Neues Verfahren zur Abtrennung und Zerstörung von kurzkettigen PFAS
Je kleiner per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind, desto schneller gelangen sie überall hin und umso aufwändiger ist ihre Entfernung. Das Helmholtzzentrum für Umweltforschung UFZ berichtet nun über ein neues Verfahren zur Abtrennung und Zerstörung kurzkettiger PFAS, das umweltfreundlicher ist und weniger Energie verbraucht als bisher angewendete Verfahren.
PFBA als typischer Vertreter
Perfluorbutansäure (PFBA) gehört zur Gruppe der kurzzeitigen PFAS, die in jüngerer Vergangenheit von der Industrie als „harmlosere“ Alternative von langkettigeren PFAS eingesetzt wurden und werden. Doch die geringe Größe und die hohe Polarität dieser Moleküle sorgt dafür, dass sie ungehindert in Wasser und Boden gelangen können. PFBA ist eines der am häufigsten detektierten kurzkettigen PFAS in Gewässern, so ist in der Publikation zu dieser UFZ-Studie zu lesen. Die Substanz ist beispielsweise in trinkwasserrelevanten Gewässern in USA sowie in Europa im Rheineinzugsgebiet und in Grundwasserleitern in Frankreich zu finden. Besonders hohe Konzentration wurden in chinesischen Oberflächengewässern gemessen.
PFBA hat nur vier Kohlenstoffatome und besitzt am Ende 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.
PFAS erst abtrennen und aufkonzentrieren…
Das am UFZ entwickelt Verfahren besteht aus zwei elektrochemischen Prozessschritten. Im ersten Schritt werden PFAS durch Elektrosorption aus Wasser abgetrennt und angereichert. Im zweiten Schritt werden die Moleküle durch Elektrooxidation zerstört. Dabei bleiben vor allem CO2 und Fluorid übrig (s. Prozessschema).
Die Elektrosorption findet in einer Durchflusszelle an einer positiv geladenen Elektrode aus einem Aktivkohlefaservlies statt. Das Vlies zieht die negativ geladenen PFAS-Moleküle an. Für die Desorption wird die Spannung umgepolt, was zur Ablösung der Moleküle vom Aktivkohlevlies führt. Sie werden mit einem kleinen Volumen an Wasser aus der Zelle ausgespült und als Konzentrat gesammelt. Dabei lässt sich die PFAS-Konzentration um den Faktor 40 im Vergleich zum behandelten Rohwasser erhöhen.
…dann PFAS-Moleküle zerstören
Die im Konzentrat enthaltene PFAS wird im zweiten Prozessschritt durch Elektrooxidation an einer mit Bor dotierten Diamant-Elektrode zerstört. Als Abbauprodukt bleiben vor allem Fluorid und CO2 übrig.
Schema der beiden Prozessschritte. Bild: Susan Walter-Panzner /UFZ (Grafik)
Einsatzmöglichkeiten an kontaminierten Orten
Das zweistufige Verfahren ist bereits zum Patent angemeldet. Die UFZ-Wissenschaftler:innen sehen vielfältige Einsatzmöglichkeiten wie etwa auf Flughäfen, wo Grundwasser durch den Einsatz von Feuerlöschschäumen mit PFAS kontaminiert ist.
„Da von den Betreibern zunehmend strengere PFAS-Grenzwerte einzuhalten sind, braucht es effizientere und nachhaltige Technologien zu dessen 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 UFZChemikerin Dr. Katrin Mackenzie.
Dies würde für die gesamte Adsorber-Einheit eine deutlich längere Einsatzzeit und damit eine Kostenersparnis bedeuten.
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