Neue Lösungen für das PFAS-Problem: HZDR-Forschungsteam entwickelt Methoden zum Abbau von Ewigkeitschemikalien
Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben zwei neue Verfahren entwickelt, um per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) – chemisch äußerst widerstandsfähige Industriechemikalien – in ihre Bestandteile zu zerlegen. Sie nutzen dafür hydrodynamische Kavitation sowie kaltes atmosphärisches Plasma in Kombination mit Gasdispersion. Expert*innen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) unterstützten die Arbeiten mit Analysen, die den Abbau der PFAS und die Freisetzung von Fluorid nachwiesen. Werden die Verfahren bis zur Marktreife weiterentwickelt, könnten sie künftig in der Industrie eingesetzt werden und den Eintrag von PFAS in Gewässer deutlich verringern.
Einige PFAS stehen unter Verdacht, das Erbgut zu verändern und Krebs zu fördern, bei vielen ist die biologische Wirkung bislang unbekannt. Die Gruppe umfasst mehr als 10.000 kurz- und langkettige Industriechemikalien, deren außergewöhnliche chemische Widerstandsfähigkeit auf den besonders stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen beruht. Über das Abwasser gelangen PFAS in Flüsse und Meere und verbreiten sich weltweit. Auch in der Elbe wurden kürzlich hohe PFAS-Konzentrationen nachgewiesen – eine potenzielle Gesundheitsgefahr für Pflanzen, Tiere und Menschen.
Wie man die Gewässer entlasten, die Ewigkeitschemikalien gezielt abbauen kann, untersuchen Forschende des HZDR im Kontext der Nationalen Wasserstrategie. Sie soll die Trinkwasserversorgung in Deutschland sichern und den Gewässerschutz voranbringen. In einer ersten Studie, die ab 2022 durchgeführt wurde, nutzten die Forschenden um Postdoktorandin Dr. Ysabel Huaccallo-Aguilar die sogenannte hydrodynamische Kavitation, um PFAS zu zerstören.
Kavitation knackt die stabilen Bindungen
„Bei der hydrodynamischen Kavitation befördern wir mit PFAS angereichertes Wasser durch eine Verengung und erzeugen so kleine Dampfblasen“, erklärt der Leiter der Abteilung Wasser- und Umwelttechnologien am HZDR, Dr. Sebastian Reinecke. Da langkettige PFAS oberflächenaktiv sind, lagern sie sich an die Dampfblasen an. „Implodieren diese dann wieder – das passiert, wenn der Umgebungsdruck in der Strömung hinter der Verengung steigt – werden die an ihnen haftenden PFAS örtlich sehr hohen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius ausgesetzt“, erklärt Reinecke den Effekt. Zeitgleich entstehen bei der Kavitation hochreaktive Hydroxylradikale, die unspezifisch mit Substanzen in ihrer Umgebung reagieren. „Unsere Hypothese ist, dass sie die Zwischenprodukte angreifen und so den PFAS-Abbau deutlich intensivieren.“
Ysabel Huaccallo-Aguilar und ihre Mitstreiter*innen konnten nachweisen, dass die im Leitungswasser gelösten PFAS durch das Verfahren aufgebrochen und zugleich organisch gebundenes Fluor mineralisiert wurde. Mit zunehmender Behandlungsdauer stieg die Fluoridkonzentration in der Lösung kontinuierlich an. Für ihre Versuche nutzten die Forschenden Perfluoroktansulfonsäure (PFOS), eine besonders langlebige und gut untersuchte Verbindung aus der Gruppe der PFAS. Bis zum Ende des Experiments konnten sie rund 37 Prozent der gelösten PFOS-Moleküle mit einer stabilen Abbaurate abbauen. „In Folgeexperimenten arbeiten wir nun daran, die Abbaurate zu steigern“, erläutert Reinecke. „Unser Ziel ist, das Verfahren so weit voranzubringen, dass wir mehr als 80 Prozent der PFAS in der Lösung abbauen und mehr als 50 Prozent des in den Chemikalien gebundenen Fluors mineralisieren, also die für PFAS typischen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen auflösen können.“
Hochreaktive Plasmaspezies können PFAS ebenfalls effizient zersetzen
In einer weiteren Versuchsreihe setzte der Umweltingenieur Dr. Amit Kumar kaltes atmosphärisches Plasma in Kombination mit Gasdispersion ein, um PFAS abzubauen. Der Vorteil: Das Verfahren arbeitet unter Umgebungsbedingungen und benötigt weder Katalysatoren noch zusätzliche Chemikalien. Bereits in seiner Promotion hatte der Postdoktorand untersucht, wie sich die im Plasma entstehenden reaktiven chemischen Spezies zur Zersetzung von Mikroschadstoffen nutzen lassen. Diese Erfahrungen brachte er nun in das Experiment ein. „Wir haben Plasma an der Wasseroberfläche erzeugt und gleichzeitig Gas in das mit PFAS versetzte Wasser eingeleitet“, erläutert Sebastian Reinecke den Versuchsaufbau. „Die PFAS lagern sich an der Oberfläche der Gasbläschen an. Während diese aufsteigen, wird die Flüssigkeit ständig umgewälzt. Dadurch gelangen die PFAS an die Wasseroberfläche, wo sie im Plasma zersetzt werden.“
Mit dem Verfahren ließen sich sowohl lang- als auch kurzkettige PFAS nahezu vollständig abbauen. Rund 35 Prozent der in den Ewigkeitschemikalien gebundenen Fluoratome wurden dabei als Fluoridsalze freigesetzt. „Die Reaktionskinetik ist hier deutlich stärker als bei der Kavitation, allerdings ist auch der Energieverbrauch pro Volumeneinheit wesentlich höher“, ordnet Reinecke die Ergebnisse ein. „Außerdem entstehen zahlreiche Transformationsprodukte, die wir bislang noch nicht im Detail untersuchen konnten – etwa die gasförmigen Verbindungen, die während der Reaktion entstehen.“ Ob dabei gesundheitlich bedenkliche Stoffe gebildet werden und wie sich dies gegebenenfalls vermeiden lässt, untersuchen die Forschenden derzeit in weiteren Testreihen.
Synergistische Effekte durch die Kombination von Plasma und Kavitation
Derzeit arbeiten die Forschenden daran, das Verfahren für größere Mengen kontaminierten Wassers zu skalieren. Dafür setzen sie mehrere Elektroden und einen technischen Begaser ein und erhöhen das Reaktionsvolumen schrittweise von rund 50 Millilitern auf fünf Liter. Anschließend wollen sie die Plasmatechnologie mit der Kavitation kombinieren. „Ich denke, wir werden hohe Abbauraten erreichen, wenn wir die hochreaktiven Spezies aus dem Plasma mit den Effekten der Kavitation verbinden“, sagt Reinecke. Gelingt es, die Vorteile beider Verfahren in einem gemeinsamen Ansatz zu vereinen, könnte daraus langfristig eine neue Technologie entstehen, um PFAS effizient aus belastetem Wasser zu entfernen.
Publikationen:
Amit Kumar, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Holger Kryk, Uwe Hampel, Sebastian Felix Reinecke:: Enhanced degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in tap water using gas-dispersed cold atmospheric plasma, in Scientific Reports, 2026 (DOI: 10.1038/s41598-026-57490-6).
Amit Kumar, Anett Georgi, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Markus Meier, Holger Kryk, Sebastian Felix Reinecke, Uwe Hampel: Degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) forever chemical in water using hydrodynamic cavitation treatment, in Chemical Engineering Journal Advances, 2026 (DOI: 10.1016/j.ceja.2026.101046).
Förderung
Diese Forschungsarbeit wurde aus Mitteln des Impuls- und Vernetzwerkfonds der Helmholtz-Gemeinschaft über das Clean Water Technology Lab (CLEWATEC), ein Helmholtz-Innovationslabor, unter der Referenznummer HIL-A02 gefördert. Die Projekte „HyKaPro SAB-EFRE“ und „Plasma4PFAS SAB-EFRE“ sind kofinanziert von der Europäischen Union und aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushalts.
Weitere Informationen:
Dr. Sebastian Reinecke | Leiter Abteilung für Wasser und Umwelttechnologien
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 2320 | E-Mail: s.reinecke@hzdr.de
Susann Riedel | Projektmanagerin
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 3766 | E-Mail: s.riedel@hzdr.de
Medienkontakt:
Simon Schmitt | Leitung und Pressesprecher
Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR
Tel.: +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat sieben Standorte (Dresden, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Rostock, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt fast 1.500 Mitarbeiter*innen – davon etwa 700 Wissenschaftler*innen inklusive 200 Doktorand*innen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Sebastian Reinecke | Leiter Abteilung für Wasser und Umwelttechnologien
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 2320 | E-Mail: s.reinecke@hzdr.de
Susann Riedel | Projektmanagerin
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 3766 | E-Mail: s.riedel@hzdr.de
Originalpublikation:
Amit Kumar, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Holger Kryk, Uwe Hampel, Sebastian Felix Reinecke:: Enhanced degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in tap water using gas-dispersed cold atmospheric plasma, in Scientific Reports, 2026 (DOI: 10.1038/s41598-026-57490-6).
Amit Kumar, Anett Georgi, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Markus Meier, Holger Kryk, Sebastian Felix Reinecke, Uwe Hampel: Degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) forever chemical in water using hydrodynamic cavitation treatment, in Chemical Engineering Journal Advances, 2026 (DOI: 10.1016/j.ceja.2026.101046).
Weitere Informationen:
https://www.hzdr.de/presse/pfas
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