Innovative Verfahren zum Abbau von PFAS: Forschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben zwei neuartige Technologien zur Zersetzung von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) entwickelt. Diese Industriechemikalien zeichnen sich durch ihre extreme Beständigkeit aus. Die Ansätze basieren auf hydrodynamischer Kavitation sowie auf kaltem atmosphärischem Plasma in Kombination mit Gasdispersion. Unterstützt wurden die Arbeiten durch Expertinnen und Experten des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), die mithilfe analytischer Verfahren den Abbau der PFAS und die Freisetzung von Fluorid nachwiesen. Ziel ist es, die Methoden bis zur industriellen Anwendung weiterzuentwickeln, um die Belastung von Gewässern durch PFAS signifikant zu reduzieren.
Hintergrund und Bedeutung von PFAS
PFAS umfassen eine Gruppe von über 10.000 Industriechemikalien mit besonders stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen, die ihnen ihre hohe chemische Resistenz verleihen. Einige dieser Verbindungen stehen im Verdacht, genetische Schäden zu verursachen und krebserregend zu sein, während die Wirkung vieler anderer noch nicht vollständig erforscht ist. Über Abwässer gelangen PFAS in Flüsse und Meere, was zu einer globalen Verbreitung führt. So wurden beispielsweise in der Elbe kürzlich erhöhte Konzentrationen festgestellt, die potenzielle Risiken für Flora, Fauna und Menschen darstellen.
Hydrodynamische Kavitation als Abbaumethode
Im Rahmen der Nationalen Wasserstrategie, die den Schutz der Trinkwasserversorgung und der Gewässer in Deutschland fördert, untersuchte ein Forschungsteam unter Leitung von Dr. Sebastian Reinecke ab 2022 die Anwendung hydrodynamischer Kavitation zur Zerstörung von PFAS. Dabei wird das mit PFAS belastete Wasser durch eine Engstelle geleitet, wodurch kleine Dampfblasen entstehen. Langkettige PFAS lagern sich an diese Blasen an. Beim Kollaps der Blasen, ausgelöst durch Druckanstieg hinter der Engstelle, werden die PFAS extrem hohen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius ausgesetzt. Gleichzeitig entstehen hochreaktive Hydroxylradikale, die die Abbauprodukte angreifen und den Zerfall der PFAS fördern.
In Experimenten mit Perfluoroktansulfonsäure (PFOS), einer langlebigen PFAS-Verbindung, konnte ein Abbau von etwa 37 Prozent der gelösten Moleküle erreicht werden. Die Fluoridkonzentration in der Lösung stieg dabei kontinuierlich an, was auf eine Mineralisierung des organisch gebundenen Fluors hinweist. Die Forschenden arbeiten derzeit daran, die Abbaurate weiter zu erhöhen, mit dem Ziel, mehr als 80 Prozent der PFAS abzubauen und über 50 Prozent des Fluors zu mineralisieren.
Abbau mittels kaltem atmosphärischem Plasma und Gasdispersion
Eine weitere Untersuchungsreihe führte Dr. Amit Kumar durch, der kaltes atmosphärisches Plasma zusammen mit Gasdispersion einsetzte. Dieses Verfahren arbeitet bei Raumtemperatur und benötigt keine Katalysatoren oder zusätzliche Chemikalien. Plasma wird an der Wasseroberfläche erzeugt, während gleichzeitig Gas in das PFAS-belastete Wasser eingebracht wird. Die PFAS lagern sich an der Oberfläche der Gasblasen an und werden dort durch die reaktiven Spezies des Plasmas zersetzt.
Mit dieser Methode konnten sowohl lang- als auch kurzkettige PFAS nahezu vollständig abgebaut werden. Etwa 35 Prozent des in den Chemikalien gebundenen Fluors wurden als Fluorid freigesetzt. Die Reaktionskinetik ist im Vergleich zur Kavitation deutlich höher, allerdings steigt auch der Energieverbrauch pro Volumeneinheit. Zudem entstehen verschiedene Transformationsprodukte, deren genaue Zusammensetzung und mögliche gesundheitliche Risiken aktuell weiter untersucht werden.
Kombination der Verfahren und Skalierung
Die Forschenden arbeiten derzeit an der Skalierung der Verfahren für größere Wassermengen. Dabei wird das Reaktionsvolumen schrittweise von etwa 50 Millilitern auf fünf Liter erhöht, unter Einsatz mehrerer Elektroden und technischer Begasung. Anschließend soll die Kombination von Plasma- und Kavitationstechnologie erprobt werden, um synergistische Effekte zu nutzen. Ziel ist es, durch die Verbindung der hochreaktiven Spezies aus dem Plasma mit den physikalischen Effekten der Kavitation eine besonders effiziente PFAS-Entfernung zu erreichen.
Publikationen und Förderung
- Amit Kumar, Ysabel Huaccallo-Aguilar et al.: „Enhanced degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in tap water using gas-dispersed cold atmospheric plasma“, Scientific Reports, 2026. DOI: 10.1038/s41598-026-57490-6
- Amit Kumar, Anett Georgi et al.: „Degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) forever chemical in water using hydrodynamic cavitation treatment“, Chemical Engineering Journal Advances, 2026. DOI: 10.1016/j.ceja.2026.101046
Die Forschung wird durch den Impuls- und Vernetzwerkfonds der Helmholtz-Gemeinschaft im Rahmen des Clean Water Technology Lab (CLEWATEC) gefördert. Die Projekte „HyKaPro SAB-EFRE“ und „Plasma4PFAS SAB-EFRE“ erhalten zusätzlich Mittel der Europäischen Union und des Freistaats Sachsen.
Kontaktinformationen
- Dr. Sebastian Reinecke | Leiter Wasser- und Umwelttechnologien
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Telefon: +49 351 260 2320
E-Mail: s.reinecke@hzdr.de - Susann Riedel | Projektmanagerin
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Telefon: +49 351 260 3766
E-Mail: s.riedel@hzdr.de - Medienkontakt:
Simon Schmitt | Leitung Kommunikation und Medien am HZDR
Telefon: +49 351 260-3400
E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Über das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Das HZDR forscht in den Bereichen Energie, Gesundheit und Materie mit dem Schwerpunkt auf effizienter und nachhaltiger Ressourcennutzung, verbesserten Methoden zur Krebsdiagnostik und -therapie sowie der Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen. Es betreibt bedeutende Forschungseinrichtungen wie das Ionenstrahlzentrum, das Hochfeld-Magnetlabor Dresden und das ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Mit sieben Standorten und rund 1.500 Beschäftigten, darunter etwa 700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ist das HZDR Teil der Helmholtz-Gemeinschaft.
