Vielversprechend: Piezokatalyse und PFOS „Problembehaftet“: Ewigkeitschemikalien und wie man sie knacken könnte

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Die Piezokatalyse könnte ein ewiges Problem lösen: Bis die sehr langen und festen Kohlenstoffketten der per- und polyfluorierte Akylsubstanzen (PFAS) auf natürlichem Wege gebrochen und damit abgebaut werden können, vergeht viel Zeit, daher der Name Ewigkeitschemikalien. Forscher der ETH Zürich haben in der Piezokatalyse, unterstützt von Nanopartikeln und Ultraschall, eine neue Methode zum Kampf gegen Ewigkeitschemikalien gefunden.

Bei den Chemikalien PFAS, per- und polyfluorierte Akylsubstanzen, handelt es sich um lange Kohlenstoffketten, bei denen an mindestens einem Kohlenstoffatom die Wasserstoffe am Kohlenstoffgerüst vollständig durch Fluoratome ersetzt wurden. Mittlerweile gibt es mehrere Tausend dieser oft unregulierten Chemikalien, die sich sämtlich durch einen Effekt hervortun: sie verhalten sich amphiphob. Amphiphobie ist die Kombination aus Hydrophobie und Lipophobie; amphiphobe Stoffe weisen nicht nur Substanzen wie Wasser, sondern auch solche wie Öl ab. Bedeutet, dass mit PFAS behandelte Gegenstände Wasser und Fette abweisen. Ein praktischer Effekt, der allerdings auch mit Nachteilen „behaftet“ ist.

Denn die PFAS-Kohlenstoffketten sind sehr stabil und lassen sich in den meisten Fällen erst lösen, wenn sie hohen Temperaturen oder starken Druck ausgesetzt sind. Deswegen werden sie als Ewigkeitschemikalien bezeichnet, da sie auf natürlichem Wege nicht oder nur kaum abbaubar sind und sich deswegen in der Umwelt, Pflanzen, Tieren und Menschen anlagern. PFAS werden damit in Verbindung gebracht, unter anderem Krebs zu erregen, und so vorteilhaft das amphiphobe Verhalten ist, so kritisch wird der Einsatz von PFAS inzwischen gesehen. Es gibt mehrere Initiativen, die Weiterverbreitung der Substanzen zu stoppen; die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) strebt etwa ein Verbot der Herstellung, der Verwendung, des Inverkehrbringens und der Einfuhr von PFAS in den Europäischen Wirtschaftsraum an.

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Die Ewigkeitschemikalien, die allerdings bereits in die Umwelt gelangt sind, stellen ein Problem dar und deswegen suchen Forscher nach Mitteln, wie der Bedarf für PFAS etwa in der Elektronikerstellung verringert werden kann. Und wie einige der PFAS abgebaut werden können, die sich bereits in der Umwelt befinden. Eine neue Methode für den Abbau von PFOS haben die Forscher der ETH Zürich gefunden.

Piezokatalyse zum Abbau von PFOS

Bei PFOS, Perfluoroctansulfonat, handelt es sich um eine Untergruppe von PFAS.Eine weitere Untergruppe, PFOA, Perfluoroctansäure, ist insbesondere deswegen etwas bekannter in der breiten Bevölkerung, weil Hersteller DuPont wegen gesundheitlicher Schäden in zahlreichen Fällen öffentlichkeitswirksam auf Schadensersatz verklagt wurde. Bei Interesse für die Thematik können Sie sich unter anderem den Film „Vergiftete Wahrheit“ anschauen. Dabei handelt es sich um die Filmadaption eines Berichts der NYT über die Jahre andauernde Auseinandersetzung zwischen dem Konzern DuPont und dem Anwalt Robert Billot.

Zurück zu den nicht minder problematischen PFOS: Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich nutzen eigenen Angaben zufolge die Piezokatalyse, um PFOS-Chemikalien im Wasser mithilfe der Nutzung von Nanopartikeln und Ultraschall abzubauen, und das mit einer Erfolgsrate von fast 91 Prozent. „Piezo bezieht sich auf die Piezoelektrizität, auf eine elektrische Spannung, die bei mechanischer Verformung entsteht. Katalyse meint die Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch geeignete Substanzen“, wird erklärt. „Wir haben Nanomaterialien entwickelt, die piezoelektrisch sind. Mit bloßem Auge sieht dieses Material ein bisschen wie Sand aus.“ Die Partikel laden sich im Ultraschallbad elektrisch auf. Diese Ladung löst eine Kette an Reaktionen aus, die schlussendlich die PFOS-Moleküle durch Defluorierung allmählich abbaut. „Deshalb nennt man die Nanopartikel piezoelektrisch“, erklärt Salvador Pané i Vidal, Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme.

Die Methode klingt vielversprechend, insbesondere weil sie anders als die thermische Zersetzung von PFOS nicht so energieintensiv ist. Allerdings steht die Skalierung der ETH-Methode vor einem Problem. Denn für die Forschungsarbeiten wurde mit einer hohen PFOS-Konzentration von 4 mg pro Lister Wasser gearbeitet. In Seen und Flüssen liegt die PFOS-Konzentration hingegen im Schnitt bei weniger als einem Mikrogramm pro Liter. Je geringer die PFOS-Konzentration, desto länger dauert es, bis PFOS abgebaut sind. Deswegen werden aktuell Technologien zum Abbau entwickelt, die das Wasser konzentrieren und erst dann die PFOS zerstören. „Dies wäre auch bei der Piezokatalyse ein wichtiger Schritt, den man in einem konkreten Anwendungsfall wie dem Abwasser der chemischen Industrie umsetzen müsste“, heißt es vonseiten der ETH.

Sinnvoller als andere Methoden

Doktorandin Andrea Veciana erklärt das Potenzial der Piezokatalyse im Vergleich zur Photokatalyse: „Das ist ein ähnlicher Prozess wie die Piezokatalyse, aber statt mechanischer Energie wird Licht zur Aktivierung des Katalysators verwendet. Das Hauptproblem dieser Methode: In der Praxis geht es darum, Abwasser zu behandeln. Dieses ist trüb und nur wenig Licht kann es durchdringen.“ Die Piezokatalyse hat den Vorteil, dass sie mit verschiedenen mechanischen Energiequellen funktioniert. „Wenn Wasser in Kläranlagen gereinigt werden muss und ohnehin schon Turbulenzen im Wasser vorhanden sind, könnte man diese Energie vielleicht nutzen, um PFAS im Wasser abzubauen“, so Veciana. „PFAS sind ein globales Problem, das in erster Linie durch politische Veränderungen und mehr Transparenz angegangen werden sollte.“

In den Medien wird bereits viel über ein PFAS-Verbot und strengere Vorschriften berichtet, die die Industrie zu mehr Transparenz bei der Verwendung von PFAS zwingen sollen. Veciana betont: „Dennoch ist es auch wichtig, Innovationen durch Forschung voranzutreiben, um die bereits vorhandene Belastung durch PFAS so weit wie möglich zu reduzieren und zu beheben.“ (sb)

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