PFAS sind in vielen Böden und Gewässern und damit auch in unserer Nahrung zu finden. Nun ist es Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem PFAS energieeffizient aus kontaminiertem Wasser entfernt werden könnten. Das Projekt AtWaPlas endete nach zwei Jahren Forschungsarbeit mit konkret anwendbaren Ergebnissen.
Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz PFAS kommen in der Natur eigentlich nicht vor. Industriell hergestellt ist diese Gruppe aus mehr als 10 000 Chemikalien aber in vielen Dingen unseres Alltags zu finden. Ob in Zahnseide, Backpapier, Outdoorkleidung oder Lösch- und Pflanzenschutzmitteln – überall sorgen PFAS dafür, dass die Produkte wasser-, fett- und schmutzabweisend sind. Eigentlich nicht schlecht, aber: Sie sind außerordentlich stabil, können weder durch Licht, Wasser oder Bakterien abgebaut werden und sind mittlerweile alleine in Deutschland an tausenden Orten in Böden, Gewässern und Grundwasser nachzuweisen und damit auch in unserer Nahrung. So reichern sich diese giftigen Ewigkeitschemikalien auch im menschlichen Körper an, mit erheblichen gesundheitlichen Auswirkungen, die von der Schädigung von Organen bis hin zu Krebserkrankungen oder Entwicklungsstörungen reichen.
PFAS aus der Umwelt entfernen
Möglichkeiten, PFAS wieder aus der Umwelt zu entfernen, gäbe es theoretisch schon. Diese sind aber äußerst aufwendig und teuer. Bei einer Filterung durch Aktivkohle beispielsweise werden PFAS zwar gebunden, aber nicht beseitigt, sodass die Überreste im Sondermüll entsorgt bzw. gelagert werden müssen.
Deshalb haben es sich im Verbundprojekt AtWaPlas (für: Atmosphären-Wasserplasma-Behandlung) Forschende am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik in Stuttgart gemeinsam mit dem Industriepartner Hydr.O. aus Aachen bereits 2021 zur Aufgabe gemacht, ein effizientes, kostengünstiges Verfahren zu entwickeln, um die toxischen Substanzen möglichst vollständig zu beseitigen. Dabei lag der Part der Forschungsarbeiten beim IGB, die Wasserproben stammten vom Projektpartner, der unter anderem auf Altlastensanierung spezialisiert ist.
PFAS werden im Plasma zerstört
Mit Erfolg: Nach nur zwei Jahren Projektlaufzeit ist es den Forschenden um Dr. Georg Umlauf, Experte für funktionale Oberflächen und Materialien, gelungen, ein Verfahren zu erarbeiten, das auf dem Einsatz von Plasma basiert, und mit dem die Molekülketten der PFAS abgebaut werden können – auch bis zur vollständigen Mineralisierung des Umweltgifts.
Das Plasma wird durch Anlegen einer Hochspannung in einem zylinderförmigen, kombinierten Glas-Edelstahlzylinder erzeugt. Anschließend wird das kontaminierte Wasser zur Reinigung durch den Reaktor geleitet. In der Plasmaatmosphäre werden die PFAS-Molekülketten aufgebrochen und damit verkürzt. Der Vorgang in dem geschlossenen Kreislauf wird mehrere Male wiederholt, dabei jedes Mal die Molekülketten um ein weiteres Stück verkürzt, so lange, bis sie vollständig abgebaut sind.
Nach wenigen Stunden im Reaktor sind die Gifte abgebaut
Gestartet wurden die Forschungsarbeiten in einem kleinen Laborreaktor mit einem Probenvolumen von0,5 l. Dieser konnte relativ schnell durch einen 5-l-Pilotreaktor ersetzt werden. Der nächste Schritt wäre nun ein noch größerer Wassertank. Das Wasser, das die Forschenden für ihre Tests verwendeten, war kein Leitungswasser mit zugesetzten PFAS, sondern sogenannte Realproben. Das Wasser stammt aus PFAS-kontaminierten Gebieten und ist eine wilde Mischung aus verschiedensten Partikeln wie Schwebstoffen und organischen Trübungen. Bereits nach 2 h Stunden, in denen die Grundwasserproben durch den Reaktor gepumpt worden waren, konnte ein nennenswerter Abbau der Kohlenstoffkettenlänge beobachtet werden; nach 6 h war die PFAS-Konzentration deutlich verringert, also ein Großteil der Chemikalien aus der Probe entfernt.
Auch für andere Wasserverschmutzungen einsetzbar
Mit dem gleichen Aufbau lässt sich die Plasma-Methode auch zur Aufreinigung anderer Wasserverschmutzungen einsetzen, etwa von Medikamentenrückständen, weiteren Industriechemikalien oder Pflanzenschutzmitteln. Untersucht wurde dies in vorangegangenen Projekten WaterPlasma und WasserPlasmax. Auch könnte der Reaktor mit etwas weiterer Entwicklungsarbeit einmal energieeffizient mit Umgebungsluft betrieben werden. Die Plasmaanlagekönnte in Containern stehen, die mobil an lokalen Schadstellen oder Brunnen eingesetzt werdenn, um Trinkwasser flexibel und umweltschonend aufzubereiten.
Am 30. Juni 2023 wurde AtWaPlas mit einem offiziellen Abschlusstreffen in Aachen beendet. Gemeinsam mit anderen Themen rund um Spurenstoffe wird das Verfahren auch Thema auf dem 22. Kolloquium zur Abwasserbehandlung am 25. September 2023 in Stuttgart sein.
