PFAS im Wasser: Diese Membran fängt die Schadstoffe nicht nur ab – sie knackt sie auch

Einfach erklärt

Ein neues Verfahren soll bestimmte Schadstoffe aus dem Wasser holen und sie anschließend gleich dort chemisch verändern. In einem langen Versuch klappte das bei sechs Stoffen unterschiedlich gut: Bis zu 96 % wurden aus dem Wasser entfernt, und bei bis zu 83 % wurde das Fluor abgespalten. Noch ist das Verfahren nicht reif für den breiten Einsatz, denn es braucht das teure Metall Palladium.

PFAS im Wasser zu beseitigen, stellt die Wasseraufbereitung vor zwei Aufgaben: Die Stoffe müssen aus dem Wasser herausgeholt werden – und anschließend muss man sich um sie kümmern. Ein Forschungsteam der Arizona State University und seiner Partnerinstitutionen hat dafür ein experimentelles Verfahren entwickelt, das beides in einer katalytischen Membran verbinden soll. Sie zieht die Schadstoffe an ihre Oberfläche und schafft zugleich Bedingungen, unter denen ein Teil der besonders stabilen chemischen Bindungen aufgebrochen werden kann. Die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass PFAS nicht bloß aus dem Wasser in andere belastete Abfälle verschoben werden müssen.

Vom Herausfiltern zum Aufbrechen der Bindungen

Zur Stoffgruppe PFAS gehören Verbindungen mit Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Fluoratomen. Diese Bindungen sind sehr stabil und machen es herkömmlichen Verfahren schwer, die Moleküle zu zerlegen. Deshalb werden PFAS manchmal als Ewigkeitschemikalien bezeichnet. Das heißt nicht, dass sie sich grundsätzlich niemals verändern lassen. Gemeint ist vielmehr, dass sie so widerstandsfähig gegen Abbau sind, dass ihre Entsorgung besonders kompliziert ist.

Aktivkohle, Ionenaustausch und Membranfiltration können PFAS aus dem Wasser entfernen. Doch ein Schadstoff, der nicht mehr in der Flüssigkeit ist, ist damit nicht automatisch beseitigt. Er kann sich stattdessen in verbrauchtem Filtermaterial oder einem Abwasserstrom anreichern, der anschließend weiterbehandelt werden muss. So kann ein Verfahren die Verunreinigung des Wassers an einem Ort verringern, zugleich aber belastetes Material hinterlassen, das gesammelt, gelagert oder zusätzlich behandelt werden muss.

Die neue Entwicklung soll die Membran zu mehr machen als zu einer Barriere, die Schadstoffe vom Wasser trennt. Sie dient als Oberfläche, an der sich die Verbindungen festsetzen, und trägt zugleich einen chemischen Katalysator. Dieser ermöglicht es, dass aktiver Wasserstoff mit den Schadstoffen reagiert. Werden mithilfe von Wasserstoff Fluoratome aus Molekülen entfernt, spricht man von einer hydrodefluorierenden Reaktion. Damit verfolgt das Verfahren ein weitergehendes Ziel, als PFAS lediglich von einem Ort an einen anderen zu transportieren.

Mikrofasern bringen Schadstoff und Wasserstoff zusammen

Das System besteht aus Membranfasern, die mit Palladium beschichtet sind. Das Metall dient dabei als Katalysator. Wasserstoffgas wird durch die Fasern geleitet und gelangt so zur Palladiumschicht. Dort entstehen zwei Formen aktiven Wasserstoffs. Sie unterscheiden sich darin, wo sie sich im Material befinden und welche Aufgabe sie erfüllen, wirken bei der Behandlung der Schadstoffe aber zusammen.

Die erste Form befindet sich auf der Palladiumoberfläche. Sie hilft dabei, PFAS-Moleküle anzuziehen und in der Nähe des Reaktionsorts festzuhalten. Die zweite Form dringt in das Palladium ein und wird dort als Palladiumhydrid der Beta-Phase gespeichert. Dieser Vorrat liefert einen wichtigen Antrieb für die Reaktionen, bei denen Fluor abgespalten wird. Das System verlässt sich also nicht allein darauf, dass ein Schadstoff zufällig an einem Katalysator vorbeiströmt. Stattdessen bringt es Schadstoff und Wasserstoff in derselben Oberflächenumgebung zusammen und nutzt zusätzlich den im Metall gespeicherten Wasserstoff.

Vereinfacht gesagt ist die Membranfaser wie eine winzige Arbeitsstation: Ihre Oberfläche zieht die Zielmoleküle an, Wasserstoff gelangt zu ihnen, und die chemische Reaktion findet nahe dem Treffpunkt statt. Das bedeutet allerdings nicht, dass jedes vorbeikommende Molekül gleich weit abgebaut wird. Die Ergebnisse unterschieden sich je nach Verbindung; auch die Werte für die Entfernung aus dem Wasser und die Abspaltung von Fluor waren nicht identisch.

Um zu untersuchen, was im Material vor sich geht, analysierte das Team die Festkörperstruktur. Dabei wiesen die Forschenden Palladiumhydrid nach. Außerdem stellten sie fest, dass sich das Kristallgitter des Palladiums ausdehnte, wenn es Wasserstoff aufnahm. Diese Beobachtungen helfen zu verstehen, wie aktiver Wasserstoff in der Membran gebildet, gespeichert und anschließend genutzt wird. Das geht über die bloße Messung hinaus, wie viel Schadstoff im Wasser nicht mehr nachweisbar ist.

Sechs Verbindungen im Dauertest über 58 Tage

Die Forschenden testeten die Membran mit sechs Verbindungen, die für die Regulierung von PFAS relevant sind: PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS und PFBS sowie GenX. Der Versuch lief 58 Tage ohne Unterbrechung. Die besten Ergebnisse lagen bei einer Entfernung von 96 % der untersuchten Schadstoffe aus dem Wasser und einer Fluorabspaltung von 83 %.

Die beiden Werte beschreiben unterschiedliche Schritte der Behandlung. Die Entfernungsrate gibt an, welcher Anteil der Schadstoffe laut den Messungen nicht mehr im abfließenden Wasser enthalten war. Die Fluorabspaltung wiederum erfasst die chemische Veränderung, auf die das Verfahren zielt: das Aufbrechen von Bindungen zwischen Kohlenstoff und Fluor. Deshalb bedeutet eine hohe Entfernungsrate nicht automatisch, dass sämtliche aus dem Wasser entfernten Stoffe vollständig in kleinere Produkte zerlegt wurden. Der zweite Wert zeigt, in welchem Umfang die angestrebte chemische Umwandlung tatsächlich gelang.

Die Spitzenwerte bedeuten auch nicht, dass alle sechs Verbindungen gleich gut abschnitten. Die Leistung der Membran hing von der Molekülstruktur ab. Langkettige PFAS wurden schneller aus dem Wasser entfernt und verloren schneller Fluor als ihre kurzkettigen Verwandten. Das ist wichtig für die Aufbereitung von Wasser, das mehrere Schadstoffe gleichzeitig enthält: Ein Gemisch verhält sich gegenüber der Membran nicht zwangsläufig wie ein einzelner Stoff.

Warum war GenX widerstandsfähiger?

Im Vergleich zu den übrigen getesteten Verbindungen ließ sich GenX schwieriger behandeln. Die Membran konnte den Stoff dennoch entfernen und Fluor abspalten. Dabei entstand 2-Propoxypropansäure. Das zeigt, dass sich der Erfolg des Verfahrens nicht nur daran bemisst, ob überhaupt eine Reaktion stattfindet. Entscheidend sind auch, wie schnell sie abläuft und wie weit die jeweilige Verbindung dabei umgewandelt wird.

Die Forschenden führen die höhere Widerstandsfähigkeit von GenX auf mehrere Eigenschaften zurück: Das Molekül enthält eine Etherbindung, lagert sich schwächer an der Palladiumoberfläche an als andere Stoffe und benötigt im Durchschnitt mehr Energie, um seine Kohlenstoff-Fluor-Bindungen zu trennen. Wenn ein Molekül weniger stark an der Katalysatoroberfläche haftet, ist es womöglich seltener nahe genug an den Reaktionsstellen. Und wenn seine Bindungen schwerer aufzubrechen sind, wird ihre Zerlegung zusätzlich erschwert. Diese Faktoren helfen, die unterschiedlichen Ergebnisse zu erklären; sie bedeuten aber nicht, dass ein einzelner Grund sämtliche Unterschiede erklärt.

Der Vergleich zwischen lang- und kurzkettigen PFAS und GenX macht deutlich, dass bei der Entwicklung einer Behandlung die konkrete Verbindung berücksichtigt werden muss. Es reicht nicht immer, alle Stoffe unter dem Sammelbegriff PFAS zusammenzufassen. Die chemische Struktur kann beeinflussen, wie gut ein Molekül an der Membran haftet und wie leicht sich Fluor abspalten lässt. Der Versuch belegt, dass das Verfahren bei sechs Verbindungen funktioniert. Er zeigt jedoch nicht automatisch, dass es bei allen Stoffen der sehr großen PFAS-Gruppe ebenso gut wirkt.

Was unterscheidet das Verfahren von anderen Ansätzen?

Das Besondere an dem System ist, dass es das Auffangen der Schadstoffe und ihre chemische Umwandlung in einer Plattform vereint. Bei vielen Trennverfahren steht zunächst im Vordergrund, die Schadstoffe aus dem Wasser zu holen. Das aufgefangene Material muss danach aber weiterhin behandelt werden. Die katalytische Membran soll die chemische Reaktion direkt an der Oberfläche ermöglichen, an der die Schadstoffe entfernt werden. Dafür nutzt sie das Zusammenspiel von Palladium, PFAS und Wasserstoff.

Der Studie zufolge arbeitet das System unter Umgebungsbedingungen. Das unterscheidet es von Verfahren, die möglicherweise deutlich anspruchsvollere Betriebsbedingungen erfordern. Für sich genommen sagt das jedoch noch nicht aus, wie teuer der Betrieb wäre oder wie leicht sich die Technik vergrößern ließe. Für einen praktischen Einsatz wären weitere technische und betriebliche Berechnungen nötig, die in den berichteten Ergebnissen nicht enthalten sind. Auch der 58-tägige Versuch ist ein Langzeittest im Rahmen dieser Studie, belegt aber nicht, dass die Leistung in allen Arten von Wasser oder über noch längere Zeiträume stabil bleibt.

Geleitet wurde die Studie von Bruce Rittmann, Direktor des Swette Center for Environmental Biotechnology am Biodesign Institute der Arizona State University. An der Arbeit waren außerdem Forschende der Rice University, der Tongji University, der National University of Singapore und der Nanjing University beteiligt. Veröffentlicht wurde die Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Sie beschreibt die Entwicklung katalytischer Membranen, die aktiven Wasserstoff nutzen, um sechs PFAS-Verbindungen aufzufangen und Fluor aus ihnen abzuspalten.

Vom Labor zu konzentrierten Abfallströmen

Das Forschungsteam stellt die Membran nicht als sofort einsatzbereiten Ersatz für sämtliche bestehenden PFAS-Verfahren dar. Denkbar wäre vielmehr, sie auf konzentrierte Abfallströme anzuwenden, die bei einigen der heute verwendeten Aufbereitungsverfahren entstehen. Dann könnte die neue Technik Flüssigkeiten oder Rückstände behandeln, in denen sich die Schadstoffe bereits gesammelt haben, statt auf einen Schlag alle vorhandenen Aufbereitungsschritte ersetzen zu müssen.

Ein praktisches Hindernis liegt auf der Hand: Palladium ist teuer. Eine wichtige Aufgabe bei der Weiterentwicklung wird daher sein, den benötigten Metallanteil zu verringern, ohne die Leistung beim Auffangen und Umwandeln der Schadstoffe zu verschlechtern. Gute Versuchsergebnisse allein reichen nicht aus, um zu beurteilen, ob das Verfahren im großen Maßstab geeignet ist. Auch die benötigte Katalysatormenge, die Betriebskosten und die Behandlung der entstehenden Produkte müssen für den jeweiligen Einsatz vertretbar sein.

Die Forschenden arbeiten außerdem an hybriden Membranen, die Palladium mit Bakterien verbinden sollen, die Schadstoffe abbauen können. Das ist jedoch ein damit verwandter Forschungsansatz und keine Beschreibung des Systems, das in der aktuellen Studie getestet wurde. Die Membran, die im 58-tägigen Versuch die Ergebnisse erzielte, arbeitet mit Palladium und Wasserstoff, nicht mit Mikroorganismen. Diese Unterscheidung ist wichtig, damit der aktuellen Untersuchung keine Bestandteile zugeschrieben werden, die gar nicht Teil des Versuchs waren.

Fazit

Mit Palladium beschichtete Membranen zeigen einen möglichen Weg, PFAS aus Wasser zu entfernen und zugleich ihre chemischen Bindungen anzugreifen, statt die Schadstoffe lediglich in anderen Abfällen anzureichern. Im 58-tägigen Test mit sechs Verbindungen, darunter GenX, wurden bis zu 96 % der Schadstoffe entfernt und bei bis zu 83 % Fluor abgespalten. Die Ergebnisse hingen deutlich von der jeweiligen Molekülstruktur ab: Langkettige Stoffe ließen sich schneller behandeln, während GenX widerstandsfähiger blieb, bei der Behandlung aber 2-Propoxypropansäure entstand. Bis zum praktischen Einsatz muss vor allem der Palladiumbedarf sinken; außerdem muss die Leistung des Systems für geeignete Anwendungen, etwa die Behandlung konzentrierter Abfallströme, weiter geprüft werden. Die Ergebnisse sind daher ein vielversprechender Schritt, aber noch keine fertige Lösung für jede Art von PFAS-Belastung im Wasser.