US-Forschern gelingt es, gefährliche Substanzen im Wasser für immer zu beseitigen
Die Verwendung von antihaftbeschichtetem Kochgeschirr zum Braten von Speck und Eiern kann das Leben in diesem Moment einfacher machen, aber Wissenschaftler glauben, dass es langfristig Folgen haben könnte, weil die Chemikalien, die zur Herstellung der Antihaftbeschichtung verwendet werden, so schwer zu zerstören sind. Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen – allgemein bekannt als PFAS und oft als Chemikalien für die Ewigkeit bezeichnet – sind allgegenwärtig. PFAS, eine Reihe von Tausenden von Chemikalien, die es mindestens seit den 1950er Jahren gibt, werden für eine Vielzahl von Dingen verwendet, vom Fleckenschutz auf Ihrer Kleidung und Bettwäsche bis hin zu den Lebensmittelverpackungen auf Ihren Burgern. Forscher des Fermi National Accelerator Laboratory vom US-Energieministeriums haben in Zusammenarbeit mit 3M erfolgreich nachgewiesen, dass ein Elektronenstrahl die beiden häufigsten Arten von PFAS in Wasser – PFOA und PFOS – zerstören kann.
Fermilab – Foto © Reidar Hahn – from en.wikipedia.org, uplod from Riffsyphon1024, Gemeinfrei, commons.wikimedia.org
Das Fermi National Accelerator Laboratory oder kurz Fermilab ist ein Forschungszentrum für Teilchenphysik, das vom US-Energieministerium betrieben wird. Es liegt etwa 50 Kilometer westlich von Chicagound beherbergte von 1983 bis 2011 das Tevatron, das am 30.11.2009 vom Large Hadron Collider als energiereichster Teilchenbeschleuniger der Welt abgelöst wurde. (https://de.wikipedia.org/wiki/Fermi_National_Accelerator_Laboratory)
Das Problem besteht darin, dass PFAS durch natürliche Prozesse nicht wirksam abgebaut werden können, so dass sie sich in der Umwelt und im Körper anreichern, ähnlich wie Styropor in einer Mülldeponie. Experten aus Wissenschaft und Industrie suchen nach Wegen, um die Kontamination durch PFAS in Zukunft zu verhindern, aber auch, um die heute bereits vorhandene Kontamination zu verringern.
Es hat sich herausgestellt, dass hochenergetische Elektronenstrahlen hervorragend geeignet zur Zerstörung von PFAS in der Umwelt sind. Forscher des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums haben in Zusammenarbeit mit 3M erfolgreich nachgewiesen, dass ein Elektronenstrahl die beiden häufigsten Arten von PFAS in Wasser – PFOA und PFOS – zerstören kann. „Der Elektronenstrahl ist eine vielversprechende Technologie zum Abbau von PFAS in großen Wassermengen, die hohe PFAS-Konzentrationen enthalten“, so Charlie Cooper, Leiter der Forschungsabteilung des Fermilab.
Das Fermilab-Team, dem die Wissenschaftlerin Slavica Grdanovska, der Ingenieurphysiker Yichen Ji und Cooper angehören, nutzte für seine Tests einen Elektronenstrahlbeschleuniger des Labors. Der Beschleuniger A2D2 (Accelerator Application Development and Demonstration) im Illinois Accelerator Research Center auf dem Campus des Fermilab wird für Proof-of-Concept-Tests verwendet und steht auch der Industrie, Universitäten und anderen Bundeslabors als Forschungsinstrument zur Verfügung. „Die Tatsache, dass wir mit 3M, einem weltweiten Experten für PFAS, zusammengearbeitet haben, war das erste Mal, dass Experten für ionisierende Strahlung, Elektronenstrahlbeschleuniger und PFAS am selben Projekt gearbeitet haben“, so Cooper.
Elektronenstrahlen als Retter in der Not
Herkömmliche Wasseraufbereitungsmethoden wie Umkehrosmose, körnige Aktivkohle oder Ionenaustauschharze zerstören PFAS nicht; sie konzentrieren PFAS lediglich in einer Form, die anschließend behandelt oder entsorgt werden muss. In einigen Fällen können herkömmliche Wasseraufbereitungsverfahren die Umweltverschmutzung sogar noch verschlimmern.
Im Gegensatz dazu zerstört der Elektronenstrahl die Chemikalien aktiv und schnell, so dass ein größeres Wasservolumen in der gleichen Zeit behandelt werden kann wie mit anderen Methoden. PFAS-Moleküle sind schwer aufzuspalten, weil sie eine Kohlenstoff-Fluor-Bindung enthalten, die sehr stark ist und der Grund dafür ist, dass PFAS häufig in der chemischen Industrie verwendet werden. Die Stärke dieser C-F-Bindung ist aber auch der Grund dafür, dass sie in der Natur nicht abgebaut werden. Mit dem Elektronenstrahl kann diese C-F-Bindung jedoch sehr effektiv gebrochen werden. Elektronenstrahlen können bei Pump-and-Treat-Methoden eingesetzt werden, einer gängigen Methode zur Grundwasserbehandlung, oder in einer Produktionsanlage, um Abfallströme direkt zu behandeln, bevor sie die Anlage verlassen.
Nachweis der Wirksamkeit
Das Fermilab-Team verwendete PFAS-kontaminierte Wasserproben, die von 3M zur Verfügung gestellt wurden und in gasdichten Behältern von der Größe eines Whiteboard-Markers versiegelt waren. Jeder der Behälter bestand aus Borosilikatglas, das durch die Einwirkung von Elektronenstrahlen nicht wesentlich beeinträchtigt wird, und eine Aluminiumdichtung wurde auf das Glas gepresst, wobei sich zwischen Aluminium und Glas ein Stück PFAS-freier Gummi befand. Es wurde sehr sorgfältig darauf geachtet, dass sich keine PFAS in den Materialien befanden, in denen die Proben untergebracht waren. Das Fermilab bestrahlte diese Proben mit dem Elektronenstrahl und schickte sie an 3M zurück. 3M untersuchte sowohl den Kopfraum – die Luft am oberen Rand des Behälters – als auch die Flüssigkeit, um zu überprüfen, ob die bedenklichen PFAS zerstört wurden, ohne gefährliche Produkte in die Luft freizusetzen.
PFAS sind in vielen Industriezweigen weit verbreitet, ebenso wie die Abhängigkeit der Menschen von wichtigen Produkten, die PFAS enthalten, z. B. Computer und Lithium-Ionen-Batterien. Eines der problematischsten PFAS-haltigen Produkte im Hinblick auf die Umweltverschmutzung war in der Vergangenheit wässriger filmbildender Schaum (AFFF), der zur Brandbekämpfung auf Flughäfen und beim Militär verwendet wurde und aus PFOA und PFOS besteht. Wenn man AFFF auf eine Flüssigkeit sprüht, gelangt es an die Oberfläche und löscht das Feuer, indem es verhindert, dass Sauerstoff an die Flüssigkeit gelangt. Bei der Verwendung kann es jedoch in den Boden und das Grundwasser sickern. AFFF wird in den Vereinigten Staaten und weltweit seit Jahrzehnten verwendet, vor allem von der Militär- und Luftfahrtindustrie. Vor kurzem haben sowohl die Regierung als auch die Industrie begonnen, PFAS-freie Ersatzstoffe zu untersuchen. Für viele Anwendungen gibt es jedoch keine Alternativen, sie sind schwer zu finden oder weniger wirksam.
Obwohl Elektronenstrahlen sehr effektiv sind, um ganze Reihen von PFAS-Verbindungen abzubauen, wurde bisher nicht jede Verbindung getestet. Die Forscher fanden heraus, dass alle PFAS-Verbindungen, deren Regulierung im Trinkwasser die US-Umweltschutzbehörde derzeit in Erwägung zieht, durch die Elektronenstrahltechnologie wirksam zerstört wurden. Es kann jedoch Arten von PFAS geben, die ein Elektronenstrahl nicht zerstören kann.
Die Forschung wird an mehreren Fronten fortgesetzt, um Alternativen zu PFAS zu finden. Gleichzeitig werden führende Vertreter aus Wissenschaft und Industrie weiterhin nach Methoden suchen und diese verbessern, um diese Chemikalien für immer aus der Umwelt zu verbannen. Fermilab und seine Elektronenstrahltechnologie stehen bei dieser Forschung an vorderster Front.
->Quelle: fnal.gov/researchers-at-fermilab-use-electron-beams-to-eradicate-forever-chemicals-in-water