Ewigkeitskunststoffe sind für viele Produkte, Alltagsartikel und selbst grüne Schlüsseltechnologien unverzichtbar. In der Umwelt werden diese „ewigen Chemikalien“ jedoch kaum abgebaut, zudem reichern sie sich in verschiedenen Organismen bis hin zum Menschen an. Aus mehr als 10.000 verschiedenen Substanzen besteht diese Stoffgruppe aus per- und polyflourierten Alkaliverbindungen (PFAS). Umso wichtiger ist der genauere Blick auf Kunststoffe dieser Art, die mit ihnen verbundenen Begriffe und damit einhergehenden Gefahren und Risiken. Überdies zeigt dieser Beitrag Möglichkeiten auf, wie PFAS entfernt oder ersetzt werden können.
Sie sind gekommen, um zu bleiben: Ewigkeitskunststoffe. Und sie sind überall – in der Luft, im Boden, im Wasser und letztlich auch in Mensch und Tier. Sie sind extrem wasser-, fett- und schmutzabweisend und befinden sich deshalb in vielen Gegenständen des täglichen Lebens. Beispiele sind Zahnseide, Backpapier, Pflanzenschutzmittel oder auch Feuerlöschschaum. Auch Bratpfannen oder Outdoor-Kleidung werden mit ihnen beschichtet.
Gerade wegen der vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten gelangen sie auf zahlreichen Wegen in die Umwelt: im Zuge der Herstellung, bei der Weiterverarbeitung, beim Gebrauch und letztendlich bei der Entsorgung.
Eigenschaften von PFAS
Die sogenannten Ewigkeitschemikalien (engl. forever chemicals) werden in der Chemie als PFAS (Per- und Polyfluoralkylsubstanzen) bezeichnet. Dieser Begriff umfasst tausende industriell hergestellter Chemikalien, die eine einzigartige chemische Struktur aufweisen und auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.
Das Grundgerüst aller PFAS-Moleküle bildet eine vollständig fluorierte Kohlenstoffkette unterschiedlicher Länge, typischerweise zwischen 4 und 18 Kohlenstoffatomen. Am Ende der Ketten befinden sich funktionelle Gruppen, die dem Molekül spezifische Eigenschaften und Funktionen verleihen. Je nach Endgruppe gibt es zwei verschiedene Typen von PFAS: perfluoriert (-CF3) oder polyfluoriert (-CF2-).
Die starken C-F-Bindungen und die hohe Elektronegativität der Fluoratome sind auch der Grund für die einzigartige Kombination aus hydrophoben (wasserabweisenden) und oleophoben (ölabweisenden) Eigenschaften.
Sie tragen auch zu ihrer Langlebigkeit in der Umwelt bei und zu ihrer Fähigkeit, sich in lebenden Organismen anzureichern. Denn den meisten Mikroorganismen fehlen die notwendigen Enzyme, um die starken C-F-Bindungen in PFAS-Verbindungen aufzuspalten, weshalb sie resistent gegen biologische Abbauprozesse sind, die normalerweise in der Umwelt stattfinden.
Die schiere Anzahl der PFAS-Varianten ist atemberaubend: Es gibt viele Tausende Einzelverbindungen innerhalb dieser Klasse. Zu den bekanntesten und am besten untersuchten Beispielen gehören Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS). In der Fluid- und Labortechnik werden fluorierte Kunststoffe wie PTFE (Polytetrafluorethylen) und PVDF (Polyvinylidenfluorid) eingesetzt.
In Form von Kunststoff-Schläuchen, Ventilen, Laborbehältern und Schlauchverbindern gelten sie aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften als nahezu ersatzlose Werkstoffe.
PFAS herstellen und nutzen
Für die industrielle Produktion von PFAS gibt es zwei etablierte Verfahren: die elektrochemische Fluorierung (ECF) und die Fluortelomerisierung. Während ECF nicht nur zu linearen, sondern auch zu verzweigten Molekülen führt, ist bei der moderneren und überwiegend genutzten Fluortelomerisierung die Produktausbeute höher und es bilden sich weniger Nebenprodukte.
Dabei wird Tetrafluorethen mit Iod und Iodpentafluorid zu einem Pentafluoridethan umgesetzt. Darauf kann dann die Zielsubstanz schrittweise aufgebaut werden. Jede weitere Reaktion mit Tetrafluorethen erhöht das Grundgerüst um zwei zusätzliche Kohlenstoffatome. Der Kettenaufbau lässt sich dann durch eine Reaktion mit Ethen beenden.
Die industrielle Produktion der PFAS begann bereits in den 1950er Jahren. Aber erst ab 1970 wurden die Chemikalien im industriellen Maßstab umfangreicher eingesetzt.
Die Industrie setzt perfluorierte Alkylsubstanzen in einer Reihe von Spezialanwendungen ein. Beispiele sind die Perfluorpolymer-Herstellung, beim Verchromen von Metallen und Kunststoffen, in der Produktion von Halbleitern oder auch bei fotografischen Prozessen.
Viele industrielle Abläufe benötigen extrem stabile Anlagenteile wie etwa Dichtungen, Schläuche, Rohre, Pumpen, Behälter, Schlauchverbinder, Hähne und Ventile bis hin zu Filtermembranen. Essenziell ist die Stoffgruppe zudem bei der Herstellung von Geräten und Produkten der Medizintechnik und Lebensmitteltechnik.
Auch in einer Reihe von Konsumgütern für den Privatgebrauch sind diese Verbindungen präsent:
- Farben und Lacke
- Fette und Schmierstoffe
- Leder- und Textilbeschichtungen
- Schuhe und Outdoor-Bekleidung
- Teppiche
- Verpackungen
- Boden- und Autopflegemittel
- Feuerlöschschaum
- Papier mit schmutz-, fett- und wasserabweisenden Eigenschaften (Lotuseffekt)
Dabei sind es vor allem die langkettigen PFAS, die nach der Aufnahme lange im menschlichen Körper verbleiben. Die Anreicherung erfolgt dabei jedoch nicht im Fettgewebe, sondern in Organen wie der Leber.
Wege aus dem Dilemma
Aufgrund ihrer Vielfalt gibt es für die meisten der Tausenden PFAS nur wenige bis gar keine Informationen darüber, wo sie überall eingesetzt werden und wie sie sich auswirken. Die Belastungen aufgrund ihrer Langlebigkeit bleiben jedoch über sehr viele Jahre bestehen.
In Europa beschäftigen sich die EU-Kommission und die ECHA (European Chemicals Agency) mit dem Thema. Im Jahr 2023 wurde von mehreren Nationen (Niederlande, Deutschland, Dänemark, Norwegen, Schweden) ein Beschränkungsvorschlag auf Basis der REACH-Verordnung (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) eingereicht und veröffentlicht. REACH ist eine Verordnung der EU zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt vor den Risiken durch Chemikalien. Zugleich soll sie die Wettbewerbsfähigkeit der chemischen Industrie in der EU erhöhen.
Welche Ewigkeitskunststoffe eingeschränkt oder verboten werden, ist jedoch noch nicht entschieden. Am 22. März 2023 startete eine sechsmonatige öffentliche Konsultation, in der betroffene Unternehmen Bedenken gegen das geplante Verbot äußern und begründete Ausnahmeregelungen einreichen konnten. Voraussichtlich soll im Jahr 2025 eine Entscheidung der Europäischen Kommission über diesen Vorschlag getroffen werden.
Auf US-amerikanischer Seite sind die EPA (Environmental Protection Agency) und die FDA (Food and Drug Administration) federführend. Eine Vorschrift der EPA verpflichtet Hersteller und Importeure von PFAS und PFAS-haltigen Artikeln zur Berichterstattung über Verwendungen, Produktionsmengen, Entsorgung, Exposition und Gefahren. Verschiedene Bundesstaaten haben Vorschriften zum schrittweisen Ausstieg aus PFAS in verschiedenen Produkten erlassen, darunter beispielsweise Lebensmittelverpackungen, Teppiche und Feuerlöschschäume.
Allerdings werden Unternehmen, die PFAS verwenden, durch ein Verbot vor große Herausforderungen gestellt. Dies auch deswegen, weil es für bestimmte Verwendungen (noch) keine gleichwertigen Alternativen gibt.
Detektieren von Ewigkeitskunststoffen in der Umwelt
Chemiker am MIT haben einen Sensor entwickelt, der winzige Mengen von PFAS aufspüren kann. Er basiert auf der Lateral-Flow-Technologie, die auch für Covid-19-Schnelltests benutzt wird. Der Teststreifen wird dabei anstelle von Antikörpern mit Polyanilin beschichtet. Dieses spezielle Polymer kann zwischen halbleitenden und leitenden Zuständen wechseln, wenn ihm Protonen zugeführt werden.
Wird eine mit PFAS versetzte Wasserprobe auf eine mit Polyanilin beschichteten Teststreifen aufgebracht, werden Protonen aus dem PFAS in das Polymer gezogen und machen es zu einem Leiter. Dadurch verringert sich der elektrische Widerstand, woraus auf die Menge des in dem Tropfen enthaltenen PFAS geschlossen werden kann. Mit diesem Verfahren lassen sich den Angaben zufolge Konzentrationen von bis zu 400 Teilen pro Billion erkennen. Allerdings funktioniert die Methode nur bei zwei PFAS, nämlich PFOA (Perfluoroctansäure) und PFBA (Perfluorbutansäure). Verbraucher könnten damit ihr Trinkwasser schnell und kostengünstig testen.
PFAS aus der Umwelt entfernen
Viele Aufbereitungstechnologien haben das Potenzial, PFAS zu entfernen und zu zerstören. Es bestehen jedoch Unsicherheiten hinsichtlich der Wirksamkeit. Herkömmliche Technologien zur Wasseraufbereitung sind im Allgemeinen nicht optimiert, um eine große Anzahl von PFAS zu entfernen. Dies gilt umso mehr für Abfallströme aus Industrieanlagen, Deponiesickerwasser und Grundwasser, in die beispielsweise große Mengen Schaum aus Störfällen oder Brandübungen eingeleitet wurden.
Auch die Behandlung von kontaminierten Böden, Industrie- oder kommunalen Abfällen – insbesondere von Klärschlamm – stellt eine große Herausforderung dar. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften vieler PFAS müssen die für Feststoffe typischen Verfahren optimiert werden.
Wasseraufbereitung
Eine weitverbreitete Behandlungsmethode benutzt granulierte Aktivkohle (GAC). An deren Oberfläche adsorbieren einige PFAS und lassen sich so aus wässriger Lösung entfernen. Dieses Verfahren wird besonders bei langkettigen PFAS-Varianten eingesetzt, bei kurzkettigen ist es weniger wirksam.
Bei der Anionenaustauschtechnik (AIX) werden synthetische Harze aus Polymeren mit geladenen Gruppen verwendet. Diese Harze halten die schädlichen Stoffe zurück und reinigen dadurch die Wässer. Zahlreiche Faktoren können die Leistung der AIX beeinflussen. Wie GAC wurde AIX bereits erfolgreich an verschiedenen Projektstandorten eingesetzt. Forschungsergebnissen zeigen, dass sich AIX auch dazu eignet, kurzkettige und damit langlebige PFAS gut zu entfernen.
In industriellen Prozessen wird häufig die Umkehrosmose eingesetzt. Ebenso in Trinkwasser, wobei sich gezeigt hat, dass nur die Umkehrosmose imstande ist, langfristig alle PFAS weitestgehend zu entfernen.
Bei dieser Filtrationstechnik wird der natürliche Osmose-Prozess umgekehrt: Der Druck im Rohwasser wird künstlich erhöht, sodass über die halbdurchlässige Membran ein Druckausgleich stattfindet, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Die Membran ist so kalibriert, dass sie nur Reinwasser durchlässt, sodass sich abschließend auf der anderen Seite der Membran nur sauberes Wasser befindet. Mit diesem Verfahren lassen sich über 90 % der PFAS aus dem Trinkwasser entfernen. Die Konzentrationen von sechs gängigen PFAS, darunter PFOA, PFOS und PFBS, können bis auf den niedrigsten nachweisbaren Wert von 2 ppm gesenkt werden.
Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) hat mit dem Projekt AtWaPlas ein Verfahren entwickelt, mit dem PFAS energieeffizient aus kontaminiertem Grund-, Sicker- und Waschwasser entfernt werden könnten. Dabei sollen mithilfe einer Atmosphären-Plasmabehandlung nicht nur die PFAS von der Ressource getrennt, sondern als solche eliminiert werden. Erfolgreich industriell umgesetzt, würde dies wesentlich dazu beitragen, Grundwasser und Boden zu erhalten und nachhaltig zu nutzen sowie kontaminierte Flächen zu recyceln, was unbedingt erforderlich ist.
Feststoffbehandlung
Feststoffe lassen sich mithilfe verschiedener möglicher Technologien behandeln:
Mithilfe zugegebener Bindemittel und anderer Zusätze können die Kontaminationen durch physikalische Verkapselung oder chemische Veränderung akkumuliert und eingelagert werden. Dies reduziert die Löslichkeit, Mobilität und Toxizität von Verunreinigungen.
Bodenwäsche oder Lösungsmittelextraktion gelten im Allgemeinen als nicht kosteneffizient und erzeugen Rückstände, die einer weiteren Behandlung bedürfen.
Meistens werden thermische Techniken benutzt, um entweder die PFAS zu zerstören oder sie aus den festen Medien für die nachgeschaltete Sammlung und Behandlung freizusetzen. Die Gasphasenfreisetzungen erfordern oft eine zusätzliche Behandlung, da PFAS-Emissionen mit einer unvollständigen Verbrennung und einer Behandlung bei niedrigen Temperaturen verbunden sind. Aufgrund der extrem starken C-F-Bindung müssen die Emissionen für viele dieser thermischen Behandlungssysteme analysiert werden.
Dies gilt insbesondere dann, wenn sie bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Abhängig von der Fluorkonzentration kann es auch notwendig sein, die Bildung von Fluorwasserstoff (HF) innerhalb des thermischen Behandlungssystems zu behandeln. HF ist hochgradig korrosiv und erfordert deshalb erhebliche Betriebs- und Wartungsüberlegungen.
Luftreinigung
Luft- oder gasförmige Medien, die PFAS enthalten, werden in der Regel durch Zerstörung und Trennung behandelt. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf dem chemischen Abbau oder der Verbrennung in Hochtemperaturöfen. Adsorptionssysteme wie GAC oder Waschanlagen behandeln den Primärluftstrom und können in einem thermischen Prozess eingesetzt werden. Verbrauchte Medien werden entweder verbrannt oder für die weitere Verwendung durch thermische Behandlung reaktiviert. Wässrige Rückstände werden einer geeigneten Abwasserbehandlung oder -bewirtschaftung zugeführt. Feste Rückstände, wie etwa Schlacke oder Flugasche, aus Luftreinhaltesystemen können für andere Anwendungen verwendet oder deponiert werden. Allerdings könnten beide Optionen dazu führen, dass Schadstoffe wieder in die Umwelt ausgewaschen werden.
Ähnlich wie beim primären Abfallstrom können Rückstände eine zusätzliche Behandlung, Entsorgung oder Vernichtung erfordern, damit weniger Schadstoffe in die Umwelt gelangen.
Wechselwirkungen in der Gasphase zwischen PFAS und Partikeln können zur Adsorption von PFAS an diesen Partikeln führen. Partikelgebundene PFAS können dann in die Atmosphäre transportiert werden. Um dies zu vermeiden, lassen sich die bei der Verbrennung entstehenden Feinstaubpartikel aus thermischen Behandlungssystemen mit einer Vielzahl von Abluftreinigungssystemen auffangen. Dazu gehören auch Nasswäscher und Elektrofilter.
PFAS abbauen
PFAS können bei sehr hohen Temperaturen verbrannt und so in ihre chemischen Bestandteile zerlegt werden, was jedoch sehr energieintensiv ist. Neben der Temperatur spielen auch andere Bedingungen bei der Verbrennung eine wichtige Rolle. Um PFAS vollständig zu verbrennen, sind auch die Verweildauer in der Flamme oder der Sauerstoffgehalt ausschlaggebend.
Anlagen, die PFAS-haltige Materialien unter den nötigen Bedingungen verbrennen können, gibt es nur in begrenztem Umfang. Die dafür vorhandenen Kapazitäten reichen vermutlich nicht aus, um alle PFAS-haltigen Abfälle adäquat zu behandeln. Bei der unvollständigen Verbrennung von PFAS können zudem giftige Gase entstehen, wie etwa Fluorwasserstoff, der in Wasser Flusssäure bildet. Zudem können sich auch fluorierte Gase bilden, die teilweise ein hohes Treibhausgaspotenzial haben.
Andere Methoden werden derzeit erforscht. Allerdings steht die Forschung noch am Anfang und PFAS bei niedrigen Temperaturen zu zerstören, ist bisher nur im Labor möglich.
Alternativen für PFAS
PFAS-Alternativen lassen sich im Wesentlichen in zwei Kategorien einteilen: Bei den funktionellen Alternativen handelt es sich um technische oder ingenieurtechnische Lösungen, also nicht chemische Verfahren. Bei den chemischen Alternativen können fluorierte Verbindungen durch nicht fluorierte Alternativen ersetzt werden, die eine ähnliche Funktion im Herstellungsprozess oder im Endprodukt haben.
Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) hat mit PLASLON® eine PFAS-freie Alternative für Antihaftbeschichtungen auf der Grundlage von Plasmatechnik entwickelt. Die dabei verwendeten Plasmaschichten sind nicht nur frei von Fluor, sondern auch von sonstigen Additiven. Im Gegensatz zu anderen Antihaftbeschichtungen eignet sich diese Alternative sehr gut auch für Emaille, Glas, Steinzeug und Porzellan oder hydrophobe Ausrüstungsgegenstände.
Forscher am Schweizer Empa-Institut – der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt – entwickelten gemeinsam mit Textilunternehmen alternative umweltfreundliche Verfahren, mit denen sämtliche Fasern wasserabweisend ausgerüstet werden können. Dabei werden hochvernetzte Siloxane eingesetzt, die silikonähnliche Beschichten erzeugen und anders als fluorhaltige PFAS unbedenklich sind.
Für viele fluorierte Kunststoffe, die in der chemischen Industrie, im Labor oder der Medizintechnik zum Einsatz kommen, existieren jedoch (noch) keine äquivalenten Alternativen.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Nach dem Bericht der internationalen Umweltorganisation ChemSec aus Göteborg erzielten PFAS-Hersteller im Jahr 2022 etwa 4 Mrd. US-Dollar Gewinn. Dem gegenüber stehen gesellschaftliche Kosten in der Weltwirtschaft von rund 17,5 Mrd. US-Dollar – Kosten, die von den Regierungen zur Beseitigung der Verschmutzungen und für die gesundheitlichen Folgekosten getragen werden müssen.
Das Ziel kann also nur darin bestehen, die Verwendung gefährlicher Stoffe aus der PFAS-Gruppe einzuschränken und Anreize für die Entwicklung sichererer Alternativen zu schaffen. Dies erfordert einen mehrgleisigen Ansatz.
Die Regulierungsbehörden müssen der Bewertung und dem Management von PFAS-Risiken weiterhin Priorität einräumen. Sie müssen strenge Richtlinien und Maßnahmen erlassen und für deren Umsetzung sorgen. Letztendlich braucht es einen Paradigmenwechsel sowohl in der industriellen Praxis als auch im Verbraucherverhalten.
Die Hinterlassenschaften von Chemikalien sind eine ernüchternde Erinnerung an die unbeabsichtigten Folgen des chemischen Könnens. Beim Bewältigen der Herausforderungen, die PFAS mit sich bringen, müssen die Entscheider aus der Vergangenheit lernen und einen verantwortungsvolleren und vorsichtigeren Ansatz bei der Verwendung synthetischer Verbindungen wählen.
Bekannte Prinzipien der grünen Chemie und der nachhaltigen Produktion versetzen einen in die Lage, den Weg für die Entwicklung innovativer, umweltfreundlicher Alternativen zu ebnen, ohne Leistung oder Funktionalität zu beeinträchtigen. Dem Umweltschutz und der menschlichen Gesundheit sind Vorrang einzuräumen. Nur dann kann der Mensch auf eine Zukunft hinarbeiten, in der „für immer“ nicht mehr gleichbedeutend ist mit Schaden und Kontamination.
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