Helmholtz-Forscher knacken PFAS mit Plasma und implodierenden Gasblasen
Kaltes Plasma und Kavitation sollen PFAS direkt im Wasser zerstören. Im Labor sank die PFOS-Konzentration um bis zu 99,99 %.
Plasma plus Kavitation: Kaltes atmosphärisches Plasma zerstört toxische Schadstoffe an der Grenzfläche zwischen Gasblasen und Wasser.
Foto: B. Schröder/HZDR
PFAS gehören zu den hartnäckigsten Schadstoffen im Wasser. Ihre Kohlenstoff-Fluor-Bindungen sind so stabil, dass klassische Reinigungsverfahren die Chemikalien meist nur herausfiltern oder aufkonzentrieren. Zerstört sind sie damit nicht.
Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) erproben deshalb zwei Verfahren, die PFAS direkt im Wasser abbauen sollen. Zum Einsatz kommen kaltes atmosphärisches Plasma und hydrodynamische Kavitation – also winzige Dampfblasen, die unter hohem Druck implodieren.
Die ersten Laborergebnisse zeigen, wie groß die technische Herausforderung bleibt. In einem Plasmaversuch sank die Konzentration der Modellsubstanz PFOS innerhalb von 20 Minuten um bis zu 99,99 %. Vollständig mineralisiert war die Verbindung trotzdem nicht: Nur etwa 35 % des gebundenen Fluors ließen sich anschließend als Fluorid nachweisen.
Damit rückt die entscheidende Frage in den Mittelpunkt: Verschwindet das ursprüngliche PFAS-Molekül lediglich aus der Analyse, oder werden seine extrem stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen tatsächlich aufgebrochen?
Analysen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung bestätigen, dass beide Verfahren Fluorid freisetzen. Zumindest ein Teil der Bindungen wird also tatsächlich gespalten. Bis zu einer industriell einsetzbaren Wasserreinigung müssen die Forschenden jedoch noch klären, welche Zwischenprodukte entstehen, wie hoch der Energiebedarf ausfällt und ob sich die Verfahren auf größere Wassermengen übertragen lassen.
PFAS lassen sich filtern – aber nur schwer zerstören
Zur Stoffgruppe der Per- und Polyfluoralkylsubstanzen gehören mehr als 10.000 Verbindungen. Sie sind hitzebeständig, wasser- und fettabweisend und werden deshalb in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt.
Ihre chemische Stabilität wird jedoch zum Problem, sobald die Stoffe in die Umwelt gelangen. PFAS werden in Kläranlagen häufig nicht vollständig entfernt, können sich über Gewässer verbreiten und teilweise im menschlichen Körper anreichern. Einige Verbindungen stehen im Verdacht, das Krebsrisiko zu erhöhen, das Immunsystem zu beeinträchtigen oder weitere gesundheitliche Schäden auszulösen. Bei vielen PFAS fehlen bislang belastbare toxikologische Daten.
Verfahren wie Aktivkohlefilter oder Ionenaustauscher können PFAS aus dem Wasser entfernen. Sie zerstören die Moleküle jedoch nicht, sondern verlagern sie in ein belastetes Filtermaterial. Dieses muss anschließend regeneriert, verbrannt oder anderweitig behandelt werden.
Die Dresdner Forschenden verfolgen daher einen anderen Ansatz: Die Moleküle sollen nicht nur abgeschieden, sondern möglichst vollständig zerlegt und ihr organisch gebundenes Fluor in Fluorid überführt werden.
Implodierende Blasen erzeugen extreme Temperaturen
Beim ersten Verfahren strömt PFAS-haltiges Wasser durch eine Verengung. Der Druck sinkt dabei lokal so stark ab, dass sich kleine Dampfblasen bilden. Hinter der Engstelle steigt der Druck wieder. Die Blasen kollabieren innerhalb kürzester Zeit.
Dieser als hydrodynamische Kavitation bezeichnete Effekt erzeugt auf kleinstem Raum extreme Bedingungen. An den implodierenden Blasen können Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius auftreten. Gleichzeitig entstehen hochreaktive Hydroxylradikale.
Für den PFAS-Abbau ist noch ein weiterer Effekt wichtig: Langkettige PFAS sind oberflächenaktiv und lagern sich bevorzugt an den Grenzflächen der Blasen an. Beim Kollaps befinden sich die Moleküle deshalb genau dort, wo die höchsten Temperaturen und die reaktivsten chemischen Spezies auftreten.
„Wenn die Bläschen unter dem steigenden Umgebungsdruck im Wasser hinter der Verengung platzen, sind die an den Bläschen haftenden PFAS lokalen Temperaturspitzen von mehreren tausend Grad Celsius ausgesetzt“, erklärt Sebastian Reinecke, Leiter der Abteilung Wasser- und Umwelttechnologien am HZDR.
Als Modellsubstanz verwendete das Team Perfluoroctansulfonat, kurz PFOS. Die Verbindung gehört zu den besonders langlebigen und gut untersuchten Vertretern der PFAS-Gruppe.
In den Versuchen wurden rund 37 % der gelösten PFOS-Moleküle abgebaut. Zugleich stieg die Fluoridkonzentration im Wasser an. Das zeigt, dass die Behandlung nicht nur das Ausgangsmolekül verändert, sondern auch Kohlenstoff-Fluor-Bindungen aufbrechen kann.
Die Forschenden wollen die PFOS-Abbaurate nun auf mehr als 80 % steigern. Mindestens 50 % des gebundenen Fluors sollen dabei mineralisiert werden.
Plasma lässt PFOS fast vollständig verschwinden
Deutlich schneller arbeitete das zweite Verfahren. Dabei erzeugten die Forschenden kaltes atmosphärisches Plasma über der Wasseroberfläche und leiteten gleichzeitig Gasblasen durch die Flüssigkeit.
Die PFOS-Moleküle sammeln sich an den Oberflächen der aufsteigenden Blasen. So gelangen sie aus dem Wasser gezielt an die Grenzfläche zum Plasma. Dort treffen sie auf Elektronen, Ionen, Radikale und weitere hochreaktive Spezies.
In den Laborversuchen sank die PFOS-Konzentration innerhalb von 20 Minuten um bis zu 99,99 %. Das Ausgangsmolekül war damit nahezu vollständig aus der Lösung verschwunden. Dieser Wert allein sagt jedoch noch wenig darüber aus, wie vollständig die Chemikalie tatsächlich zerstört wurde. Als Fluorid nachweisen ließ sich nur etwa 35 % des ursprünglich in PFOS gebundenen Fluors.
Während der Reaktion entstanden kürzerkettige fluorierte Zwischenprodukte. Ein Teil davon wurde weiter abgebaut, andere Verbindungen erwiesen sich als hartnäckiger. Wo das restliche Fluor verblieb, ließ sich nicht vollständig bilanzieren. Denkbar sind weitere gelöste oder gasförmige Transformationsprodukte sowie Ablagerungen an Grenzflächen oder im Reaktor.
Die Forschenden untersuchen deshalb derzeit genauer, welche Verbindungen während der Plasmabehandlung entstehen und ob darunter gesundheitsgefährdende Stoffe sind.
Die Ergebnisse stammen aus kontrollierten Laborversuchen
Die hohen Abbauraten dürfen nicht mit einer bereits einsatzbereiten Wasserreinigung verwechselt werden. Untersucht wurde vor allem PFOS in Leitungswasser und bei vergleichsweise hohen Ausgangskonzentrationen. Reale Industrieabwässer enthalten dagegen Salze, organische Stoffe, Schwebstoffe und häufig Gemische zahlreicher PFAS.
Diese Bestandteile können Radikale abfangen, Grenzflächen verändern oder die Energieeffizienz des Verfahrens verschlechtern. Noch offen ist auch, wie gut die Technik bei deutlich niedrigeren PFAS-Konzentrationen funktioniert, wie sie in belasteten Oberflächen- oder Grundwässern vorkommen.
Hinzu kommt der Energiebedarf. Nach Einschätzung des HZDR reagiert das Plasmaverfahren zwar schneller als die Kavitation, benötigt derzeit aber mehr Energie pro behandeltem Wasservolumen. Die veröffentlichten Energiekennzahlen lassen sich wegen der unterschiedlichen Versuchsaufbauten allerdings nur eingeschränkt direkt vergleichen.
Plasma und Kavitation sollen gemeinsam arbeiten
Das HZDR will deshalb beide Verfahren kombinieren. Die Kavitation könnte PFAS an Blasengrenzflächen konzentrieren und durch lokale Druck- und Temperaturspitzen angreifen. Das Plasma liefert zusätzlich hochreaktive chemische Spezies. Die Forschenden hoffen, auf diese Weise höhere Abbau- und Mineralisierungsraten zu erreichen. Ob die Kombination auch den Energiebedarf senkt, ist bislang nicht nachgewiesen.
Parallel beginnt die Skalierung. Das behandelte Reaktionsvolumen soll von etwa 50 ml auf 5 l steigen. Mehrere Elektroden und ein technischer Gasinjektor sollen dafür sorgen, dass das Plasma auch in größeren Wassermengen gleichmäßig wirkt.
Gelingt das, könnten Plasma und Kavitation dort eingesetzt werden, wo PFAS in hohen Konzentrationen anfallen – etwa direkt an industriellen Einleitstellen. Die langlebigen Chemikalien würden dann nicht erst mühsam aus Flüssen oder Trinkwasser entfernt, sondern möglichst nahe an ihrer Quelle zerstört.
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