Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz PFAS (engl.: per- and polyfluoroalkyl substances) 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.

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. Ein gravierendes Umweltproblem, für dessen Lösung die Zeit drängt.

Plasma zerstört die Molekülketten der PFAS-Chemikalien

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.

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.

Plasma ist ein ionisiertes und damit elektrisch äußerst 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.

Nach wenigen Stunden im Reaktor sind die Gifte abgebaut

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 verschiedensten 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.

Vorstellung des Verfahrens auch beim Abwasserkolloquium am 25. September 2023

Die neuesten Ergebnisse zur Aufbereitung von Realproben wurden vom Projektpartner Hydr.O bereits in Paris auf der Konferenz »2nd International Congress – Management of Environmental & Health Risks« präsentiert. Hier wurde mit AtWaPlas erstmals ein Verfahren vorgestellt, das PFAS nicht nur sammelt – wie bei den bisher angewandten Verfahren z. B. 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 wichtigsten Resultate vorgestellt. Beide Projektpartner betonten besonders 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.