Egal ob in wasserabweisenden Gore-Tex Bekleidungen, antihaftbeschichteten Teflon-Pfannen oder Fast-Food-Verpackungen, per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind mittlerweile allgegenwärtig in unserer Gesellschaft. Obwohl die Gefahren, insbesondere im Zusammenhang mit Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen, schon seit den 1950er Jahren bekannt sind, gelangten PFAS über Jahrzehnte hinweg in grenzwertüberschreitenden Mengen in die Umwelt und das Trinkwasser, wodurch diese inzwischen bei über 90% der deutschen Bevölkerung in erhöhter Konzentration im Blut vorhanden sind. Ein wichtiger Punkt hierbei ist ihre Stabilität, die die Akkumulation in der Umwelt weiterhin vorantreibt. Da der Einsatz von PFAS in vielen Bereichen alternativlos ist, ist ein schadstofffreier Abbau ohne Zurücklassen von toxischem Material unbedingt nötig.
Gängige Abbaumethoden lassen jedoch kurzkettige, weiterhin toxische und persistente Fragmente in der Umwelt zurück und sind abhängig von außerordentlich energie- und kostenintensiven Entsorgungsmethoden wie in Sondermüll-Verbrennungsanlagen. Angesichts dieser Aspekte bleiben kontaminierte Standorte in Deutschland bisher weitgehend unbehandelt, was bewirkt, dass sich die Problematik der PFAS-Akkumulation immer weiter aggraviert und die Umwelt Schaden nimmt.
Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, ein skalierbares, reduktives Gesamtsystem in Form eines Durchflussreaktors zum Abbau von PFAS zu etablieren, das in der Lage ist, die Stoffe vollständig zu ungiftigen Abfallprodukten zu mineralisieren. Die Hauptaspekte hierbei sind (1) zunächst die Bereitstellung einer möglichst hohen Oberfläche für die Adsorption der PFAS, (2) die Mineralisierung der Fragmente und deren vollständigen Abbau in ungiftige Produkte und (3) das Design eines vollständigen Durchflusssystems, in welchem (1) und (2) kombiniert werden.
Kernpunkt des Vorhabens ist der Einsatz nanostrukturierter Materialien, welche als Plattform für die Adsorption und den reduktiven Abbau der PFAS dienen. Konkret sollen elektrogesponnene Fasermatten eingesetzt werden, die sich durch ihre hohe Materialeffizienz und große Adsorptionsoberfläche auszeichnen. Polymere wie Polyvinylpyrrolidon (PVP) sind gängige Ausgangsmaterialien für die Komposit-Nanofasern, welche im Anschluss karbonisiert werden können, um sie leitfähig und damit als Elektrode einsetzbar zu machen.
Die für den reduktiven PFAS-Abbau nötigen Ladungsträger sollen durch ein lichtabsorbierendes Halbleitermaterial, wie z.B. ungiftiges und bereits gut erforschtes TiO2, bereitgestellt werden, das direkt in die Fasern integriert werden kann. Weiterhin sollen Additive wie Silizium ebenfalls direkt in die Fasermatten integriert werden, um die Triebkraft der Zersetzung zu erhöhen.
Darauf aufbauend wird final ein im Labormaßstab anpassbares und systematisch analysierbares Grundsystem produziert, welches durch seine flexible Herstellung und Kombination aller Einzelkomponenten unmittelbar skalierbar und somit industriekompatibel ist. Das vorgestellte Projekt verspricht somit, einen bedeutenden Beitrag zur Eliminierung der weltweit zunehmenden PFAS-Belastung zu leisten.