Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Bath hat einen kostengünstigen, sonnenlichtbetriebenen Katalysator entwickelt, der PFAS-„Ewigkeitschemikalien“ abbaut und möglicherweise eines Tages zur Reinigung von Wasser und zur Echtzeit-Überwachung von Umweltverschmutzungen beitragen könnte.
Eine neue, mit Sonnenlicht betriebene Technologie könnte eines Tages dazu beitragen, das wachsende Problem der „Ewigkeitschemikalien“ anzugehen, die in Wasser, Boden und im menschlichen Körper verbleiben.
Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Bath hat einen einfachen, kohlenstoffbasierten Katalysator entwickelt, der mithilfe von Licht polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) abbaut. Diese synthetischen Chemikalien sind aufgrund ihrer wasser- und schmutzabweisenden Eigenschaften begehrt, aber auch extrem schwer abbaubar und wurden weltweit in der Umwelt und im menschlichen Körper nachgewiesen.
PFAS werden in einer Vielzahl von Produkten verwendet, von Antihaftpfannen und wasserdichten Jacken bis hin zu Lebensmittelverpackungen und Kosmetika. Aufgrund ihrer starken chemischen Bindungen bauen sie sich nicht auf natürliche Weise ab und können sich im Trinkwasser, in Wildtieren und im menschlichen Gewebe anreichern. Einige Studien bringen bestimmte PFAS mit Gesundheitsrisiken in Verbindung, darunter ein erhöhtes Risiko für bestimmte Krebsarten. Die langfristigen Auswirkungen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt.
Die Erstautorin Fernanda COL Martins, die im Rahmen ihres Doktoratsstudiums an der Universität von São Paulo während eines sechsmonatigen Praktikums in Bath an dem Projekt mitarbeitete, merkte an, dass die alltägliche Verbreitung dieser Chemikalien das Problem besonders dringlich mache.
„PFAS werden in vielen verschiedenen Produkten verwendet, von wasserdichter Kleidung bis hin zu Lippenstift, aber sie reichern sich mit der Zeit im Körper und in der Umwelt an und haben toxische Wirkungen“, sagte sie in einer Pressemitteilung.
Die neue Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift RSC Fortschritte, beschreibt einen Prototyp eines Photokatalysators aus graphitischem Kohlenstoffnitrid, einem kostengünstigen, kohlenstoffbasierten Material, kombiniert mit einem starren mikroporösen Polymer namens PIM-1.
Die beiden Komponenten erfüllen unterschiedliche Funktionen. Das PIM-1-Polymer besitzt winzige Poren, die PFAS-Moleküle nahe der Katalysatoroberfläche einfangen und festhalten. Das Kohlenstoffnitrid nutzt anschließend Lichtenergie, um chemische Reaktionen anzutreiben, die die hartnäckigen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS aufbrechen. Dabei werden die Schadstoffe in Kohlendioxid und Fluorid umgewandelt, einer Chemikalie, die auch in manchen Zahnpasten enthalten ist.
Laut Martins führt die Kombination des Katalysators mit PIM-1 zu einem effizienteren Abbauprozess, insbesondere bei neutralen pH-Werten, wie sie in natürlichen Gewässern vorkommen. Dies ist wichtig, da viele bestehende PFAS-Behandlungsverfahren nur unter extremen Bedingungen wie sehr hohen Temperaturen oder extremer Säure optimal funktionieren. Diese Bedingungen sind teuer und außerhalb spezialisierter Anlagen schwer umzusetzen.
Die Studie vereint Forscher der Universität Bath, der Universität São Paulo in Brasilien, der Universität Edinburgh in Schottland und der Swansea University in Wales. Sie ist Teil eines umfassenderen Vorhabens, angesichts verschärfter Vorschriften und wachsender Besorgnis in der Öffentlichkeit praktische Methoden zur Erkennung und Zerstörung von PFAS zu finden.
Neben der Sanierung könnte dieselbe Chemie auch die Grundlage für eine neue Art von Sensor bilden. Beim Abbau von PFAS werden Fluoridionen freigesetzt. Die Messung dieses Fluoridsignals könnte Aufschluss darüber geben, wie viel PFAS ursprünglich vorhanden war.
Dies öffnet die Tür für tragbare Geräte, mit denen sich Verunreinigungen in Echtzeit überwachen lassen, anstatt sich ausschließlich auf Proben zu verlassen, die an spezialisierte Labore versandt werden.
„Derzeit ist der Nachweis von PFAS sehr schwierig und erfordert teure Geräte in einem Speziallabor“, ergänzte Frank Marken, Professor am Fachbereich Chemie und am Institut für Nachhaltigkeit und Klimawandel der Universität Bath, der die Studie leitete. „Wir hoffen, dass unsere Technologie zukünftig in einem einfachen, tragbaren Sensor eingesetzt werden kann, der auch außerhalb des Labors verwendet werden kann, beispielsweise um erhöhte PFAS-Konzentrationen in der Umwelt zu erkennen.“
Die Erkennung von PFAS erfordert derzeit in der Regel teure Geräte und geschultes Fachpersonal, was die Häufigkeit und den Ort der Tests einschränkt. Ein kostengünstiger, handlicher Sensor könnte Kommunen, Behörden und der Industrie helfen, Belastungsherde in Flüssen, Grundwasser, Ackerland oder in der Nähe von Produktionsstätten schnell zu identifizieren.
Das aktuelle Gerät ist noch ein Prototyp im Labormaßstab, und die Forscher betonen, dass weitere Entwicklungsarbeit nötig ist, bevor es im Feld eingesetzt werden kann. Sie suchen nun Industriepartner, die ihnen helfen, die Produktion auszuweiten, die Leistung zu verbessern und den Katalysator in reale Aufbereitungssysteme oder Sensorplattformen zu integrieren.
Wenn diese Bemühungen erfolgreich sind, könnte die Technologie Teil eines Instrumentariums zur Bekämpfung der PFAS-Verschmutzung werden: Sie könnte helfen, Verunreinigungen leichter zu finden und mithilfe des reichlich vorhandenen Sonnenlichts dazu beitragen, diese „Ewigkeitschemikalien“ in sicherere Bestandteile zu zerlegen.
Quelle: University of Bath