Schädliche PFAS-Chemikalien lassen sich mittlerweile in vielen Böden und Gewässern nachweisen. Sie mit konventionellen Filtertechniken zu entfernen ist kostspielig und fast unmöglich. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB setzen nun im Verbundforschungsprojekt AtWaPlas erfolgreich eine Plasma-basierte Technologie um.
Kontaminiertes Wasser wird in einen kombinierten Zylinder aus Glas und Edelstahl geleitet, wo es dann mit ionisiertem Gas, dh Plasma, behandelt wird. Dadurch werden die PFAS-Molekülketten reduziert, wodurch der Giftstoff kostengünstig entfernt werden kann.
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) haben viele besondere Eigenschaften. Da sie thermisch und chemisch stabil sowie wasser-, fett- und schmutzabweisend sind, finden sie sich in einer Vielzahl von Produkten des täglichen Lebens wieder: Pizzaschachteln und Backpapier sind beispielsweise damit beschichtet, Shampoos und Cremes enthalten ebenfalls PFAS . In der Industrie dienen sie als Lösch- und Netzmittel, in der Landwirtschaft werden sie in Pflanzenschutzmitteln eingesetzt.
Doch Spuren von PFAS werden mittlerweile auch dort nachgewiesen, wo sie nicht sein sollten: in Böden, Flüssen und Grundwasser, in Lebensmitteln und im Trinkwasser. So gelangen die Schadstoffe in den menschlichen Körper. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität war eine Eliminierung dieser sogenannten „Forever-Chemikalien“ bisher ohne erheblichen Aufwand und Kosten kaum möglich.
Das Verbundforschungsprojekt AtWaPlas will das ändern. Die Abkürzung steht für Atmospheric Water Plasma Treatment. Das innovative Projekt wird derzeit am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart in Kooperation mit dem Industriepartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen. Ziel ist es, PFAS-kontaminiertes Wasser mittels Plasmabehandlung zu behandeln und zurückzugewinnen.
Das Forschungsteam um Dr. Georg Umlauf, Experte für funktionelle Oberflächen und Materialien, nutzt die Fähigkeit des Plasmas, molekulare Stoffketten anzugreifen. Beim Anlegen einer Hochspannung entsteht das elektrisch leitfähige Gas aus Elektronen und Ionen. „Unsere Experimente mit Plasma konnten erfolgreich die PFAS-Molekülketten im Wasser verkürzen. Dies ist ein wesentlicher Schritt, um diese hartnäckigen Schadstoffe effizient zu entfernen“, freut sich Umlauf.
Wasserkreislauf in einem Edelstahlzylinder
Fraunhofer-Forscher nutzen für diesen Plasmaprozess einen zylindrischen Aufbau. Im Inneren befindet sich ein Edelstahlrohr, das als Masseelektrode des Stromkreises dient. Das äußere Kupfergeflecht fungiert dann als Hochspannungselektrode und ist innen durch ein Glasdielektrikum geschützt. Zwischen beiden verbleibt ein sehr kleiner Spalt, der mit einem Luftgemisch gefüllt ist. Dieses Luftgemisch wird beim Anlegen einer Spannung von mehreren Kilovolt in Plasma umgewandelt. Es ist für das menschliche Auge durch sein charakteristisches Leuchten und seine Entladung als Lichtblitze sichtbar.
Während des Reinigungsprozesses wird das PFAS-kontaminierte Wasser am Boden des Edelstahltanks eingeleitet und nach oben gepumpt. Es wandert dann durch den Spalt zwischen den Elektroden nach unten und passiert die elektrisch aktive Plasmaatmosphäre. Das Plasma bricht und verkürzt bei seiner Entladung die PFAS-Molekülketten.
Das Wasser wird in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder sowohl durch den Stahlreaktor als auch durch die Plasmaentladungszone gepumpt, wodurch die PFAS-Molekülketten jedes Mal weiter reduziert werden, bis sie vollständig mineralisiert sind. „Im Idealfall werden die schädlichen PFAS-Stoffe soweit eliminiert, dass sie in massenspektrometrischen Messungen nicht mehr nachweisbar sind. Damit werden auch die strengen Vorschriften der deutschen Trinkwasserverordnung (TrinkwV) bezüglich PFAS-Konzentrationen eingehalten“, so Umlauf.
Die am Fraunhofer Institut entwickelte Technologie hat gegenüber herkömmlichen Verfahren wie der Aktivkohlefilterung einen entscheidenden Vorteil: „Aktivkohlefilter können die Schadstoffe binden, aber nicht eliminieren.“ Das bedeutet, dass die Filter regelmäßig ausgetauscht und entsorgt werden müssen Die AtWaPlas-Technologie hingegen ist in der Lage, die Schadstoffe rückstandsfrei vollständig zu eliminieren und ist dabei sehr effizient und wartungsarm“, erklärt Fraunhofer-Experte Umlauf.
Echte Wasserproben statt synthetischer Laborproben
Um eine echte Machbarkeit sicherzustellen, testen die Fraunhofer-Forscher die Plasmareinigung unter erschwerten Bedingungen. Herkömmliche Testmethoden verwenden perfekt sauberes Wasser und PFAS-Lösungen, die im Labor synthetisch gemischt wurden. Allerdings verwendet das Stuttgarter Forscherteam „echte“ Wasserproben, die aus PFAS-belasteten Gebieten stammen.
Die Probennahme erfolgt durch den Projektpartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen. Das Unternehmen ist auf Altlastensanierung spezialisiert und führt auch hydrodynamische Simulationen durch.
Die realen Wasserproben, mit denen Umlauf und sein Team arbeiten, enthalten daher PFAS sowie andere Partikel, Schwebstoffe und organische Trübungen. „So verifizieren wir die Reinigungseffizienz von AtWaPlas nicht nur anhand synthetischer Laborproben, sondern auch unter realen Bedingungen mit wechselnden Wasserqualitäten. Gleichzeitig können die Prozessparameter angepasst und weiterentwickelt werden“, erklärt Umlauf.
Mit diesem Plasmaverfahren können auch andere Schadstoffe abgebaut werden, darunter Arzneimittelrückstände im Abwasser, Pestizide und Herbizide, aber auch Industriechemikalien wie Cyanide. Auch in mobilen Anwendungen lässt sich mit AtWaPlas umweltschonend und kostengünstig Trinkwasser aufbereiten.
Das Verbundforschungsprojekt AtWaPlas startete im Juli 2021. Nach einer erfolgreichen Versuchsreihe im Pilotmaßstab mit einem 5-Liter-Reaktor arbeitet das Fraunhofer-Team nun mit dem gemeinsamen Forschungspartner an der weiteren Optimierung des Verfahrens.
Georg Umlauf: „Unser aktuelles Ziel ist es, das giftige PFAS vollständig zu eliminieren, indem wir die Prozesszeiten verlängern und die Anzahl der Umläufe im Tank erhöhen. Außerdem wollen wir die AtWaPlas-Technologie für die praktische Anwendung in größerem Maßstab verfügbar machen.“ Zukünftig könnten entsprechende Anlagen als eigenständige Reinigungsstufen in Kläranlagen aufgestellt oder in transportablen Containern auf kontaminierten Freiflächen eingesetzt werden.