PFAS in der Umwelt - neue technische Lösungen für neue Herausforderungen

PFAS, die sogenannten «Ewigkeits-Chemikalien», sind mittlerweile weltweit in der Umwelt nachweisbar - auf entlegenen Berggipfeln ebenso wie in den Blutproben aller menschlichen Probanden einer Schweizer Messkampagne. Aufgrund ihrer extremen Persistenz bei gleichzeitig teilweise hoher Toxizität stellt ihre Entsorgung eine enorme, aber notwendige Herausforderung dar. Technische Lösungen sind dringend erforderlich.

Unzerstörbare Moleküle - warum uns PFAS noch lange begleiten werden

PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen) sind nicht nur in den Schlagzeilen, sondern auch in unserer Umwelt allgegenwärtig. In Fleisch, Milch, Fischen, Böden und sogar im menschlichen Körper werden sie in besorgniserregenden Konzentrationen nachgewiesen. Ein Blick auf ihre chemische Struktur zeigt, dass der ihnen von den Medien verliehene Beiname «Ewigkeitschemikalien» durchaus gerechtfertigt ist: Diese Chemikalien weisen eine aussergewöhnlich hohe chemische und physikalische Stabilität auf. Aufgrund ihrer teilweise sehr hohen Toxizität und hohen lokalen Konzentrationen sind effiziente technische Lösungen dringend erforderlich, um die PFAS-Problematik zumindest an den am stärksten belasteten Standorten in den Griff zu bekommen.

PFAS bestehen aus mindestens einem vollständig fluorierten Kohlenstoffatom (Abbildung 1), was ihnen neben ihrer hohen chemischen und physikalischen Stabilität auch wasser-, fett- und schmutzabweisende Eigenschaften verleiht. Die Kombination all dieser technisch hervorragenden Eigenschaften macht PFAS für die Industrie besonders interessant. Mittlerweile umfasst die Gruppe der PFAS mehr als 10’000 verschiedene chemische Verbindungen, die in einer Vielzahl von Produkten und Anwendungen zu finden sind. Sie werden ausschliesslich synthetisch hergestellt und finden Anwendung in Beschichtungen der Textil- und Verpackungsindustrie, in Reinigungsmitteln, Kühlmitteln, Flammschutzmitteln und Feuerlöschschäumen sowie in speziellen Membranen, Dichtungen und Filtern.

Abbildung 1: Chemische Struktur der Perfluoroctansulfonsäure.

Vom industriellen Erfolg zur Umweltgefahr

Diese extreme Beständigkeit in Kombination mit dem breiten Anwendungsspektrum führt dazu, dass sich PFAS weltweit in der Umwelt ausbreiten. So wurden PFAS bereits in Blutproben von Menschen und selbst in entlegenen Gebieten wie in Schneeproben aus der Arktis nachgewiesen. Da viele PFAS-Verbindungen toxische Eigenschaften besitzen (wie z.B. Beeinträchtigungen des Immunsystems, Verursachung hormoneller Störungen, erhöhtes Krebsrisiko oder Fortpflanzungs- und Entwicklungsstörungen) und sich zudem im Fettgewebe anreichern können, stehen wir vor der grossen Herausforderung, zahlreiche PFAS-belastete Standorte zu sanieren, um damit Mensch und Umwelt zu schützen. Gleichzeitig gibt es Bestrebungen, den Einsatz dieser Chemikalien massiv zu reduzieren. Dies ist eine besonders schwierige Aufgabe, da es auch unschädliche PFAS gibt, respektive solche, deren Schädlichkeit (noch) gar nicht nachgewiesen ist, die aber in Industrie und Medizin wertvolle Dienste leisten.

Die Stoffgruppe der PFAS umfasst eine Vielzahl von Molekülen, die sich in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften wie Grösse, Struktur, Mobilität oder ihren funktionellen Gruppen stark unterscheiden, was die Analyse und Behandlung von PFAS-kontaminierten Standorten äusserst schwierig und aufwändig macht. In der Schweizer Abfallwirtschaft fehlen noch zahlreiche Grenzwerte für einzelne PFAS. Eine generelle Regelung für den Umgang mit diesen Stoffen und die Festlegung von schweizweit gültigen Grenzwerten ist zurzeit in Erarbeitung. Klar ist aber bereits heute: Viele Standorte sind (zu) stark mit PFAS belastet und es besteht teilweise dringender Sanierungsbedarf. Dies betrifft nicht nur Industriestandorte, sondern vor allem auch Feuerwehrübungsplätze, wo über viele Jahre grossflächig mit PFAS-haltigem Löschschaum hantiert wurde. Aber auch in Deponiesickerwässern wurden hohe PFAS-Konzentrationen gemessen, welche Behörden und Anlagenbetreiber vor grosse Herausforderungen stellen.

Technische Lösungen für eine dauerhafte Herausforderung

Die extreme chemische, thermische und biologische Stabilität der PFAS, die von der Industrie so geschätzt wird, ist gleichzeitig eine der grössten Herausforderungen bei der Entsorgung dieser Stoffe. Die einzige bekannte Methode zur vollständigen Zerstörung von PFAS ist die thermische Behandlung bei Temperaturen über 1100°C. Weniger energieintensive Abbauprozesse (z.B. Oxidation, Photolyse, Sonolyse oder Plasma) führen häufig zur Bildung kleinerer PFAS-Moleküle und damit zu einer Vielzahl ganz neuer (potenziell) schädlicher Abbauprodukte.

Da die thermische Behandlung kontaminierter Materialien energetisch sehr aufwendig, langsam und teuer ist, wird in der Regel als erster Aufbereitungsschritt eine vorherige Abtrennung und Aufkonzentrierung der Schadstoffe angestrebt. Eine vielversprechende Methode zur Behandlung von PFAS-belasteten Böden und Aushub ist die Reinigung in Bodenwaschanlagen. Dabei wird das kontaminierte Material - sei es Aushub (Abbildung 2), Boden oder gemischter Bauschutt - so aufbereitet, dass die Schadstoffe auf eine kleinere Materialmenge aufkonzentriert werden, die dann hochkonzentriert einer thermischen Behandlung zugeführt werden kann. Die Anreicherung von PFAS kann dabei teilweise durch eine einfache Korngrössentrennung des Materials erfolgen. Da sich die grösste Schadstofffracht häufig auf den Oberflächen feiner Partikel anlagert, werden PFAS in der Regel in der Feinkornfraktion stark angereichert, denn diese hat eine sehr grosse spezifische Oberfläche (ca. 1m2/Gramm). Häufig sind aber noch zusätzliche, massgeschneiderte Verfahrensschritte erforderlich, wie z.B. die Zugabe spezieller Additive, an denen die PFAS gezielt haften bleiben.

Alternativ zur Aufkonzentrierung der PFAS im Feststoff kann es sinnvoll sein, diese in das Prozesswasser zu überführen und durch eine nachgeschaltete Wasseraufbereitung zu eliminieren. Hier kommen Verfahren wie Flotation, Fällung oder nachgeschaltete Adsorption bzw. sinnvolle Kombinationen dieser Verfahren in Frage.

Welche Verfahren im Einzelfall am besten geeignet sind, hängt von der konkreten Anlage und der Art der Verschmutzung sowie der Matrixeigenschaften ab. Hier ist detailliertes verfahrenstechnisches und chemisches Know-how gefragt. Eine solche massgeschneiderte Lösung kann durch Labor- und Technikumsversuche mit erfahrenen Fachleuten entwickelt werden. Das UMTEC hat sich auf Fragestellungen rund um das Thema PFAS spezialisiert.

Abbildung 2: PFAS verschmutztes Material im Verfahrenstechnischen Labor.
Autor: Martin Däscher