PFAS (Per- und Polyfluoralkylsubstanzen) stellen eine Gruppe synthetischer organischer Verbindungen dar, die aufgrund ihrer einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften in zahlreichen industriellen und kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden. Gleichzeitig sind sie aufgrund ihrer Persistenz, Mobilität und toxikologischen Wirkung eine große Herausforderung für die industrielle Wasser- und Abwasserbehandlung.

PFAS sind auch als “Forever Chemicals” bekannt, da sie in der Umwelt kaum abgebaut werden und sich in Organismen sowie in Wasser- und Bodenressourcen anreichern können. Ihre Entfernung erfordert spezialisierte Verfahren und Technologien.

Chemische und physikalische Eigenschaften von PFAS

PFAS zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

1. Chemische Struktur:

   • Bestehen aus einer Kette von Kohlenstoffatomen, die vollständig oder teilweise mit Fluoratomen substituiert sind.
   • Die C-F-Bindung ist eine der stärksten Bindungen in der Chemie und verleiht PFAS ihre thermische Stabilität, Chemikalienresistenz und Hydrophobie.

2. Persistenz:

   • PFAS sind extrem stabil gegenüber biologischem und chemischem Abbau.
   • Ihre Halbwertszeit in der Umwelt und in lebenden Organismen beträgt mehrere Jahre bis Jahrzehnte.

3. Hydrophile und lipophile Eigenschaften:

   • PFAS sind amphiphil, d. h., sie besitzen sowohl wasserabweisende (hydrophobe) als auch fettabweisende (lipophobe) Eigenschaften.

4. Mobilität:

   • Lange Ketten wie PFOA (Perfluoroctansäure) oder PFOS (Perfluoroctansulfonat) sind stark mobil und können Grund- und Oberflächenwasser über weite Distanzen kontaminieren.

Quellen von PFAS

PFAS finden in einer Vielzahl von Produkten und Prozessen Anwendung, darunter:

1. Industrieprozesse

PFAS werden in industriellen Verfahren eingesetzt, um spezifische funktionale Eigenschaften wie chemische Stabilität, Hydrophobie und Temperaturbeständigkeit zu nutzen. Hier einige Hauptanwendungen:

a) Herstellung von Feuerlöschschäumen (AFFF)

• PFAS-basierte Aqueous Film Forming Foams (AFFF) werden verwendet, um schnell brennbare Flüssigkeiten wie Benzin oder Öl zu löschen.
• Sie bilden eine chemisch stabile Schaumschicht, die Sauerstoff vom Brandherd trennt und die Brandbekämpfung effektiv macht.
• Einsatzgebiete: Flughäfen, petrochemische Anlagen, militärische Einrichtungen.
• Problem: Rückstände dieser Schäume gelangen oft direkt in den Boden oder das Grundwasser und verbreiten sich von dort großflächig.

b) Galvanotechnik und Oberflächenbehandlung

• PFAS kommen als Benetzungsmittel in der Galvanik zum Einsatz, um Spritzer während des Beschichtungsprozesses zu minimieren und gleichmäßige Schichten auf Metalloberflächen zu erzeugen.
• Typische Anwendungen: Herstellung von Antikorrosionsbeschichtungen und langlebigen Metallprodukten.
• Gefahr: Produktionsabwässer enthalten oft hohe Konzentrationen an PFAS, die ohne Behandlung in die Umwelt gelangen können.

c) Textil- und Lederindustrie

• PFAS werden als wasser-, schmutz- und fettabweisende Beschichtungen in Textilien, Lederwaren und Teppichen eingesetzt.
• Beispiele: Imprägnierte Outdoor-Kleidung, wasserabweisende Schuhe, fleckenresistente Sofabezüge.
• Umweltproblem: Abfälle und Reststoffe aus der Produktion sowie das Auswaschen von PFAS während der Nutzung und Reinigung.

2. Verbraucherprodukte

Viele Alltagsprodukte enthalten PFAS, da sie diese langlebiger, widerstandsfähiger und funktionaler machen. Einige Hauptanwendungen sind:

a) Antihaftbeschichtungen in Kochgeschirr

• PFAS, insbesondere PTFE (Polytetrafluorethylen), wird für Antihaftbeschichtungen in Töpfen und Pfannen verwendet.
• Vorteile: Erhöhte Hitzebeständigkeit und einfache Reinigung.
• Problem: Verschleiß der Beschichtung während der Nutzung kann kleine Mengen PFAS freisetzen, die in die Umwelt oder in Lebensmittel gelangen.

b) Imprägnierungen für Papier, Pappe und Verpackungen

• PFAS verleihen Papierprodukten wasser- und fettabweisende Eigenschaften.
• Beispiele: Verpackungen für Fast-Food-Produkte, Pizzakartons, Mikrowellen-Popcornbeutel.
• Gefahr: Nach Gebrauch gelangen diese Verpackungen in den Müll und setzen PFAS beim Abbau frei, z. B. in Deponiesickerwasser.

c) Reinigungsmittel und Polituren

• PFAS-haltige Produkte werden zur Herstellung von wasser- und schmutzabweisenden Beschichtungen für Oberflächen wie Glas, Metall und Keramik verwendet.
• Beispiel: Fahrzeugpolituren, Fensterreiniger, Schutzmittel für Möbel.
• Problem: Durch den Gebrauch und das anschließende Abspülen gelangen PFAS in das Abwasser.

3. Abwasser und Deponien

PFAS aus Industrieprozessen und Verbrauchsprodukten gelangen letztlich in die Umwelt durch:

a) Produktionsabwässer

• Abwässer aus Industrieanlagen enthalten oft hohe PFAS-Konzentrationen, insbesondere wenn diese ohne ausreichende Aufbereitung in Gewässer eingeleitet werden.
• Branchen mit besonders hohem Eintrag: Chemieproduktion, Textilfabriken, Metallverarbeitung und Kunststoffherstellung.

b) Deponiesickerwasser

• PFAS-belastete Materialien wie imprägnierte Verpackungen, Textilien oder Rückstände aus Feuerlöschschaum lagern oft auf Deponien.
• Beim Abbau dieser Abfälle gelangen PFAS ins Sickerwasser, das unbehandelt in das Grundwasser oder Oberflächengewässer eindringen kann.
• Herausforderung: Die Mobilität von PFAS erschwert die Rückgewinnung aus Sickerwasser.

c) Diffuse Quellen

• PFAS werden auch aus diffusen Quellen freigesetzt, beispielsweise durch atmosphärischen Eintrag oder landwirtschaftliche Flächen, die mit PFAS-belastetem Klärschlamm gedüngt wurden.
• Diese Einträge sind schwer zu kontrollieren und tragen zu einer großflächigen Kontamination bei.

Herausforderungen durch PFAS in der Wasser- und Abwasserbehandlung

1. Gesundheitliche Auswirkungen:

   • PFAS sind bioakkumulierbar und stehen im Verdacht, krebserregend, hormonell wirksam und immuntoxisch zu sein.
   • Sie beeinflussen die Fortpflanzung, das Hormonsystem und das Immunsystem.

2. Regulierungsanforderungen:

   • Strenge gesetzliche Grenzwerte für PFAS in Trinkwasser und Abwasser sind bereits in Kraft oder werden weltweit eingeführt.
   • Beispielsweise gelten in der EU für PFOA und PFOS maximal 0,1 µg/L in Trinkwasser.

3. Technologische Herausforderungen:

   • PFAS sind schwer abbaubar und nicht durch herkömmliche Wasser- oder Abwasserbehandlungsverfahren wie biologische Klärung oder einfache Filtration zu entfernen.

Technologien zur Entfernung von PFAS

Die Entfernung von PFAS aus Wasser erfordert spezialisierte und innovative Verfahren. Zu den wichtigsten Technologien zählen:

1. Adsorption durch Aktivkohle

• Mechanismus: PFAS-Moleküle werden an der porösen Oberfläche der Aktivkohle adsorbiert.
• Vorteile: Hohe Effizienz bei der Entfernung von langkettigen PFAS (z. B. PFOS, PFOA).
• Einschränkungen: Geringere Effektivität bei kurzkettigen PFAS, die weniger hydrophob sind. Regelmäßige Regeneration oder Austausch der Aktivkohle erforderlich.

2. Ionenaustauscheranlagen

• Mechanismus: PFAS werden durch ionische Wechselwirkungen an Harzoberflächen gebunden.
• Vorteile: Sehr effektiv bei kurzkettigen PFAS.
• Einschränkungen: Hohe Betriebskosten und regelmäßige Regeneration.

3. Oxidationsverfahren

• UV/Ozon, Fenton oder UV/H2O2:
  • Teilweise Zersetzung von PFAS durch hochreaktive Hydroxylradikale.
  • Wirksam bei bestimmten PFAS wie PFOS, aber nicht bei allen.
• Einschränkungen:
  • Hohe Energieanforderungen.
  • Risiko der Bildung von toxischen Zwischenprodukten