Ein internationales Forschungsteam hat ein neuartiges Filtermaterial entwickelt, das bei der Bekämpfung von PFAS, den als „Ewigkeitschemikalien“ bekannten Verbindungen, eine Schlüsselrolle spielen könnte. PFAS, oder per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, sind in zahlreichen Alltagsprodukten wie Outdoor-Bekleidung und Antihaftbeschichtungen wie Teflon zu finden. Ihre besonderen Eigenschaften wie Widerstandsfähigkeit gegen Hitze und Wasserabweisung machen sie zwar nützlich, doch gleichzeitig führen diese Merkmale dazu, dass sie in der Umwelt kaum abgebaut werden und potenziell gesundheitsschädlich sind. Diese Chemikalien finden sich auch in Abwässern, und ihre Entfernung aus diesen ist oft komplex und ressourcenintensiv.
Das Forschungsteam, geleitet von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), hat ein innovatives Filtermaterial entwickelt, das auf einer neuartigen Produktionsmethode basiert. Kritische Experimente zur Verfeinerung dieses Verfahrens fanden an der Röntgenquelle PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) statt. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „small“ veröffentlicht.
Die neu entwickelten Filterstrukturen, die als „kovalente organische Gerüststrukturen“ bezeichnet werden, sind mit nanometerkleinen Poren ausgestattet, die es ermöglichen, PFAS-Moleküle effektiv einzufangen. Die Herstellung dieser Nano-Gerüste erfolgt durch ein mechanochemisches Verfahren in einer speziellen Kugelmühle. BAM-Forscherin Franziska Emmerling beschreibt den Prozess: „Wir verwenden einen kleinen Kunststoffzylinder, der etwa die Größe eines Filmdöschen hat. Darin geben wir etwas Pulver, einen Tropfen Lösungsmittel und zwei Stahlkugeln, die der Größe von Pfefferkörnern entsprechen.“ Diese Kugelmühle funktioniert durch eine spezielle Mechanik, die die Kugeln mehr als 30 Mal pro Sekunde hin und her bewegt, wodurch das Material zerkleinert wird.
Im ersten Schritt wird das Pulver kleiner, was die Oberfläche vergrößert. Nach einigen Minuten kann es aufgrund von Reibungswärme, Druck und Bewegungsenergie zu einer chemischen Reaktion kommen, bei der sich die Partikel zu größeren Strukturen verbinden, die als Filter geeignet sind. Dieses Verfahren, bekannt als Mechanochemie, hat eine lange Geschichte und könnte bereits in der Antike eine Rolle bei der Freisetzung von Arzneiwirkstoffen gespielt haben. Heute wird Mechanochemie industriell für die Synthese von Medikamenten und Funktionalitäten eingesetzt und gilt als umweltfreundlich, da es oft ohne große Mengen toxischer Lösungsmittel und mit geringem Energieaufwand auskommt.
Die Forscher in Hamburg untersuchten, wie sich die Filtergerüste optimal in der Kugelmühle herstellen lassen. Mithilfe des hochintensiven, gebündelten Röntgenlichts von PETRA III konnten sie während des Mahlvorgangs in Echtzeit die Kristallstrukturen analysieren. „Wir konnten beobachten, wie die Muster der Ausgangsstoffe schwächer wurden und die Struktur der neuen Chemikalie, der Gerüststrukturen, erschien“, erklärt Physiker Martin Etter.
Um die besten Prozessparameter zu ermitteln, variierte das Team unter anderem die Frequenz der Kugelmühle und die Menge des verwendeten Lösungsmittels. Die Ergebnisse zeigten, dass die optimalen Filterstrukturen bei einer Frequenz von 36 Hertz, einer Pulvermenge von 266 Milligramm und einer Lösungsmittelzugabe von 250 Mikrolitern hergestellt wurden. Im Gegensatz zu anderen Filtrationsmaterialien, die Schwermetalle enthalten, ist dieses neue Material umweltfreundlicher.
Obwohl die Herstellung der Filterstrukturen im industriellen Maßstab noch ungeklärt ist, sieht Etter vielversprechende Anwendungen für die Technologie. „Diese Filter könnten in Kläranlagen eingesetzt werden, in denen PFAS-Chemikalien anfallen. Vielleicht werden sie eines Tages sogar in Wasserhähne integriert, um unser Trinkwasser zu reinigen“, meint er.
Die Forschung zur Mechanochemie wird am DESY fortgesetzt. Große Erwartungen richten sich auf PETRA IV, die geplante Nachfolgeeinrichtung der aktuellen Röntgenlichtquelle. PETRA IV wird voraussichtlich einen noch präziseren und intensiveren Röntgenstrahl liefern, was die Messungen erheblich beschleunigen könnte. „Zukünftig könnten wir chemische Prozesse in Echtzeit beobachten und dabei auch kurzlebige Zwischenstrukturen erfassen“, schwärmt Etter.
Diese Entwicklungen könnten nicht nur zur Bekämpfung von PFAS beitragen, sondern auch einen bedeutenden Fortschritt im
