PFAS erkennen | ersetzen | entfernen

Es sei denn, es gelingt, PFAS-Alternativen zu entwickeln und so den beständigen Zulauf zumindest zu reduzieren. Daran arbeitet Dr. Jakob Barz am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. Er nutzt Plasmatechnologie für die Funktionalisierung verschiedener Materialoberflächen, macht sie zum Beispiel chemikalienstabil, schmutz-, wasser- oder eisabweisend. Barz: »Bei vielen Anwendungen braucht man PFAS-Beschichtungen strenggenommen gar nicht. Nur richtig gute Ölabweisung bekommen wir noch nicht hin.«

Je nach gefordertem Eigenschaftsprofil bringt er in das Plasma verschiedene chemische Stoffe ein. »Die Moleküle werden auseinandergebrochen. Die einzelnen Fragmente reagieren an der Materialoberfläche und bilden dort eine Polymerschicht. Welches Polymer entsteht, hängt immer davon ab, welche Substanzen ich unter welchen Prozessbedingungen in mein Plasma gebe.« Ein Vorteil der Plasmabeschichtung: Sie kann sehr dünn aufgebracht werden, sodass sie sich wie ein Film über die Oberfläche legt. Strukturen oder Poren bleiben erhalten und werden nicht verstopft – ideal beispielsweise für die Beschichtung von Lötschablonen für Computerplatinen oder von Membranen für die Abwasser-Filtration. Beides Anwendungen, bei denen heute PFAS zum Einsatz kommen.

Für die wasserabweisende Beschichtung von Outdoor-Textilien setzen die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IGB hingegen auf einen biobasierten, nachhaltigen Ersatzstoff: Chitosan. Er bildet eine robuste Hülle um die Textilfaser und sorgt so für eine bessere Abriebbeständigkeit. Gewonnen wird er unter anderem aus Krustentieren. In der EU fallen jährlich rund 250 000 Tonnen Schalenabfälle an, weltweit mehr als 6 Millionen – eine ergiebige Rohstoffquelle. Auch Insektenhäute und -panzer, ein häufiger Reststoff bei der Tierfutterproduktion, enthalten Chitin, aus dem Chitosan hergestellt wird. »Chitosan ist wesentlich reaktiver als Chitin. Das machen wir uns zunutze. Wir bringen es gleichzeitig mit wasserabweisenden Pflanzenölen auf das Textil aus. Unter Hitze und Druck verbinden sich die Substanzen zu einer gleichmäßigen, robusten Schutzschicht«, erklärt Dr.-Ing. Thomas Hahn, stellvertretender Leiter der Arbeitsgruppe Bioprozessentwicklung am Fraunhofer IGB. Und sein Kollege Dr. Achim ­Weber ergänzt: »Der Clou ist, dass sich unsere naturstoffbasierte Imprägnierung nach der Reinigung in der Waschmaschine einfach wieder aktivieren lässt, indem man das Textil bügelt oder in den Trockner gibt.« Ein weiterer Pluspunkt: Die Formulierung lässt sich mit den bereits in der Textilindustrie verwendeten Maschinen und Produktionstechnologien problemlos aufbringen. »Auch Lebensmittelverpackungen oder beschichtete Kartonagen, die beispielsweise Waschpulver vor Nässe und Verklumpen schützen, sind mit Chitosan gut machbar«, so Weber. Auf PFAS könne hier getrost verzichtet werden.

Unverzichtbar sind die Ewigkeitschemikalien hingegen bisher für die Energiewende. Egal ob in Elektrolyseuren zur Gewinnung von Wasserstoff, in Brennstoffzellen oder in Batterien – überall stecken Membranen aus PFAS. Sie müssen unter anderem über eine hohe chemische Stabilität, spezielle Leit- und Durchlässigkeiten verfügen. »Die Materialanforderungen sind extrem«, weiß Dr. Taybet Bilkay-Troni, Leiterin der Abteilung Polymere und Elektronik am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Trotzdem hat sie sich zusammen mit ihrem Team auf die Suche nach Alternativen gemacht – mit Erfolg.  Zusammen mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT ist es ihnen gelungen, ein neuartiges Polymer zu entwickeln und daraus Membranen für Anionenaustauschermembran-Wasserelektrolyseure (AEM-WE) zu fertigen.

Bilkay-Troni erklärt: »Die Membran ist das Herzstück jedes Elektrolyseurs. Sie ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad der Elektrolyse, also der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch den Einsatz von elektrischem Strom.« Für die Elektrolyse werden außer der Membran zwei Elektroden (Anode und Kathode) benötigt, eine Gleichstromquelle und eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, das Elektrolyt. An der Kathode sammelt sich der positiv geladene Wasserstoff, an der Anode der negativ geladene Sauerstoff. Die Membran sorgt für den Transport der negativ geladenen Ionen, der sogenannten Anionen, und trennt den Anoden- und Kathodenraum. Als Elektrolyt dient eine schwache Lauge, die Elektrolyse erfolgt bei Temperaturen von etwa 60 bis 80 Grad – Betriebsbedingungen, denen die Membran dauerhaft ausgesetzt ist. Trotzdem darf sie nicht spröde werden, muss flexibel bleiben und ihre ionische Leitfähigkeit behalten.

Die ersten Ergebnisse in der Elektrolyse-Testzelle sind vielversprechend, die PFAS-freie Membran bleibt stabil. Auch lässt sich das neue Polymer, aus dem die Membran gefertigt ist, sehr gut verarbeiten. Ein weiterer Vorteil: Auf den Einsatz kostspieliger Elektroden aus seltenen Edelmetallen, wie sie bei den derzeit gebräuchlichen Protonenaustauschermembranen notwendig sind, kann verzichtet werden. In Zukunft könnte die Membran auch in Brennstoffzellen zur Anwendung kommen.

»Bis dahin sind jedoch noch einige Entwicklungsschritte nötig«, räumt Bilkay-Troni ein. »Wir sind gerade erst am Anfang unserer Forschung. Als Nächstes wollen wir die Membran gemeinsam mit unserem Partner, der ZBT GmbH, in einer realen Umgebung über einen längeren Zeitraum testen, um die Stabilität und Leitfähigkeit weiter verbessern zu können.« In drei bis fünf Jahren, glaubt sie, könne die Mem-bran marktreif sein. »Die Nachfrage ist groß. Die Unternehmen wollen allerdings immer am liebsten ein fertiges Produkt. Das können wir nicht bieten. Nur gemeinsam mit der Industrie können wir gute Lösungen entwickeln, die ihren Bedürfnissen auch gerecht werden.«

Solange wir PFAS nicht vollständig ersetzen können, ist es umso wichtiger, sie so gut wie möglich abzufangen und zu verhindern, dass sie sich weiter in der Umwelt verteilen. Zu diesem Zweck hat Dr. Stefano Bruzzano vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT zusammen mit der Cornelsen Umwelttechnologie GmbH bereits vor einigen Jahren eine Reinigungstechnologie entwickelt und seither kontinuierlich modifiziert. Sie ist besonders effizient bei lokal begrenzten, hohen Emissionswerten, wie sie beispielsweise bei Löscheinsätzen mit Spezialschäumen entstehen, aber auch auf Deponien, in denen PFAS-haltige Konsumgüter langsam »ausbluten« und die Chemikalien ins Grundwasser sickern.

Die PerfluorAd®-Reinigungsanlage kann in einem mobilen Container direkt vor Ort zum Einsatz kommen und belastetes Wasser säubern. Dafür wird es in das Anlagebecken gepumpt und mit PerfluorAd® versetzt, einem eigens entwickelten, biologisch abbaubaren Flüssigwirkstoff, an den die PFAS binden und zu Boden sinken. Das restliche Wasser wird durch Aktivkohlefilter geleitet, in denen die wenigen PFAS zurückgehalten werden, die im ersten Reinigungsschritt nicht erfasst wurden. Der stark kontaminierte Bodensatz wird später in einer Verbrennungsanlage bei Temperaturen deutlich über 1000 Grad Celsius fachgerecht entsorgt. Bruzzano: »Die Stärke unseres Verfahrens liegt in der Kombination der verschiedenen Methoden.« Die Aktivkohlefilter, die in vielen Wasseraufbereitungsanlagen schon vorhanden seien, reichten für eine leistungsstarke und ökologisch sinnvolle Reinigung nicht aus. Bei höheren Kontaminationen von mehr als zehn Mikrogramm PFAS pro Liter setzten sie sich schnell zu. »Wichtig ist im Vorfeld eine Analyse des belasteten Wassers, um unser Verfahren auf die enthaltenen PFAS-Substanzen, Begleitstoffe im Wasser und die Höhe der Kontamination abzustimmen«, betont Bruzzano. Danach richte sich unter anderem, wie viel PerfluorAd® hinzugefügt werden muss, und ob gegebenenfalls weitere Prozesshilfsmittel wie Flockungsmittel zum Abtrennen der PFAS notwendig sind.

Einen Schritt weiter geht Dr.-Ing. Georg Umlauf vom Fraunhofer IGB. Er will PFAS aus dem Wasser nicht nur entfernen, sondern ihre Strukturen zerstören und so unschädlich machen. Dafür verwendet er Plasmatechnologie wie sein Kollege Dr. Jakob Barz. Umlauf erklärt: »Wir zünden zwischen zwei Elektroden ein Luftplasma, dazwischen fließt das belastete Wasser an einer Säule nach unten. Da das Plasma ein sehr energiereiches Medium ist, können wir die PFAS-Molekülketten aufbrechen und so die Kohlenstoffketten immer weiter verkürzen. Dafür muss das Wasser allerdings mehrmals im Kreis gepumpt werden, weil ein einmaliger kurzer Kontakt mit dem Plasma nicht ausreicht. Endziel ist die Mineralisierung der PFAS – damit haben sie sich quasi aufgelöst. Eine energieintensive Verbrennung ist dann überflüssig.«

Im Laborreaktor testete Umlauf die Plasma-Reinigungsmethode erfolgreich mit realen Proben aus PFAS-verunreinigten Abwässern. In Zukunft will er das Verfahren an größere Volumina anpassen. Eine verbesserte Analytik soll eine genauere Überwachung des Prozesses ermöglichen und helfen, die Anzahl der notwendigen Pump-Kreisläufe individuell anzupassen. »Allerdings gibt es noch einige Herausforderungen zu überwinden bis zur fertigen Anlage, die mehrere Zehntausend Kubikmeter Wasser pro Jahr säubern kann. Für die weitere Forschung sind wir auf der Suche nach Partnern aus der Abfallverwertung und der Industrie.« Damit wäre selbst für die Ewigkeitschemikalien eine Endlichkeit erreicht.

Die Zeit drängt. Bereits im Jahr 2025 will die Europäische Kommission über das PFAS-Verbot entscheiden. Ohne Übergangsfristen und Ausnahmereglungen wird es nicht gehen. Zu wichtig sind die Substanzen für eine schnelle Energie- und Verkehrswende, für die moderne Medizintechnik, für die Halbleiterindustrie. Die Dringlichkeit der Fraunhofer-Forschung unterstreicht deshalb Allianz-Sprecher Löbbecke: »Wir können die PFAS-Emissionen begrenzen. Auf PFAS komplett verzichten können wir zurzeit noch nicht.«