle ab”, erklärt Erstautor und UFZ-Umweltingenieur Dr. Navid Saeidi.

Durch das Umpolen der Spannung wird PFBA dann wieder von der Oberfläche gelöst, mit einem kleinen Volumen an Wasser ausgespült und als Konzentrat gesammelt. Dabei kann die PFBA-Konzentration bis um den Faktor 40 erhöht werden. Durch eine kaskadenartige Anordnung von Elektro-Sorptionszellen kann diese Anreicherung mehrfach wiederholt werden.

Im Verlauf des UFZ-Verfahrens werden die PFAS zuerst durch Elektrosorption abgetrennt und angereichert (Schritt 1) und danach durch Elektrooxidation zerstört (Schritt 2). Übrig bleiben vor allem CO2 und Fluorid. Foto: Susan Walter-Pantzer / UFZ (Grafik)

Im zweiten Prozessschritt wird PFBA durch Elektrooxidation an einer Bor-dotierten Diamant-Elektrode zerstört – also durch eine chemische Reinigung des Wassers, die durch elektrischen Strom ausgelöst wird. Die Anode wirkt stark oxidierend und bewirkt die Zersetzung von PFBA. Als Abbauprodukt bleibt vor allem das leicht abtrennbare Fluorid übrig.

Nachhaltige Vorteile des Verfahrens

Das Verfahren bietet mehrere ökologische und wirtschaftliche Vorteile: “Alle Schritte können am Einsatzort durchgeführt werden, das reduziert Transportkosten und der Energieaufwand ist gering”, benennt Anett Georgi zwei Vorteile des Verfahrens.

Da die Adsorption von PFBA durch das Anlegen von elektrischer Spannung gesteuert wird, kann zudem das Adsorptionsvlies aus Aktivkohle immer wieder regeneriert und damit im Unterschied zu anderen Verfahren, bei denen die mit PFAS angereicherte Aktivkohle in Müllverbrennungsanlagen entsorgt oder energetisch sehr aufwendig wiederhergestellt werden muss, mehrfach genutzt werden.

“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.

Einsatz in der Wasseraufbereitung

Einsatzmöglichkeiten für ihr bereits auch zum Patent angemeldetes Verfahren sehen die UFZ-Wissenschaftler:innen vor allem überall dort, wo PFAS aus kommunalen und industriellen Abwasserströmen entfernt werden soll. Beispielsweise an Flughäfen, wo das Grundwasser durch den Einsatz von Feuerlöschschäumen mit kurz- und langkettigen PFAS kontaminiert ist.

“Da von den Betreibern zunehmend strengere PFAS-Grenzwerte einzuhalten sind, braucht es effizientere und nachhaltige 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 Mitautorin und UFZ-Chemikerin Dr. Katrin Mackenzie.

Die Kombination mit bestehenden Verfahren könnte die Lebensdauer von Adsorber-Systemen verlängern und gleichzeitig Kosten reduzieren.

Quelle: UFZ