Problemfall PFAS – Lösungsansätze zur Substitution und Beseitigung

In zahlreichen Industriezweigen spielen per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS, aufgrund ihrer Eigenschaften und vielfältigen Einsatzbereiche eine Schlüsselrolle. Die Kehrseite ist, dass sie nicht abbaubar sind und sich in Umwelt, Tier und Mensch anreichern. Da einige PFAS-Substanzen nachweislich die Gesundheit schädigen, diskutiert die Politik ein EU-weites Verbot. Forschende am Fraunhofer IGB arbeiten an unschädlichen Alternativen, mit denen sich PFAS substituieren lassen. Zudem entwickelt das Institut verschiedene Lösungsansätze, um PFAS aus Wasser zu entfernen.

Diese standen auch im Mittelpunkt des 22. Abwasserkolloquiums am Fraunhofer IGB »PFAS und Spurenstoffe im Brennpunkt« im September 2023. Möglichkeiten der PFAS-Substitution sowie werkstoffliche und technische Entwicklungsziele diskutierten Experten der Fraunhofer-Allianz Chemie, darunter Dr. Michaela Müller vom Fraunhofer IGB, bei einem Dialogtag mit den Anwenderbranchen im Oktober 2023.

Ob Pfannen, Regenjacken, Lebensmittelverpackungen oder Feuerlöschschaum – zahlreiche Alltagsprodukte enthalten per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS. Dabei handelt es sich um eine Gruppe vielseitiger organisch-chemischer Verbindungen, bei denen die Wasserstoff- durch Fluoratome ersetzt wurden − entweder vollständig (perfluoriert) oder teilweise (polyfluoriert). Dies verleiht ihnen in einzigartiger Weise kombinierte Eigenschaften, beispielsweise wasser-, fett- und schmutzabweisend, welche sie für zahlreiche Branchen und Produkte interessant macht. PFAS-Kunststoffe wie Polytetrafluorethylen (PTFE, Handelsname TeflonR) sind sowohl chemisch als auch thermisch sehr stabil: Hiermit ausgerüstete Oberflächen besitzen zusätzlich reibmindernde und Antihafteigenschaften. Damit sind PFAS vielseitig einsetzbar – als Dichtungsmaterialien, Korrosionsschutzbeschichtungen, Additiv für Schmiermittel, aber auch als Inhaltsstoffe in Kosmetika.

Doch woher kommt ihr schlechter Ruf? Einige PFAS-Vertreter sind mittlerweile unter anderem in Grundwasser und im Menschen nachweisbar. Dies erfordert eine differenzierte Betrachtung der unterschiedlichen PFAS.

Kleinere PFAS-Moleküle wie Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) sind nachgewiesenermaßen toxisch für Mensch und Umwelt. Die niedermolekularen PFAS können sich in tierischem Gewebe anreichern und somit auch beim Menschen auf dem Esstisch landen. Über die Nahrung oder das Trinkwasser gelangen die Chemikalien in den menschlichen Körper, mit erheblichen gesundheitlichen Auswirkungen, die von der Schädigung von Organen bis hin zu Krebserkrankungen oder Entwicklungsstörungen reichen.

In vielen Ländern gelten deshalb bereits Grenzwerte für bestimmte PFAS in Trinkwasser. Mit der Novelle der deutschen Trinkwasserverordnung, die Mitte 2023 in Kraft getreten ist, werden die Grenzwerte für PFAS in Wasser in den nächsten Jahren in zwei Stufen herabgesetzt. Auch konkrete Verbote verdeutlichen verschärfte Regulierungen: etwa für Perfluoroctansulfonsäure (PFOS), deren Einsatz im Sinne des Stockholmer Übereinkommens zur Eindämmung von persistenten organischen Chemikalien in der Umwelt auf einige wenige unerlässliche Anwendungsgebiete beschränkt wird.

Bei den höhermolekularen Kunststoffen wie PTFE ist ihre Stabilität und damit Nichtabbaubarkeit in der Umwelt das größte Problem. So ist derzeit schlicht nicht bekannt und absehbar, was in hundert Jahren mit diesen Materialien in der Umwelt geschehen wird, ob sie vielleicht doch in toxische Substanzen umgewandelt werden.

Um dem in Deutschland und der EU vorherrschenden Vorsorgeprinzip gerecht zu werden, ist eine weitere Regulierung solch persistenter Materialien im Gespräch. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass bei der Herstellung von Fluorkunststoffen niedermolekulare PFAS eingesetzt werden, die ebenfalls in die Umwelt gelangen können.

Angesichts eines drohenden PFAS-Verbots bzw. massiver Beschränkungen bei Herstellung, Verwendung und Lieferung der Industriechemikalien stehen Hersteller und Anwender gleichermaßen vor akutem Handlungsbedarf. Das Fraunhofer IGB unterstützt Unternehmen bei der Suche nach geeigneten Ersatzmaterialien für ihre Produkte, bei der Entwicklung maßgeschneiderter Beschichtungen sowie bei der Bewertung neuer Substanzen und Materialien hinsichtlich möglicher umwelt- und gesundheitsschädigender Wirkungen.

Das Fraunhofer IGB bietet zudem eine breite Palette technischer Lösungen zur Eliminierung von PFAS und anderen Mikroschadstoffen aus Abwässern an, um gesundheitsschädigende Auswirkungen, beispielsweise über das Trinkwasser, zu reduzieren. Neben Membranadsorbern und Adsorberpartikeln zur Konzentrierung und Abtrennung forscht das Institut an verschiedenen AOP-Verfahren, um einen Abbau der persistenten Substanzen zu erreichen.

Fluorfreie Membranmaterialien und Beschichtungen

Das Institut forscht an mehreren Technologien und Verfahren zur Substitution von PFAS, vor allem im Bereich der Beschichtungen. Dazu zählt die Plasmatechnologie, bei der wasserabweisende Beschichtungen, beispielsweise auf Einmalartikeln, mit fluorfreien, für Mensch und Umwelt unschädlichen Gasen, realisiert werden.

Eine wasserabweisende Ausrüstung von Textilien konnten wir erfolgreich auch mittels modifiziertem biobasiertem Chitosan oder bestimmten, von Pilzen gebildeten Proteinen, den Hydrophobinen, erreichen.

Handlungsbedarf und aktuelle Forschungsarbeiten am Fraunhofer IGB gibt es auch bei Membranmaterialien, etwa für die Filtration und Energiewende. Dabei unterstützt das Institut Firmen bei der Materialentwicklung ebenso wie bei der Anpassung oder Umstellung ihrer Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse.

Wirkungsbasierte Testung von PFAS-Alternativen

Bei PFAS wurden umwelt- und gesundheitsschädigende Wirkungen erst Jahrzehnte nach ihrer Zulassung offenbar. Dies zeigt, wie wichtig eine umfassende und spezifische öko- und humantoxikologische Bewertung neuer Substanzen zu einem sehr frühen Zeitpunkt – idealerweise bereits in der Entwicklungsphase – ist.

Basierend auf seiner Expertise im Bereich der In-vitro-Zell- und Gewebemodelle hat sich das Fraunhofer IGB deshalb zum Ziel gesetzt, Screening-Testverfahren zu entwickeln, die bereits während der Entwicklung zur Bewertung möglicher PFAS-Alternativen eingesetzt werden können.

Mit am IGB etablierten zellbasierten Assays lassen sich neue Substanzen auf klassische toxikologische Endpunkte wie Effekte auf Zellproliferation oder Toxizität testen. Mit spezifischen, eigens entwickelten und patentierten Reporterzell-Assays sowie komplexen 3D In-vitro-Gewebemodellen, vor allem der Haut, sind darüber hinaus auch gezielt nachteilige Effekte auf Stoffwechselvorgänge in Zellen und Geweben und damit beispielsweise immunmodulierende, sensibilisierende, Zellstress auslösende oder entzündungsfördernde Wirkungen nachweisbar.

Aktuell arbeitet die Abteilung Zell- und Gewebetechnologien unter Leitung von Frau Dr. Burger-Kentischer an der Etablierung spezifischer Reporterzellen beispielsweise zum gezielten Wirkungsnachweis von PFAS auf den Fettstoffwechsel oder zum Nachweis endokriner (hormonähnlicher) Wirkungen.

Doch was ist mit den PFAS, die bereits im Umlauf und in Böden, Gewässern und Grundwasser nachzuweisen sind? In die Umwelt gelangen PFAS, wie bereits erwähnt, bei der Herstellung fluorhaltiger Kunststoffe oder beim Einsatz von Löschschaum. Zu einem nicht unerheblichen Teil werden PFAS auch über Abrieb von Kunststoffprodukten und beschichteten Textilien in die Umwelt eingetragen. Ein Problem sind PFAS-haltige Abfälle auf Deponien, bei denen die fluorierten Substanzen ins Sickerwasser ausgewaschen werden.

Hier sind Wasser-Aufbereitungsverfahren gefragt, mit denen sich belastetes Wasser reinigen lässt. Allerdings werden bei einer Filterung durch Aktivkohle als gängiges Verfahren schädliche PFAS zwar gebunden, aber nicht beseitigt, sodass die Überreste als Sondermüll entsorgt bzw. gelagert werden müssen.

Ziel: Vollständiger Abbau von Mikroschadstoffen

Mit seiner Expertise verfolgt das Fraunhofer IGB daher bevorzugt Strategien bzw. Technologien, mit denen PFAS (und andere Spuren- oder Mikroschadstoffe) aus Wasser nicht nur entfernt, sondern im besten Fall vollständig abgebaut werden können. Dies ist grundsätzlich möglich mit verschiedenen AOP-Verfahren (Advanced Oxidation Processes), zu denen auch Plasma-basierte oder photokatalytische Methoden zählen.

Technologien zum Abbau der Chemikalien, die im Labor- und Technikumsmaßstab auch mit realen Wasserproben bereits erfolgreich demonstriert wurden, gilt es nun zu skalieren und mit Partnern unter den realen Bedingungen industrieller Standorte zu evaluieren und für den breiten Einsatz bei akuten Schadensfällen oder in Produktionsbetrieben weiterzuentwickeln.