Arizona State University entwickelt neue Technologie zur effektiven Beseitigung von über 90 % der „ewigen Chemikalien“ im Wasser

Die Forscher der Arizona State University haben eine neue Technologie entwickelt, die per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) zerstören kann, die oft als „ewige Chemikalien“ bezeichnet werden. Ewige Chemikalien sind eine Klasse von synthetischen Substanzen, die bis heute nicht verrotten, oxidieren oder sich in Sonnenlicht oder Boden zersetzen. In einer Studie entwarf ein internationales Konsortium eine katalytische „Jäger-Killer“-Membran, um diese giftigen Moleküle zu eliminieren. „Jeder von uns hat PFAS in seinem Körper. Diese Substanzen sind in der Umwelt persistent und steigen in der Nahrungskette an, weshalb sie ein großes Erbeproblem darstellen.“

Bruce Rittmann, Direktor des Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, erklärte.

Traditionelle Wasseraufbereitungsmethoden wie Aktivkohlefilter, Ionenaustauschharze und Umkehrosmose-Techniken können giftige PFAS aus Trinkwasser entfernen. Diese Methoden können jedoch diese Chemikalien nicht zerstören, sondern fangen nur die Schadstoffe ein. Darüber hinaus hinterlassen diese Prozesse konzentrierte Salzwasser und gefährliche Abfallfilter, die letztendlich von den Anlagen entsorgt oder verbrannt werden, was das Problem eher verzögert als löst. „PFAS sind schwer abzubauen, normale Aufbereitungsprozesse sind nicht effektiv.“ fügte Rittmann hinzu. Der Grund für diese Widerstandsfähigkeit liegt in der Kohlenstoff-Fluor-Bindung, die in der organischen Chemie als die stärkste Bindung gilt.

Fluoratome schützen das Kohlenstoffgerüst wie eine gepanzerte Rüstung, sodass Mikroben es nicht verdauen können und Chemikalien nicht eindringen können. „Es gibt tatsächlich keinen Ausgangspunkt für den Abbau.“ erklärte Rittmann.

Funktionsweise der neuen Technologie

Um dieses Problem zu lösen, arbeitete Rittmanns Team mit Partnern von der Rice University, der Tongji University, der National University of Singapore und der Nanjing University zusammen und wandte sich einer cleveren molekularen Paarungsmethode zu. Die Forscher bauten eine Hohlfasermembran, deren Außenseite mit Platin-Nanopartikeln beschichtet ist, anstatt PFAS in offenen Gewässern anzugreifen. Der Prozess beginnt von innen. Druckwasserstoff strömt durch die kleinen Hohlfaserröhren, breitet sich nach außen aus, bis er auf den Platin-Katalysator trifft. Dieser Katalysator spaltet gepaarte Wasserstoffmoleküle in hochreaktive einzelne Wasserstoffatome.

Gleichzeitig haften die im umgebenden Wasser schwebenden PFAS-Moleküle an der Platinoberfläche, wodurch reaktive Wasserstoffe und Zielverunreinigungen zur Eliminierung zusammengebracht werden. Wenn das Ziel mit aktivem Wasserstoff an der Oberfläche zusammentrifft, fördert der Katalysator eine heftige chemische Reaktion. Der Wasserstoff entfernt den schützenden Fluoranteil und entzieht den Molekülen ihre „ewigen“ Superkräfte, wodurch sie in harmlose Bestandteile zurückgeführt werden.

Herausforderungen und Zukunft der Technologie

In einem 58-tägigen kontinuierlichen Test behandelte das System Wasser, das sechs verschiedene regulierte Prioritäts-PFAS-Verbindungen enthielt, und entfernte über 90 % jeder Verbindung sowie 83 % des gesamten Fluors. Berichten zufolge sind hochkonzentrierte PFAS in Grundwasser an Militärstützpunkten, kommunalen Deponien, Flughäfen und Kläranlagen weltweit verbreitet. Diese Toxine reichern sich in Pflanzen, Tieren und menschlichen Geweben an und stehen im Zusammenhang mit Nierenkrebs, Schilddrüsenerkrankungen, Immunfunktionsstörungen und Entwicklungsverzögerungen. Ein universeller Mechanismus, der in der Lage ist, die gesamte Verbindungsklasse abzubauen, könnte die Art und Weise der Umweltreinigung verändern.

Bevor diese Technologie in kommunalen Wassersystemen eingesetzt werden kann, müssen jedoch mehrere Herausforderungen bewältigt werden. Beispielsweise muss die benötigte Platinmenge minimiert werden, um die Kosten zu senken. Der Handelspreis dieses Edelmetalls liegt bei etwa US$50,000 pro Kilogramm (ca. HK$390,000). Die tatsächliche Implementierung könnte die Reaktoren mit bestehenden Filtrationsmethoden kombinieren, um zunächst das kontaminierte Wasser zu konzentrieren, was es dem Katalysesystem ermöglicht, die erzeugten Abwässer effektiv zu beseitigen. Das Auftauchen der Jäger-Killer-Chemie deutet darauf hin, dass dieses persistente toxische Erbe letztendlich beendet werden könnte.