UFZ-Team entwickelt neues Verfahren: Wie kriegt man Perfluorbutansäure aus dem Wasser?

Sie vergiften die Welt und sind faktisch überall. Doch anders als andere chemische Substanzen lösen sie sich nicht einfach auf. Sie stecken in vielen modernen Haushaltsprodukten und selbst im Löschschaum der Feuerwehr. Kurzkettige per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) wie beispielsweise Perfluorbutansäure (PFBA) gelangen über verschiedene Pfade vermehrt in die Umwelt und belasten Grund- und Trinkwasser. Weil sie sehr mobil sind, lassen sie sich daraus bislang nur mit viel Aufwand entfernen.

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat nun mit einem zweistufigen elektrochemischen Verfahren eine neue Technologie entwickelt. Wie die UFZ-Forschenden im Chemical Engineering Journal schreiben, sei das neue Verfahren umweltfreundlicher und verbrauche weniger Energie.

Derzeit gibt es rund 10.000 PFAS-Substanzen, von denen 4.000 bis 5.000 industriell eingesetzt werden – bei der Herstellung von Outdoor-Kleidung, Lebensmittelverpackungen, Pfannen, Kosmetika und vielem mehr. Zahlreiche PFAS etwa in Feuerlöschschäumen gelangen in die Umwelt und bauen sich nur sehr langsam oder gar nicht ab. Sie gefährden die menschliche Gesundheit, da sie sich auf Stoffwechsel, Hormonhaushalt, Fortpflanzung und Immunsystem auswirken und unter Verdacht stehen, krebserregend zu sein.

Zahlreiche PFAS mit langen Kohlenstoffketten wurden deshalb bereits über die Stockholmer Konvention reguliert, deren Produktion und Verwendung sind also verboten oder eingeschränkt. Daraufhin wurden sie durch die Industrie zunehmend durch kurzkettige PFAS ersetzt – mit dem Ergebnis, dass kurzkettige PFAS wie zum Beispiel Perfluorbutansäure (PFBA) immer häufiger in der Umwelt nachgewiesen werden. PFBA hat nur vier Kohlenstoffatome und besitzt am Molekülende eine Carboxylgruppe, die Wasser stark anzieht.

„Deswegen löst sich PFBA sehr gut im Wasser und ist sehr mobil. In bislang gängigen Verfahren wie der Aktivkohleadsorption lässt sich PFBA deshalb nur schlecht aus dem Wasser entfernen“, sagt UFZ-Chemikerin und Autorin Dr. Anett Georgi.

Wie bekommt man PFBA aus dem Wasser?

Um das PFBA im Wasser zu eliminieren, hat das UFZ-Forschungsteam ein zweistufiges elektrochemisches Reinigungsverfahren entwickelt, in dessen Verlauf das PFBA zuerst angereichert und danach zerstört wird. Das geht so: In einem ersten Schritt werden mittels Elektro-Adsorption größere Mengen PFBA-haltiges Wasser durch eine Durchflusszelle mit einer Elektrode aus einem textilartigen Aktivkohlefaser-Vlies geleitet. Dieses wird leicht positiv geladen.

„Dadurch lagert sich die negativ geladene PFBA an der Oberfläche der Aktivkohle ab“, erklärt Erstautor und UFZ-Umweltingenieur Dr. Navid Saeidi.

Durch das Umpolen der Spannung wird PFBA dann wieder von der Oberfläche gelöst, mit einem kleinen Volumen an Wasser ausgespült und als Konzentrat gesammelt. Dabei kann die PFBA-Konzentration bis um den Faktor 40 erhöht werden. Durch eine kaskadenartige Anordnung von Elektro-Sorptionszellen kann diese Anreicherung mehrfach wiederholt werden.

Im zweiten Prozessschritt wird PFBA durch Elektrooxidation an einer Bor-dotierten Diamant-Elektrode zerstört – also durch eine chemische Reinigung des Wassers, die durch elektrischen Strom ausgelöst wird. Die Anode wirkt stark oxidierend und bewirkt die Zersetzung von PFBA. Als Abbauprodukt bleibt vor allem das leicht abtrennbare Fluorid übrig.

„Alle Schritte können am Einsatzort durchgeführt werden, das reduziert Transportkosten und der Energieaufwand ist gering“, benennt Anett Georgi zwei Vorteile des Verfahrens.

Da die Adsorption von PFBA durch das Anlegen von elektrischer Spannung gesteuert wird, kann zudem das Adsorptionsvlies aus Aktivkohle immer wieder regeneriert und damit im Unterschied zu anderen Verfahren, bei denen die mit PFAS angereicherte Aktivkohle in Müllverbrennungsanlagen entsorgt oder energetisch sehr aufwendig wiederhergestellt werden muss, mehrfach genutzt werden.

„Das schont nicht nur fossile Ressourcen, sondern reduziert auch den CO₂-Verbrauch, denn Aktivkohle wird oft aus Steinkohle gewonnen und vorwiegend aus Asien importiert“, ergänzt Anett Georgi.

Einsatzmöglichkeiten für ihr bereits auch zum Patent angemeldetes Verfahren sehen die UFZ-Wissenschaftler/-innen vor allem überall dort, wo PFAS aus kommunalen und industriellen Abwasserströmen entfernt werden soll – etwa auf Flughäfen, wo das Grundwasser durch den Einsatz von Feuerlöschschäumen mit kurz- und langkettigen PFAS kontaminiert ist.

„Da von den Betreibern zunehmend strengere PFAS-Grenzwerte einzuhalten sind, braucht es effizientere und nachhaltige Technologien zu deren Entfernung, die so wie unsere Methode zuverlässig, umweltfreundlich und bezahlbar sind. Sie könnte bei komplexen PFAS-Kontaminationen die klassischen Aktivkohle-Adsorber ergänzen und die kurzkettigen PFAS abfangen“, sagt Mitautorin und UFZ-Chemikerin Dr. Katrin Mackenzie. Dies würde für die gesamte Adsorber-Einheit eine deutlich längere Einsatzzeit und damit eine Kostenersparnis bedeuten.

Publikation: Navid Saeidi, Sarah Sühnholz, Katrin Mackenzie, Anett Georgi: A two-step electrochemical approach for an efficient destruction of short-chain PFAS in water, Chemical Engineering Journal