Elektrochemische Zerstörung von PFAS

Die Stoffgruppe der PFAS (Per- und polyfluorierte Alkyl Substanzen) umfasst etwa 8000 bis 10 000 Einzelverbindungen, die chemisch außerordentlich beständig sind. Dies ist Fluch und Segen zugleich, da sie in vielen Anwendungsbereichen sehr wertvolle Dienste leisten und dort teilweise als unverzichtbar gelten. Zu nennen sind hier ihr Einsatz als Trenn- und Imprägniermittel, als Tenside, als Hochleistungsfeuerlöschmittel oder als Synthesebaustein. So können sie uns in allen Lebensbereichen begegnen, z. B. in Funktionsbekleidung und in Medizinprodukten. Andererseits führt ihre Persistenz zur Verschleppung und Anreicherung in Klärschlamm, Böden, Gewässern und in Organismen. Dort entfalten sie ihre schädliche Wirkung und greifen in den Zellstoffwechsel ein. Mit derzeit bekannten Reinigungsverfahren für Böden und Wässer lassen sich PFAS nicht wirklich beseitigen – deshalb hat die EU ein Verbotsverfahren für diese Stoffklasse angestrengt. Da leider bisher nicht bekannt ist, welche konkreten Substanzen wie schädlich sind, steht die gesamte Stoffgruppe unter Generalverdacht. Als besonders schädlich gelten jedoch die kurzkettigen PFAS.

Abbau kurzkettiger PFAS durch Totaloxidation

Hier setzt das ZIM-Projekt PFCex an. Am Fraunhofer IKTS konnte gezeigt werden, dass die kurzkettigste aller PFAS – die Trifluoressigsäure (CF₃COOH – »TFA«) – unter bestimmten Bedingungen quantitativ elektrochemisch zerstört werden kann. Übrig bleiben dabei lediglich CO₂ und Fluoridionen als relativ harmlose Spezies. Der Prozess nennt sich elektrochemische Mineralisation oder Totaloxidation. Auf dieser Basis konnte bereits die Zerstörung einer Vielzahl organischer Verbindungen nachgewiesen werden. Abb. 1 zeigt die Verringerung der TFAKonzentration in einer industriellen Abproduktlösung im kontinuierlichen Elektrolyseversuch. Der dazugehörige Versuchsstand ist in Abb. 2 dargestellt. Die Ausgangskonzentration lag bei 5960 mg/l. Es zeigte sich, dass die Elektrolyse stabil > 90 % des TFA zerstört, wobei die Konzentration der beim Abbau freigesetzten Fluoridionen im Ablauf parallel ansteigt. In Batch-Versuchen ließen sich so > 99,9 % Abbau erreichen. Im Projekt wurde das Untersuchungsspektrum schrittweise auf andere kurzkettige PFAS ausgedehnt. Es zeigte sich, dass auch Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluorbutansulfonsäure (PFBSA) elektrochemisch zerstört werden können (Abb. 3). Dabei erwies sich die Stromdichte an der Anode als ein entscheidender Faktor.

Ausblick

Zukünftig soll das Verfahren für die Behandlung von Deponiesickerwässern und von Löschmittelrückständen unter praxisnahen Bedingungen erprobt werden. Neben den verfahrenstechnischen Herausforderungen besteht eine weitere in der Etablierung einer entsprechenden routinemäßig anwendbaren Analytik für den Ultraspurenbereich. Die gesetzlichen Grenzwerte liegen für diese Stoffe im Bereich ng/l. Hierbei werden zwei Ansätze verfolgt: Die Bestimmung des elektrochemisch freigesetzten Fluorids nach Voranreicherung und die Bestimmung von stofflichen Markern (typischen Einzelverbindungen) mittels sog. LC-MS-Technik (Liquid Chromatography – Mass Spektrometry) nach entsprechender Probenvorbehandlung. Das Fraunhofer IKTS bietet Unterstützung bei der Lösung von PFAS-Problemen inkl. deren Zerstörung für viele Bereiche, wie die Elektronikbranche.