Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat zwei Verfahren entwickelt, um per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) im Wasser zu zersetzen. Unterstützt wurden die Arbeiten vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), das den Abbau der Verbindungen und die Freisetzung von Fluorid analytisch nachwies. Ziel ist es, den Eintrag der als langlebig geltenden Industriechemikalien in Gewässer zu verringern.

Kavitation nutzt Druck- und Temperatureffekte

Das erste Verfahren basiert auf hydrodynamischer Kavitation. Dabei wird PFAS-belastetes Wasser durch eine Verengung geleitet, wodurch Dampfblasen entstehen. An deren Oberfläche lagern sich die PFAS-Moleküle an. Wenn die Blasen anschließend kollabieren, entstehen lokal sehr hohe Temperaturen sowie hochreaktive Hydroxylradikale. Diese greifen die stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen der PFAS an und fördern deren Zerlegung.

In den Versuchen mit der langlebigen Verbindung Perfluoroktansulfonsäure (PFOS) konnten die Forschenden rund 37 % der gelösten Moleküle abbauen. Derzeit arbeitet das Team daran, die Abbaurate weiter zu erhöhen und einen größeren Anteil des gebundenen Fluors zu mineralisieren.

„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“, so Dr. Sebastian Reinecke, Leiter der Abteilung Wasser- und Umwelttechnologien am HZDR.

Plasma baut lang- und kurzkettige PFAS ab

Im zweiten Ansatz kommt kaltes, atmosphärisches Plasma in Kombination mit einer Gasdispersion zum Einsatz.

„Wir haben Plasma an der Wasseroberfläche erzeugt und gleichzeitig Gas in das mit PFAS versetzte Wasser eingeleitet. 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“, erläutert Reinecke.

Laut Forschungsteam ließ sich mit diesem Verfahren sowohl lang- als auch kurzkettiges PFAS nahezu vollständig abbauen. Rund 35 % der gebundenen Fluoratome wurden dabei als Fluorid freigesetzt. Allerdings benötigt das Verfahren derzeit deutlich mehr Energie als der Kavitationsansatz. Zudem entstehen verschiedene Zwischen- und Reaktionsprodukte, deren Zusammensetzung und mögliche Auswirkungen noch untersucht werden.

Kombination der Verfahren als nächster Schritt

Derzeit arbeiten die Forschenden daran, die Verfahren für größere Wassermengen zu skalieren. Das Reaktionsvolumen soll schrittweise von Laboransätzen auf mehrere Liter erhöht werden. Langfristig planen sie außerdem, Kavitation und Plasma zu kombinieren. Dadurch sollen die Vorteile beider Verfahren genutzt werden, um höhere Abbauraten zu erzielen und PFAS künftig effizienter aus belastetem Wasser entfernen zu können. Sollte die Technologie bis zur Marktreife weiterentwickelt werden, könnte sie künftig in industriellen Anwendungen dazu beitragen, den Eintrag von PFAS in Gewässer zu reduzieren.