Im Kampf gegen die Umweltverschmutzung, insbesondere die anhaltende Belastung des Wassers mit gefährlichen Chemikalien, hat ein Forscherteam in Japan einen bahnbrechenden Ansatz entwickelt. Durch die Nutzung von Lignin und Glukose, zwei kohlenstoffreichen Substanzen, haben sie innovative Materialien geschaffen, die schädliche „Ewigkeitschemikalien“ – perfluorierte und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) – aus dem Wasser entfernen sollen.
PFAS sind eine breite Gruppe synthetischer Chemikalien, die in unzähligen Alltagsprodukten vorkommen, von Antihaft-Kochgeschirr und wasserabweisenden Textilien bis hin zu Feuerlöschschäumen und Halbleitern. Ihre einzigartige Beständigkeit gegenüber Hitze, Wasser und Öl, die auf starken chemischen Bindungen beruht, macht sie äußerst nützlich. Doch genau diese Beständigkeit wird ihnen auch zum Verhängnis. PFAS bauen sich in der Umwelt nur schwer ab, weshalb sie auch als „Ewigkeitschemikalien“ bezeichnet werden. Infolgedessen reichern sich diese Substanzen im Boden, im Wasser und sogar im menschlichen Körper an und stellen somit ein erhebliches Risiko für die menschliche Gesundheit und die Umwelt dar.
Aufgrund ihrer Persistenz wurden PFAS in vielen Ländern im Rahmen internationaler Umweltabkommen verboten. Trotzdem ist die Kontamination weiterhin weit verbreitet; aktuelle Studien weisen PFAS in Böden, Flüssen und Grundwasser nach. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit wirksamer Methoden zur Entfernung dieser Chemikalien aus dem Wasser. Leider mangelt es derzeit an nachhaltigen und effizienten Technologien, um dieses Problem anzugehen.
Als Antwort auf diese Herausforderung hat ein Forschungsteam des Institute of Science Tokyo unter der Leitung von Associate Professor Toshihiro Isobe vom Fachbereich Materialwissenschaften und Professor Manabu Fujii vom Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen eine vielversprechende Lösung entwickelt. Ihr innovativer Ansatz nutzt kohlenstoffbasierte Materialien zur effizienten Entfernung von PFAS aus Wasser. Die Arbeit des Teams umfasst zwei Schlüsselentwicklungen: ein neuartiges Adsorptionsmittel, das PFAS an seiner Oberfläche bindet, und ein Membrandestillationssystem (MD) zur Reinigung von kontaminiertem Wasser.
Durch die Verwendung von Lignin – einem Nebenprodukt der Zellstoff- und Papierindustrie – und Glukose, einem Einfachzucker, als Kohlenstoffquellen haben die Forscher nachhaltige Materialien entwickelt, die PFAS effektiv aus Wasser entfernen können. Das von ihnen entwickelte MD-Verfahren kombiniert Destillation mit Membrantrennverfahren und bietet somit eine neue, effiziente Strategie zur Reinigung von mit diesen schädlichen Chemikalien belastetem Wasser.
„Diese Forschung ist spannend, weil sie reichlich vorhandene und nachhaltige Kohlenstoffquellen wie Lignin und Glukose nutzt, um ein drängendes Umweltproblem anzugehen“, erklärte Professor Isobe. „Durch die Integration der Membrandestillation entwickeln wir einen innovativen Ansatz zur Wasserreinigung, der für die Zukunft von PFAS-Entfernungstechnologien von entscheidender Bedeutung sein könnte.“
Die bahnbrechenden Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich auf dem 23. Internationalen Symposium über die Verarbeitung und das Design von Öko-Materialien vorgestellt und unterstrichen das Potenzial dieser neuartigen Materialien, zu den globalen Bemühungen um saubereres Wasser und eine gesündere Umwelt beizutragen.
Dieser innovative Ansatz könnte nicht nur dazu beitragen, gefährliche Chemikalien aus dem Wasser zu entfernen, sondern auch den Weg für nachhaltigere Reinigungstechnologien in der Zukunft ebnen und damit das Ziel 6 für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen – sauberes Wasser und sanitäre Einrichtungen für alle – unterstützen.
Innovative Methoden zur Reinigung von PFAS-belastetem Wasser mithilfe kohlenstoffbasierter Materialien
Der innovative Ansatz des Forschungsteams zur PFAS-Entfernung nutzt einen entscheidenden Unterschied zwischen Wasser und PFAS – ihre unterschiedlichen Siedepunkte. Mithilfe der Membrandestillation (MD) gelang es dem Team, mit PFAS kontaminiertes Wasser zu reinigen. Das Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass Wasser einen niedrigeren Siedepunkt als PFAS hat, sodass die PFAS zurückgehalten werden, während nur Wasserdampf hindurchtritt.
Die Wissenschaftler verwendeten in dem MD-System eine hydrophobe, poröse Trennmembran auf Kohlenstoffbasis, die PFAS effektiv zurückhielt, während Wasserdampf entweichen konnte. Diese selektive Filtration gewährleistet, dass schädliche Chemikalien wie Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) im System zurückgehalten werden. Die Ergebnisse ihrer Experimente zeigten eine signifikante Reduzierung der PFOS-Konzentrationen: Simuliertes Wasser mit einem PFOS-Gehalt von etwa 500 ng/L sank auf nur noch 3 ng/L, deutlich unter die globalen Umweltstandards.
Neben der MD-Methode untersuchte das Team auch einen weiteren Ansatz zur Bekämpfung der PFAS-Kontamination – die Verwendung von Lignin-basierten Adsorbentien. In einer Reihe von Experimenten stellten sie fest, dass bereits geringe Mengen Aktivkohle, die mit Zinkchlorid im Verhältnis 1:3 behandelt wurde, bis zu 99 % der PFAS innerhalb von nur 10 Minuten effektiv entfernen konnten. Diese Erkenntnis legt nahe, dass diese Adsorbentien als hocheffiziente Werkzeuge zur PFAS-Entfernung dienen und eine nachhaltige und schnelle Lösung bieten könnten.
Insgesamt demonstriert die Arbeit des Teams das Potenzial kohlenstoffbasierter Materialien zur Bewältigung der Umweltproblematik der PFAS-Kontamination. Ihre Forschung liefert eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Reinigungstechnologien, die zur Lösung anhaltender Umweltprobleme beitragen können.
Professor Isobe blickt mit Plänen zur Verbesserung des MD-Reinigungsverfahrens in die Zukunft. „Aktuell nutzen wir Heizgeräte und Vakuumpumpen, um den Wasserdampfstrom während der PFAS-Entfernung zu erhöhen“, erklärte er. „Unser Ziel ist es jedoch, auf Solarheizung umzusteigen, um ein stromloses System zu schaffen und es so nachhaltiger und effizienter zu gestalten.“
Diese aufregende Entwicklung ist ein wichtiger Schritt hin zu nachhaltigen Lösungen für die Wasseraufbereitung und bietet Hoffnung auf saubereres und sichereres Wasser im Kampf gegen schädliche chemische Verschmutzung.
