Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben zwei Verfahren entwickelt, mit denen sich per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) gezielt abbauen lassen. Zum Einsatz kommen hydrodynamische Kavitation sowie kaltes atmosphärisches Plasma in Kombination mit Gasdispersion. Das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) unterstützte die Arbeiten mit Analysen, die den PFAS-Abbau und die Freisetzung von Fluorid bestätigten. Langfristig könnten die Verfahren in der Industrie eingesetzt werden, um den Eintrag der langlebigen Chemikalien in Gewässer deutlich zu verringern.

PFAS umfassen mehr als 10.000 Industriechemikalien, die aufgrund ihrer stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen nur äußerst schwer abgebaut werden. Einige Vertreter stehen im Verdacht, das Erbgut zu verändern und Krebs zu fördern, während die Auswirkungen vieler weiterer Stoffe bislang noch unklar sind. Über Abwässer gelangen PFAS in Flüsse und Meere und verbreiten sich weltweit. Auch in der Elbe wurden zuletzt erhöhte Konzentrationen nachgewiesen. Die Forschungsarbeiten sind Teil der Nationalen Wasserstrategie und sollen dazu beitragen, neue Technologien für den Gewässerschutz zu entwickeln.

Kavitation setzt PFAS unter Extrembedingungen zu

Bereits seit 2022 untersucht das HZDR den Einsatz hydrodynamischer Kavitation zur Zerstörung von PFAS. Dabei wird belastetes Wasser durch eine Verengung geleitet, wodurch sich Dampfblasen bilden.

„Bei der hydrodynamischen Kavitation befördern wir mit PFAS angereichertes Wasser durch eine Verengung und erzeugen so kleine Dampfblasen“, erklärt der Leiter der Abteilung Wasser- und Umwelttechnologien am HZDR, Dr. Sebastian Reinecke. Da langkettige PFAS oberflächenaktiv sind, lagern sie sich an diese Blasen an. „Implodieren diese dann wieder – das passiert, wenn der Umgebungsdruck in der Strömung hinter der Verengung steigt – werden die an ihnen haftenden PFAS örtlich sehr hohen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius ausgesetzt“, erklärt Reinecke den Effekt.

Zusätzlich entstehen hochreaktive Hydroxylradikale. „Unsere Hypothese ist, dass sie die Zwischenprodukte angreifen und so den PFAS-Abbau deutlich intensivieren.“

Für die Versuche nutzten die Forschenden Perfluoroktansulfonsäure (PFOS), eine besonders langlebige und gut untersuchte PFAS-Verbindung. Das Verfahren konnte rund 37 Prozent der gelösten PFOS-Moleküle abbauen. Gleichzeitig stieg die Konzentration von freigesetztem Fluorid kontinuierlich an.

„In Folgeexperimenten arbeiten wir nun daran, die Abbaurate zu steigern“, erläutert Reinecke. „Unser Ziel ist, das Verfahren so weit voranzubringen, dass wir mehr als 80 Prozent der PFAS in der Lösung abbauen und mehr als 50 Prozent des in den Chemikalien gebundenen Fluors mineralisieren, also die für PFAS typischen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen auflösen können.“

Plasma zeigt hohe Abbauraten

In einer zweiten Versuchsreihe kombinierten die Forschenden kaltes atmosphärisches Plasma mit einer Gasdispersion. Das Verfahren kommt ohne Katalysatoren oder zusätzliche Chemikalien aus und arbeitet unter Umgebungsbedingungen.

„Wir haben Plasma an der Wasseroberfläche erzeugt und gleichzeitig Gas in das mit PFAS versetzte Wasser eingeleitet“, erläutert Sebastian Reinecke den Versuchsaufbau. „Die PFAS lagern sich an der Oberfläche der Gasbläschen an. Während diese aufsteigen, wird die Flüssigkeit ständig umgewälzt. Dadurch gelangen die PFAS an die Wasseroberfläche, wo sie im Plasma zersetzt werden.“

Mit dieser Methode ließen sich sowohl lang- als auch kurzkettige PFAS nahezu vollständig abbauen. Rund 35 Prozent der gebundenen Fluoratome wurden als Fluoridsalze freigesetzt.

„Die Reaktionskinetik ist hier deutlich stärker als bei der Kavitation, allerdings ist auch der Energieverbrauch pro Volumeneinheit wesentlich höher“, ordnet Reinecke die Ergebnisse ein. „Außerdem entstehen zahlreiche Transformationsprodukte, die wir bislang noch nicht im Detail untersuchen konnten – etwa die gasförmigen Verbindungen, die während der Reaktion entstehen.“

Ob dabei gesundheitlich bedenkliche Stoffe entstehen und wie sich dies verhindern lässt, wird derzeit in weiteren Untersuchungen geprüft.

Kombination beider Technologien geplant

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Verfahren für größere Wassermengen skalieren. Dazu wird das Reaktionsvolumen schrittweise von rund 50 Millilitern auf fünf Liter erhöht. Anschließend sollen Plasma und Kavitation in einem gemeinsamen Verfahren kombiniert werden.

„Ich denke, wir werden hohe Abbauraten erreichen, wenn wir die hochreaktiven Spezies aus dem Plasma mit den Effekten der Kavitation verbinden“, sagt Reinecke.

Gelingt es, die Vorteile beider Technologien zu vereinen, könnte daraus langfristig ein neues Verfahren entstehen, um PFAS effizient aus belastetem Wasser zu entfernen.

Originalpublikation: Amit Kumar, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Holger Kryk, Uwe Hampel, Sebastian Felix Reinecke:: Enhanced degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in tap water using gas-dispersed cold atmospheric plasma, in Scientific Reports, 2026 (DOI: 10.1038/s41598-026-57490-6).

Amit Kumar, Anett Georgi, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Markus Meier, Holger Kryk, Sebastian Felix Reinecke, Uwe Hampel: Degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) forever chemical in water using hydrodynamic cavitation treatment, in Chemical Engineering Journal Advances, 2026 (DOI: 10.1016/j.ceja.2026.101046).