Einführung in PFAS
Höhere Cholesterinwerte, höheres Diabetesrisiko, verminderte Wirkung von Impfungen, verringerte Fruchtbarkeit, erhöhte Krebsgefahr. Die Stoffe, die das bewirken, nennen sich PFAS oder auch Ewigkeitschemikalien. Wie weit verbreitet PFAS sind und wie die Forschung das Problem der Ewigkeitschemikalien verringern könnte, darum geht es in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört. Das Forschungsquartett in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung.
Eigenschaften und Anwendungen von PFAS
Sie lagern sich in Pflanzen, Tieren und Menschen ab und können von der Natur nicht abgebaut werden: Ewigkeitschemikalien oder PFAS. Ein Team am Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem kurzkettige PFAS aus dem Wasser entfernt werden können. Mit Dr. Nett Georgi und Dr. Katrin McKenzie sind zwei der Forscherinnen hier, die dieses Verfahren entwickelt haben. Frau Dr. Georgi, Frau Dr. McKenzie, herzlich willkommen im Forschungsquartett! Hallo!
Frau Dr. Georgi, Frau Dr. McKenzie, ich muss leider zugeben, dass Chemie jetzt in der Schule nicht mein stärkstes Fach war. Aber ich kann mich auch nicht daran erinnern, dass jemals dort von PFAS gesprochen wurde. Was heißt PFAS denn überhaupt? Ja, PFAS, das ist eine große Gruppe von Chemikalien. Große Gruppe heißt, das sind ungefähr 10.000 sogenannte per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen. Klar, das klingt schön chemisch, aber was man sich darunter vorstellen kann, sind Substanzen, die eine Kohlenstoffkette haben, deren Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt sind.
Und damit haben sie natürlich ganz andere Eigenschaften als die Kohlenwasserstoffe vorher. Sie sind schmutzabweisend, ölabweisend, das heißt, sie imprägnieren gut, sind hitzebeständig. Also richtig tolle Eigenschaften eigentlich, ja. Und deshalb sind sie in der Industrie auch so begehrt. Ja, sie werden heutzutage eingesetzt in Feuerlöschschäumen, in Spezialanwendungen wie zum Beispiel Stents in der Medizin oder in der Elektrotechnik. Sie sind Schmiermittel, selbst in der Raumfahrt. Also in solchen Anwendungsgebieten unersetzlich. Ich schreibe das jetzt mal in Anführungsstrichen.
Im Alltag finden wir sie aber auch in Outdoor-Bekleidung, Antihaftpfannen zum Beispiel, Lebensmittelverpackungen, die fettbeständige Papiere enthalten, oder auch Kosmetika. Mascara zum Beispiel findet man sie. Ja, oder auch Elektronik. Also es gibt viele Anwendungen, mit denen wir täglich zu tun haben.
Langlebigkeit von PFAS und ihre Auswirkungen
Ich habe jetzt in der Vorbereitung gelesen, dass diese PFAS auch Ewigkeitschemikalien genannt werden. Frau Dr. Georgi, warum ist denn Langlebigkeit für unsere Gesundheit und die Umwelt jetzt zum Problem geworden? Ja, da muss man vielleicht noch mal unterscheiden zwischen PFAS, die Feststoffe sind, also wie das Teflon, die jetzt Polymere sind und die bei ihrer Verwendung erstmal keine Gefahr für den Menschen darstellen.
Und dann gibt es PFAS, die kleine Moleküle sind, die sehr gut im Wasser löslich sind und die sich eben über die verschiedenen Einträge, die es gibt, ob es jetzt aus der Anwendung von einem Feuerlöschschaum direkt auf einem Boden oder über die Kläranlage, die alles auswäscht, was wir in unseren Haushalten verwenden oder Industrieabwasser geht. Letzten Endes landen die PFAS in Flüssen, letzten Endes dann auch im Meer, verbreiten sich über den gesamten Globus.
Und ja, eine wesentliche Ursache dafür ist, dass Mikroorganismen mit den Substanzen nichts anfangen können, dass sie die nicht abbauen können. Und andere Abbauprozesse, die in der Umwelt wirken, tun sich schwer mit PFAS, weil sie eben durch die vielen Fluoratome in den Molekülen unheimlich stabil sind. Ja, und das ist also einmal dieses Problem, dass sie, wenn sie in die Umwelt gelangt sind, nur ganz langsam abgebaut werden, also über Jahrzehnte bestehen.
Und ja, sie reichern sich eben auch in, sie hatten es schon gesagt, in Lebewesen an, auch in uns Menschen. Und sie haben nachgewiesene Wirkungen, die eintreten, auch wenn man eben ganz geringe Konzentrationen, aber über lange Zeiträume aufnimmt. Zum Beispiel stehen einige von diesen wasserlöslichen PFAS im Verdacht, krebserregend zu sein. Für andere gibt es ganz klar nachgewiesene Effekte, dass man eine Korrelation aufstellen kann, wie viel PFAS im Blutplasma von Kindern zum Beispiel enthalten ist und wie ist ihre Reaktion auf eine Impfung, ihre Immunantwort.
Also je mehr, je höher die Konzentration der PFAS im Blut ist, umso weniger reagiert das Immunsystem. Und das ist eben sehr bedenklich, weil die Substanzen in ganz niedrigen Konzentrationen was mit unserem Immunsystem machen. Und deshalb sind seit 2026, jetzt seit Anfang des Jahres, in Deutschland auch ganz strenge Grenzwerte für das Trinkwasser für diese 20 von diesen häufig vorkommenden wasserlöslichen PFAS in Kraft getreten, um eben unser Trinkwasser zu schützen.
Historie und persönliche Auswirkungen von PFAS
Wie lange wissen wir eigentlich schon, dass PFAS nicht so gut für unsere Gesundheit sind? Lag es jetzt doch nicht an mir, dass ich in der Schule nicht so gut aufgepasst habe? Ja, die PFAS sind ja, wie gesagt, eine menschengemachte Stoffgruppe. Seit ungefähr 80 Jahren gibt es sie. Und wenn man die akuten Toxizitäten anschaut, dann sind die gar nicht so groß. Das heißt, da wirklich zu korrelieren, welche Eigenschaften diese Substanzen haben, das dauert immer seine Zeit, zumal es eben auch sehr viele gibt.
Und gerade einige der, ich sag mal, wichtigsten Vertreter, die wir auch in den toxikologischen Untersuchungen kennen, die Perfluoroktansäure und die Perfluoroktansulfonsäure, die haben also acht Kohlenstoffatome in der Kette, die sind jetzt auch schon verboten. Das heißt, hier kennt man schon seit geraumer Zeit die Wirkung. Die sind aber immer noch in der Umwelt vorhanden. Also wieder Stichwort Ewigkeitschemikalien.
Gibt es eigentlich Dinge, die Sie aufgrund Ihrer Forschung und Ihrer Beschäftigung mit PFAS nicht mehr kaufen? Wenn man die Wahl hat, dann schauen wir, denke ich, schon darauf, dass eben auf einem Etikett zum Beispiel PFAS-frei steht. Ja, dummerweise ist es eben nicht so, dass es in Deutschland die Pflicht für die Kennzeichnung gibt von PFAS. Aber es ist auch für den Bürger recht schwierig herauszufinden, wo sich PFAS drin verstecken könnten.
Es gibt so ein paar, ich sag mal, Pi mal Daumen-Regeln. Also wenn man zum Beispiel Outdoor-Kleidung kauft, war früher für die richtig guten Regenkleidung fast immer PFAS drin. Jetzt gibt es schon gute Kleidung auch ohne PFAS. Und hier sind Produzenten wirklich hinterher und sagen, es ist PFAS-frei. Also man guckt auf das Etikett, dann steht entweder PFAS-frei oder fluorfrei oder PFT-frei drauf.
Und ich glaube, wir als Konsumenten haben hier wirklich auch die Macht, Produkte zu kaufen, die eben PFAS-frei sind.
Herausforderungen bei der Entfernung von PFAS
Lange galten kurzkettige PFAS, also Moleküle mit weniger Kohlenstoffatomen, als die harmlose Alternative zu den verbotenen langkettigen Varianten. Das war, wie wir jetzt schon gehört haben, leider ein Irrtum. Aber weshalb lassen sich gerade diese kurzkettigen PFAS denn so schwer aus dem Wasser entfernen? Weshalb braucht es jetzt so ein neues Verfahren, was Sie entwickelt haben?
Wenn man PFAS aus Wasser entfernen will, wird zurzeit vor allem die Adsorption an Aktivkohle eingesetzt. Adsorption heißt Anlagerung an eine feste Oberfläche. Also die Aktivkohle, das sind Körner, zum Beispiel in einem großen Schüttbett, so nennt man das, die praktisch die Moleküle aus dem Wasser filtern. Und das funktioniert für diese langkettigen PFAS gut. Diese lange Kette, die liebt es, sich an die Feststoffoberfläche anzulagern.
Aber die kurzkettigen PFAS, die haben eben diese Triebkraft nicht. Und die Aktivkohle muss ganz oft ausgetauscht werden, weil sie eben schnell verbraucht wird. Und alles, was mit der Aktivkohle verbunden ist, die Herstellung und auch selbst die Regenerierung, ist mit einem hohen CO2-Fußabdruck verbunden. Wir arbeiten halt an einem neuen Verfahren, wo wir die Regeneration der Aktivkohle leichter machen können, sodass es eben direkt vor Ort passieren kann und dass man es mit elektrischer Energie, im besten Fall mit erneuerbarer Energie, betreiben kann.
Das neue Verfahren: Elektrosorption und Elektrooxidation
Ihr Verfahren ist ein zweistufiges Verfahren. Also der erste Schritt ist die sogenannte Elektrosorption. Was kann ich mir darunter vorstellen? Elektrosorption bedeutet, dass man eben diesen Absorptionsprozess durch das Anlegen von ganz geringen Spannungen, also Spannungen, die im Bereich einer Batterie liegen, steuern kann. Und zwar sind eben diese 20 wasserlöslichen PFAS-Verbindungen, die zum Beispiel im Trinkwasser jetzt reguliert sind, negativ geladene Moleküle.
Und das kann ich nutzen, wenn ich die Aktivkohle, wenn ich ihr eine positive Ladung gebe, dann kann ich diese negativ geladenen Moleküle besser anlagern. Also ich kann die Absorption sogar etwas verbessern. Zu den Aktivkohle-Materialien: Ich habe ja auch von Aktivkohle gesprochen, aber wir nehmen eben nicht die üblichen Körnchen, die jetzt so in einer Größenordnung von zwei Millimeter groß sind, sondern wir nehmen faserartige Aktivkohle, die wie zu einem Filz oder Fleece zusammen gefilzt sind.
Und diese langen Fasern ermöglichen es, dass sie leitfähig sind und dass sie auf ein bestimmtes elektrisches Potenzial gebracht werden können. Und was halt noch wichtiger ist: Wenn man das Potenzial umkehrt, wenn man die Aktivkohle negativ auflädt, dann stößt sie die negativ geladenen Moleküle ab. Und ich kann die sozusagen freigesetzten Moleküle mit wenig Spüllösung dann ausspülen und die Aktivkohle ist wieder sauber. Ich kann sie wieder einsetzen für den nächsten Schritt der Absorption, der Entfernung von PFAS aus weiterem Wasser.
Ja, Sie müssen sich vorstellen, dass man damit auch sehr große Volumina sozusagen wie eindampfen kann. Also normalerweise kommen ja die PFAS in sehr, sehr geringen Konzentrationen im Wasser vor. Und dann sind sie schon behandlungspflichtig. Und wenn wir da große Volumina nutzen können, um kleine Konzentrate zu erzeugen, die dann auch noch ganz andere Eigenschaften haben als bei herkömmlichen Verfahren, zum Beispiel wie bei der Membranfiltration.
Bei der Membranfiltration wird zum Beispiel sehr viel Energie aufgewandt und wir kriegen ein Konzentrat, das Salze enthält, Huminstoffe, also alles Substanzen, die sowieso im Wasser vorkommen und die dann mit aufgehalten werden mit den PFAS. Man braucht sehr hohe Drücke. Es funktioniert zwar, aber ist energieaufwendig und man kriegt eine, ich sag mal, matrixbelastete Wasserfraktion. Dieses Konzentrat ist dann auch relativ schwer wieder zu behandeln.
Und bei dem Verfahren, was wir jetzt vorstellen, können wir mit sauberem Wasser wieder eluieren, nachdem wir das Potenzial umgeschaltet haben. Und wir kriegen also eine saubere Matrix für das Konzentrat der PFAS. Was ich noch erwähnen würde, ist, dass das Potenzial, was wir brauchen, ganz gering ist, so um einen Volt. Also es reicht eine Photovoltaikanlage, teilweise auch eine Batterie. Also man braucht sehr, sehr wenig elektrische Energie.
Und das ist auch das Gleiche, wenn wir jetzt umschalten, sodass wir dann auch hier im gleichen Potenzialbereich sind, nur halt negativ. Wir haben also jetzt bei der Elektrosorption die PFAS in einem Konzentrat gesammelt. Jetzt kommt der zweite Schritt: die Elektrooxidation.
Elektrooxidation und ihre Bedeutung
Oxidation, daran erinnere ich mich noch aus dem Unterricht. Da gibt es ein Ion oder ein Atom und die geben dann ein oder mehrere Elektronen ab. Wie läuft das denn in Ihrem Verfahren? Ja, dafür brauchen wir dann spezielle, ganz stabile Elektroden. Diese harschen Bedingungen, die wir brauchen, um PFAS zu zerstören, müssen auch selbst aushalten. Also da gibt es zum Beispiel bohrdotierte Diamantelektroden. Die werden großtechnisch hergestellt schon.
Wenn man dort eine deutlich höhere Spannung, aber immer noch im Bereich vielleicht von drei bis fünf Volt anlegt, dann können die aus so einem PFAS-Molekül Elektronen abziehen. Und dann wird das Molekül so schrittweise verkürzt, von der Kopfgruppe her, bis am Ende nur noch Kohlendioxid und Fluorid übrig bleibt. Und Fluorid kann man auch mit herkömmlichen Methoden aus dem Wasser entfernen.
Und ja, wir können damit eben auch diese Konzentrate, die wir in der Elektrosorption erzeugt haben, so behandeln, dass wir sicher die PFAS zerstören können. Also wir haben diesen Schritt der PFAS-Zerstörung, der findet ja praktisch separat statt, unabhängig von der Behandlung des Wassers, das ich dann wieder verwenden möchte oder in die Umwelt entlassen möchte.
Ja, damit habe ich mehr Zeit für die Zerstörung der PFAS und kann aber da auch dieses Wasser wieder komplett reinigen. Ja, also die Elektrooxidation ist jetzt ein Verfahren, das haben wir nicht erfunden, aber wir können es definitiv effektiver gestalten, eben gerade durch die Kopplung mit der Elektroabsorption-Desorption. Also es ist definitiv eine energieintensive Methode.
Ja, also wir brauchen für die Bedingungen der Zerstörung der PFAS wirklich hier relativ viel Energie. Und umso wichtiger ist es, dass das effektiv an den Elektroden stattfindet. Und es kann natürlich nicht effektiv sein, wenn wir ganz viel an Matrixeffekten haben. Also wenn wir noch so viele andere Substanzen drin haben, die eben mit zerstört werden müssen und dazu noch Substanzen, die selber wieder ein toxisches Potenzial bilden.
Ausblick und Anwendungsmöglichkeiten
Ich habe noch eine letzte Frage an Sie: So ein Blick in die Zukunft. Wo sehen Sie die größte Einsatzmöglichkeit für Ihre Technologie und ab wann wird dieses Verfahren im großen Stil im Einsatz sein können? Also ich denke, Hauptabnehmer oder Hauptprofiteure für dieses Verfahren können Anwender sein, die große Wasserströme behandeln. Zum Beispiel in der Grundwasserreinigung tätig sind, die in der Trinkwasserreinigung tätig sind.
Also ich denke, aus meiner Sicht wird die Aktivkohleabsorption nicht wirklich ersetzbar sein, aber wir können sie effektiver machen. Ja, also ich würde noch ergänzen, auch die Behandlung von Industrieabwässern ist eben ein zukünftiges Einsatzgebiet. Es gibt im Moment keine bundesweit einheitlichen Regelungen zu PFAS-Konzentrationen im Industrieabwasser. Das wird aber kommen und dafür braucht es kostengünstige und energiesparende Verfahren, die eben im besten Fall mit erneuerbarer Energie betrieben werden können.
Also das sind eben die Elektrosorption, ja, auch zur Regenerierung der Aktivkohle und die Elektrooxidation natürlich auch. Und man kann ja auch dann die verschiedenen Verfahrensschritte an das Stromangebot anpassen. Wir sind momentan gerade in dem Stadium des Upscaling. Wir möchten diese Methode natürlich auch auf den Markt bringen. Nicht wir selber, aber natürlich mit Partnern.
Dazu suchen wir natürlich Partner. Klar, letzten Endes brauchen wir gute Ideen auch für die Herstellung unserer Module und wir würden auch jeden potenziellen Anwender dazu aufrufen, sich mit uns in Kontakt zu begeben und unsere Methode gerne mal vor Ort bei Ihnen auszuprobieren.
Abschluss
Das sagen Frau Dr. Georgi und Frau Dr. McKenzie vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. Vielen Dank für das spannende Gespräch, für die Einblicke und für Ihre Zeit. Bitteschön, gern! Ja, gerne! Außerdem an dieser Stelle vielen Dank für die Produktion dieser Folge. Die kam diese Woche von Paula Böhtemann.
Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Immer donnerstags erscheint eine neue Episode. Wir freuen uns, wenn ihr wieder reinhört und einem wissenschaftsbegeisterten Menschen vom Podcast erzählt. Ich bin Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank fürs Zuhören. Bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal. Das Forschungsquartett in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung.
