Verfahren zur Säuberung von PFAS-kontaminiertem Wasser

Zu den von Men­schen gemacht­en Umwelt­be­las­tun­gen gehört auch die Ver­schmutzung mit der gesund­heitss­chädlichen Ewigkeits­chemikalie PFAS. Per- und poly­flu­o­ri­erte Alkylverbindun­gen, kurz PFAS (englisch: per- and poly­flu­o­roalkyl sub­stances) kom­men in der Natur 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. Sie sind außeror­dentlich sta­bil, kön­nen wed­er durch Licht, Wass­er oder Bak­te­rien abge­baut wer­den und sind mit­tler­weile alleine in Deutsch­land an vie­len 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 gesund­heitlichen Auswirkun­gen, die von der Schädi­gung von Orga­nen bis hin zu Kreb­serkrankun­gen oder Entwick­lungsstörun­gen reichen.

Möglichkeit­en, PFAS wieder aus der Umwelt zu ent­fer­nen, gäbe es the­o­retisch. Diese sind aber sehr aufwendig und teuer. Bei ein­er Fil­terung durch Aktivkohle beispiel­sweise wer­den PFAS zwar gebun­den, aber nicht beseit­igt, sodass die Über­reste im Son­der­müll entsorgt beziehungsweise gelagert wer­den müssen. Ein Umwelt­prob­lem, für dessen Lösung die Zeit drängt.

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 beseit­i­gen zu kön­nen. Dabei lag der Part der Forschungsar­beit­en beim IGB, die Wasser­proben stammten vom Pro­jek­t­part­ner, der unter anderem auf Alt­las­ten­sanierung spezial­isiert ist.

Nach 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.

Plas­ma ist ein ion­isiertes und damit elek­trisch sehr aktives Gas, das die Forschen­den durch Anle­gen ein­er Hochspan­nung in einem zylin­der­för­mi­gen, kom­binierten Glas-Edel­stahlzylin­der erzeu­gen. 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.

Ges­tartet wur­den die Forschungsar­beit­en in einem kleinen Labor­reak­tor mit einem Proben­vol­u­men von einem hal­ben Liter. “Diesen kon­nten wir rel­a­tiv schnell durch einen 5‑Liter-Pilotreak­tor erset­zen und im größeren Maßstab exper­i­men­tieren”, berichtet Umlauf. “Der näch­ste Schritt wäre nun ein noch größer­er Wasser­tank − sich­er auch machbar.”

Das Wass­er, das die Forschen­den für ihre Tests ver­wen­de­ten, war kein Leitungswass­er mit zuge­set­zten PFAS, son­dern »echt­es Wass­er« – soge­nan­nte Real­proben: “Das Wass­er stammt aus PFAS-kon­t­a­minierten Gebi­eten und ist eine wilde Mis­chung aus ver­schiede­nen Par­tikeln wie Schweb­stof­fen und organ­is­chen Trübun­gen”, sagt Umlauf. “Für den Reini­gungsvor­gang kein Prob­lem, wie unsere Ver­suche ergaben: Bere­its nach zwei Stun­den, in denen die Grund­wasser­proben durch den Reak­tor gepumpt wor­den waren, kon­nten wir einen nen­nenswerten Abbau der Kohlen­stof­fket­ten­länge beobacht­en; nach sechs Stun­den war die PFAS-Konzen­tra­tion deut­lich ver­ringert, also ein Großteil der Chemikalien aus der Probe ent­fer­nt. Dies deckt sich mit Ver­mu­tun­gen, die bere­its vor einiger Zeit in der Lit­er­atur geäußert wur­den. Das heißt, wir kon­nten nach­weisen, dass die Prax­is mit der The­o­rie übereinstimmt.”

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: »In unseren Vorstel­lun­gen sehen wir die Plas­maan­lage in Con­tain­ern ste­hen, die mobil an lokalen Schad­stellen oder Brun­nen einge­set­zt wer­den kön­nen, um Trinkwass­er flex­i­bel und umweltscho­nend aufzu­bere­it­en«, wagt Umlauf den Blick in die Zukunft.

Die Ergeb­nisse zur Auf­bere­itung von Real­proben wur­den vom Pro­jek­t­part­ner Hydr.O in Paris auf der Kon­ferenz »2nd Inter­na­tion­al Con­gress – Man­age­ment of Envi­ron­men­tal & Health Risks« präsen­tiert. Hier wurde mit AtWaPlas ein Ver­fahren vorgestellt, das PFAS nicht nur sam­melt – wie bei den bish­er ange­wandten Ver­fahren zum Beispiel mit­tels Aktivkohle­filtern oder Umkehros­mosen −, son­dern die Umwelt­gifte eli­m­iniert und im gün­stig­sten Fall sog­ar voll­ständig mineralisiert.

Am 30. Juni 2023 wurde AtWaPlas mit einem offiziellen Abschlusstr­e­f­fen in Aachen been­det. Auch hier wurde eine Zusam­men­fas­sung der Resul­tate vorgestellt. Bei­de Pro­jek­t­part­ner beton­ten die pos­i­tive Zusam­me­nar­beit während des Forschungsvorhabens. Gemein­sam mit anderen The­men rund um Spuren­stoffe wird das Ver­fahren außer­dem The­ma auf dem 22. Kol­lo­qui­um zur Abwasser­be­hand­lung am 25. Sep­tem­ber 2023 in Stuttgart sein.