PFAS: Durchbruch bei der Zerstörung von ewigen Chemikalien

PFAS (Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen) sind eine Gesundheitsgefahr und quasi ewig haltbar. Sie zu zerstören, galt bisher als schwierig, meist werden sie bei hohen Temperaturen verbrannt. Ein Team aus Forschenden der Northwestern University in Illinois, USA, hat nun eine einfache Methode gefunden, um sie in ungefährliche Bestandteile zu zerlegen.

Das Verfahren, das mit den gebräuchlichen Chemikalien Natriumhydroxid und dem Lösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO) arbeitet, greift den Teil des Moleküls an, der nicht fluoriert ist. Der Rest wird dadurch instabil und zerfällt in kleine Teile, die relativ unschädlich sind.

Wie genau funktioniert das?

Als Faustregel gilt: Alles, was ein oder mehrere CF₂ oder CF₃ enthält, ist ein PFAS. Diese Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen sind sehr stabil und der Grund für die lange Haltbarkeit von PFAS.

An einer Stelle enthalten einige PFAS aber eine Gruppe, die Sauerstoff enthält. «Die Achillesferse der ewigen Chemikalien», schreiben die Forschenden im Fachmagazin «Science». In einem geeigneten Lösungsmittel wie DMSO lässt diese sich angreifen, dann spaltet sie sich als Kohlendioxid (CO₂) ab. Der Rest des Moleküls zerfällt dann in kleinere Bestandteile und Fluorid.

Innerhalb von 24 Stunden konnten im Versuch unter relativ milden Bedingungen 78 bis 100 Prozent der PFAS unschädlich gemacht werden. Die Reaktionstemperatur liegt bei nur 40 bis 120 Grad.

Wie kamen die Forschenden darauf?

Auf die Idee kamen die Forschenden durch vorhergehende Arbeiten, Simulationen und Computeranalysen, die die Reaktivität und Stabilität von Molekülen abbilden. Für ihre Versuche unterzogen sie zehn verschiedene PFAS der Spaltungsprozedur. Diese gewannen sie aus Filtern wie Aktivkohle, mit denen PFAS aus Wasser entfernt werden.

Ob das Verfahren für alle PFAS funktioniert, ist unklar. Die Klasse der PFAS umfasst mehrere Tausend Einzelsubstanzen, nicht alle haben die «Achillesferse». Das Team unter der Leitung des Chemikers William Dichtel möchte seine Forschung für andere PFAS weiterführen.

Warum kam vorher niemand auf diese Lösung?

Erstautorin und Doktorandin Brittany Trang wollte das Rezept zuerst gar nicht ausprobieren. «Es klang zu einfach», sagte sie der «New York Times». Irgendjemand, dachte sie, musste daran doch schon gedacht haben.

Bisherige Forschungen konzentrierten sich meist auf die stabilen Fluor-Kohlenstoff-Verbindungen. Zudem liegen PFAS meist in Wasser gelöst vor, sogar in Regenwasser wurden sie kürzlich gefunden (Infosperber berichtete). Die Idee, sie in einem Lösungsmittel wie DMSO zu lösen, lag deshalb auch nicht eben nahe.

PFAS stecken in vielen Gebrauchsgegenständen, sind quasi ewig haltbar und bedeuten schon in kleinsten Mengen eine Gesundheitsgefahr. Sie werden unter anderem mit Schilddrüsenerkrankungen, Leberschäden, hohem Cholesterinspiegel, verminderter Immunreaktion und verschiedenen Krebsarten in Verbindung gebracht.

Weil PFAS unter natürlichen Bedingungen so gut wie gar nicht zerfallen, aber immer neue produziert werden, gibt es in der Umwelt immer mehr davon. Einige der bekanntesten PFAS sind inzwischen weitestgehend verboten.

Ist das jetzt ein Durchbruch?

Das Team aus Illinois konnte einen der bekanntesten Vertreter der Stoffklasse, Perfluoroctansäure (PFOA), zerstören. Auch für dessen ebenfalls gefährlichen Ersatzstoff GenX funktioniere das einfache Verfahren, schreiben die Autorinnen und Autoren.

An Methoden, wie die giftigen Chemikalien unschädlich gemacht werden können, wird schon länger geforscht. Die meisten bisherigen Lösungen sind deutlich aufwendiger als die neu gefundene: Es gibt zum Beispiel photochemische Ansätze, die mit UV-Licht arbeiten, oder oxidative Ansätze, die unter anderem hohe Temperaturen und hohen Druck benötigen.

Bisher werden PFAS meist bei hohen Temperaturen verbrannt, wobei darauf geachtet werden muss, dass die Chemikalien nicht mit der Abluft wieder in die Umwelt gelangen. Dazu sind mindestens 400 Grad nötig, die meisten Empfehlungen sind höher – das deutsche Umweltbundesamt empfiehlt zum Beispiel 1300 Grad, das Bundesamt für Umwelt (BAFU) 1000 Grad. Die Ergebnisse aus Illinois sind also durchaus ein Durchbruch. Wie das Verfahren praktisch eingesetzt werden kann, ist noch nicht klar.