Aus der Branche

PFAS, einige Vertreter der Chemikaliengruppe PFAS werden inzwischen als gesundheitsgefährdend oder sogar krebserregend eingestuft. Die Europäische Union will eine Reihe kritischer PFAS verbieten und fördert in vier großen Verbundprojekten die Entwicklung von Ersatzmaterialien, z. B. im EU-Projekt ZeroF. In diesem Projekt entwickelt das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC im Verbund mit Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen Lösungen für PFAS-freie Lebensmittelverpackungen und Textilien.
 
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen – kurz PFAS – sind Universaltalente in der Chemie: verhältnismäßig günstig herzustellen und überall da einsetzbar, wo es um besonders widerstandsfähige, glatte, öl- und wasserabweisende Oberflächen und Vollmaterialien geht. Sie sind temperatur- und chemikalienbeständig, werden als Hilfsmittel in der Produktion eingesetzt und sind selbst Bestandteil vieler Produkte – z. B. in Lebensmittelverpackungen, Kosmetika, Arzneimitteln, Pflanzenschutzmitteln, Textilien, Imprägnierungsmitteln und Löschschäumen. In die Umwelt gelangen sie durch Abwässer, als Abrieb oder Aerosol, sowie über die Ackerböden ins Grundwasser und in die Nahrungskette. Dort bleiben sie bestehen – als „Ewigkeits-Chemikalien“ können sie nicht auf natürlichem Wege abgebaut werden. In der EU ließen sich PFAS in mehr als 70 % der Grundwasser-Messtellen nachweisen. Der „Nordische Ministerrat“, ein Zusammenschluss v. a. skandinavischer Länder, hat 2019 eine Studie zu den sozioökonomischen Auswirkungen von PFAS vorgestellt. Die Studie schätzt die Gesundheitskosten durch PFAS-bedingte Erkrankungen auf mindestens 50 Milliarden Euro in der EU und bringt rund 12 000 Todesfälle in den direkten Zusammenhang mit PFAS.
 
Das Verbot von besonders kritischen Vertretern aus der PFAS-Familie, das für 2023 von der EU-Kommission geplant ist, kommt nicht unerwartet, doch es stellt die Industrie auch vor erhebliche Schwierigkeiten. So einfach lassen sich PFAS aufgrund ihrer Eigenschaftsprofile und deren Bandbreite nicht ersetzen. Für besonders relevante Bereiche (Arzneimittel, Pflanzenschutz) sind Ausnahmeregelungen vorgesehen, außerdem gelten die üblichen Übergangsfristen. Doch die Umstellung auf eine PFAS-freie Produkte ist für die Industrie nicht zuletzt deshalb notwendig, weil PFAS-Produzenten signalisieren, sich in naher Zukunft komplett vom europäischen Markt zurückziehen zu wollen. Um den umweltfreundlichen Ersatz von PFAS voranzubringen, fördert die EU derzeit in vier großen Verbundforschungsprojekten die Entwicklung von unschädlichen Alternativen in ihren jeweiligen Hauptanwendungsfeldern.
 
ZeroF – umweltfreundliche Beschichtungen für die Verpackungs- und Textilindustrie
Eines dieser Schlüsselprojekte ist das Projekt ZeroF, das sich mit PFAS-Alternativen für Lebensmittelverpackungen und Textilien beschäftigt. Das Fraunhofer ISC ist in ZeroF maßgeblich an der Entwicklung von omniphoben (öl- und wasserabweisenden) und abriebbeständigen Beschichtungen für Textilien beteiligt. Mit der Stoffklasse der ORMOCER®-Lacke stellt das Fraunhofer ISC ein vielseitiges Basismaterial zur Verfügung, das mit den vom Projektpartner VTT hergestellten cellulosebasierten Materialien kombiniert werden soll. „Die Herausforderung für uns besteht vor allem darin eine wasserabweisende Beschichtung für Textilien herzustellen, die gleichzeitig als wasserbasierte Lösung appliziert werden kann, da dies eine Vorgabe der Textilindustrie ist,“ so Dr. Claudia Stauch, Projektleiterin am Fraunhofer ISC. „Das ORMOCER® als hybrides Material erlaubt es uns, anorganische und organische Materialeigenschaften zu kombinieren und so unendlich viele Stellschrauben für diese komplexe Fragestellung zu generieren.
 
Der Einsatz der neu entwickelten ZeroF Materialien hängt auch von der Akzeptanz in der Industrie ab. Um wirtschaftlichen Schaden abzuwenden, dürfen die Unternehmen, die jetzt PFAS einsetzen, nicht mit dem Verbot und seinen Folgen allein gelassen werden. „Nicht immer wird der volle Funktionsumfang von PFAS auch wirklich benötigt. Für manche der jetzigen Anwendungsfelder, in denen es nur um ein oder zwei Schlüsseleigenschaften aus dem ganzen PFAS-Spektrum geht, gibt es bereits jetzt gute und kurzfristig einsetzbare Lösungen,“ erklärt die Wissenschaftlerin.

Projektinformationen:
 
ZeroF – Development of verified safe and sustainable PFAS-free coatings for food packaging and upholstery textile applications
Grant agreement ID: 101092164

TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY (Koordination), Finnland
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Deutschland
ASSOCIACIO AGRUPACIO D'EMPRESES INNOVADORES TEXTILS (AEI), Spanien
E.CIMA SA, Spanien
IDEAconsult, Bulgarien
KEMIRA OYJ, Finnland
ACONDICIONAMIENTO TARRASENSE ASSOCIACION (LEITAT), Spanien
LGI SUSTAINABLE INNOVATION, Frankreich
LUXEMBOURG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY LIST, Luxemburg
TEMAS Solutions, Schweiz
Università di Bologna, Italien
Yangi, Schweden

Aufgrund ihrer besonderen physikalisch-chemischen Eigenschaften – wasser-, fett- und schmutzabweisend sowie chemisch und thermisch stabil – sind Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) in vielen zukunftsrelevanten Technologien, aber auch Alltagsprodukten essenziell. Die hohe Stabilität der Verbindungen und ihre allgegenwärtige Verbreitung können auch Gefahren für Mensch und Umwelt, insbesondere in wässriger Umgebung und in Böden. PFAS sind teilweise toxisch, z. B. fortpflanzendgefährdend oder krebserregend. Die EU plant ein pauschales Herstellungs- und Einsatzverbot. Im Rahmen eines Informationsaustauschs besuchte NRW-Umweltminister Oliver Krischer die Cornelsen Umwelttechnologie GmbH, um gemeinsam mit Verantwortlichen der IHK, der ZENIT GmbH und der Business Metropole Ruhr GmbH über die künftigen Herausforderungen bei der Beseitigung von PFAS und im Speziellen über die Aufbereitungstechnologie PerfluorAd® zu sprechen. Ebenfalls dabei war das Fraunhofer UMSICHT als (Mit-)Erfinder der Technologie und Forschungspartner von Cornelsen.

Zukunftsrelevante Technologien wie Brennstoffzellen oder Li-Ionen-Batterien, Alltagsprodukte wie Outdoor-Textilien oder Kosmetika, diverse Funktionsbeschichtungen und Feuerlöschmittel enthalten PFAS. Für zahlreiche der genannten Anwendungen gibt es noch keine fluorfreien Alternativen. Der nationale Wasserstoffrat empfiehlt aus diesem Grund eine vertiefende Forschung und Ausnahmeregelungen, bis umweltfreundliche Lösungen verfügbar sind.

Aufbereitungskosten minimieren und Umwelt schonen
Das Fraunhofer UMSICHT und Cornelsen waren mit Beginn ihrer Forschungsaktivitäten zu PFAS im Jahr 2008 die Ersten in Deutschland, die sich mit deren anspruchsvoller Beseitigung aus kontaminiertem Grundwasser, Sickerwasser und Industrieabwasser beschäftigten. Gemeinsam wurde das patentgeschützte PerfluorAd®-Verfahren entwickelt, mit dem sich PFAS effektiv und kostengünstig aus Löschwasser entfernen lassen. Die am Brandort verbleibenden PFAS-haltigen Reste an Schaum bzw. Wasser werden direkt aufgefangen – z. B. in speziellen Löschwasser-Auffangbecken von Industrieanlagen. Die anschließende Aufbereitung und Dekontaminierung kann, je nach Begebenheit, vor Ort oder extern erfolgen.

Mittlerweile hat Cornelsen viele unterschiedliche Wasseraufbereitungsprojekte und Dekontaminierungen von PFAS-belasteten Systemen durchgeführt. Das PerfluorAd®-Verfahren ist auf weitere Anwendungsfälle übertragbar und lässt sich mit verschiedenen PFAS-Aufbereitungstechnologien wie Ionenaustausch, Membranverfahren oder Aktivkohleadsorption kombinieren.

Während Cornelsen die verfahrenstechnische Umsetzung verantwortet, hat das Fraunhofer UMSICHT in den Bereichen Analytik, Chemie und IP zum Gelingen des PerfluorAd®-Verfahrens beigetragen.

Der Spezialchemie-Konzern LANXESS präsentierte vom 2. bis 5. November 2021 auf der Aquatech in Amsterdam, Niederlande, sein umfassendes Portfolio rund um die Reinigung, Aufbereitung und Behandlung von Wasser. So sind Ionenaustauscher etwa bei der Gewinnung von Reinstwasser für die Halbleiterindustrie oder zur selektiven Entfernung von Schadstoffen unentbehrlich geworden: in der Abwassereinigung, aber auch bei der Trinkwasseraufbereitung.

Behandlung von PFAS-haltigem Wasser
Aktuell im Fokus steht zum Beispiel die weltweit verbreitete Kontamination von Wasser mit einer Vielzahl per- und polyfluorierter Alkylverbindungen (PFAS, per- and polyfluoroalkyl substances), etwa aus Feuerlöschschäumen, Textil- und Papierimprägnierungen oder Schmierstoffen. Alle PFAS enthalten Kohlenstoff-Fluor-Verknüpfungen. Diese gehören zu den stärksten Bindungen in der organischen Chemie. Daher sind die Substanzen biologisch schwer abbaubar – ein Vorteil bei ihrem Einsatz, aber nachteilig, wenn sie in die Umwelt gelangen. Vertreter dieser Verbindungsklasse reichern sich nach der Aufnahme auch im Körper von Lebewesen an. Ihre Langlebigkeit macht es erforderlich, selbst Spuren aus Abwasser zu entfernen und kontaminiertes Grundwasser zu sanieren. Dabei gilt es, teilweise sehr niedrige nationale und regionale Grenzwerte im ppt-Bereich einzuhalten.

Dies gelingt besonders gut mit dem Anionenaustauscherharz Lewatit TP 108 DW. Es bindet selbst PFAS-Spuren bis in den ppt-Bereich zuverlässig. Daher und aufgrund seiner größeren nutzbaren Aufnahmekapazität von bis zu 100 g/l – selbst in Gegenwart von Chloriden und Sulfaten – ist das Verfahren der konventionellen Filtration über Aktivkohle deutlich überlegen. So liegen die Standzeiten bis zu fünffach über denen von Aktivkohlefiltern.
 
Auch zur Entfernung von PFAS in höherer Konzentration lassen sich Ionenaustauscher einsetzen. Das gelingt etwa in einem zweistufigen Verfahren unter Einsatz des regenerierfähigen, schwach basischen Lewatit MP 62 WS in Kombination mit stark basischem Lewatit K 6362 zur anschließenden Feinreinigung.
 
LewaPlus – Schlüssel zu überlegenen Systemkonfigurationen
Die kombinierte Berechnungs- und Auslegungssoftware
LewaPlus ermöglicht die Planung von Ionenaustausch-, Umkehrosmose- und Ultrafiltrations-Systemen in den vielfältigen Systemkonfigurationen, die die Lewatit-Produkttechnologie erlaubt.