Wissenschaftler haben einen einfachen Weg gefunden, giftige „Ewig-Chemikalien“ zu zerstören

May 28, 2024

Chemiker haben einen einfachen Weg gefunden, einige Arten von PFAS, den giftigen Chemikalien, die von Kunststoffen übrig bleiben, loszuwerden.

Seit über einem Jahrhundert besteht unsere Welt aus Kunststoff. Es ist in allem enthalten, von Feuerlöschschaum über Wasserflaschen bis hin zu antihaftbeschichteten Pfannen, und ergibt praktische, langlebige Produkte. Aber auf lange Sicht setzt Kunststoff gefährliche Chemikalien frei, sogenannte Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die in den Boden und das Grundwasser gelangen. Diese „ewigen Chemikalien“ sind heute überall: in unseren Trinkvorräten, unserer Nahrung, der Luft und sogar unserem Körper, wo sie zu unerwünschten Folgen wie Krebs, Entwicklungsstörungen bei Säuglingen und geschwächter Immunität führen können.

Wissenschaftler haben an Möglichkeiten gearbeitet, PFAS-Chemikalien zu zerstören, die in unsere Umwelt eindringen, aber es gibt keine einfache Methode. Das liegt daran, dass diese abweisenden Verbindungen auf nichts reagieren – weder auf biologische noch auf andere chemische Stoffe. Sie haften nur aneinander und lassen sich nicht auseinanderreißen. Aktuelle Methoden erfordern „sehr harsche Bedingungen, um diese Verbindungen zu zersetzen“, so Chemiker der Northwestern University in Evanston, Illinois. Bisher war unklar, wie diese PFAS-Anleihen gebrochen werden können.

Die jüngste Arbeit dieses Teams, die am 18. August in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, beweist, dass die hartnäckige Kraft der PFAS-Bindungen tatsächlich gebrochen werden kann. Die Wissenschaftler entdeckten einen Weg, zwei konzentrierte, toxische Formen von PFAS in kleinere, harmlose Verbindungen aufzuspalten, die sich zersetzen. Die Methode verwendet geringe Hitze, ein Lösungsmittel und Natriumhydroxid (Lauge, die Grundlage einiger Seifen) und ist sowohl einfach als auch kostengünstig. Es funktioniert für zwei Hauptkategorien von PFAS, die heute in die Umwelt eindringen: Perfluoroctansäure (PFOA) und einen ihrer häufigsten Ersatzstoffe, bekannt als GenX.

Die traditionelle Schwierigkeit bei der Zerstörung einer PFAS-Verbindung liegt in ihren vielen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen, die organische Chemiker als die stärksten Bindungen bezeichnen. Sie erfordern enorme Hitze (ca. 400 Grad Celsius) und Druck, um zu brechen, was bei der Verbrennung zu Luftverschmutzung führen kann, erklärt William Dichtel, der Hauptautor der neuen Studie, in einer Pressemitteilung. „Im Bundesstaat New York wurde festgestellt, dass eine Anlage, die angeblich PFAS verbrennt, einige dieser Verbindungen in die Luft abgibt“, sagt Dichtel, Professor für Chemie. „Die Verbindungen wurden aus den Schornsteinen in die örtliche Gemeinde abgegeben.“ Und das Vergraben von PFAS führe nur dazu, dass sie nach ein paar Jahrzehnten die Umwelt kontaminierten, fügt er hinzu.

Nicht alle PFAS zerfallen in Mikroplastik, einige jedoch, wie Polyvinylfluorid (PVF) und Polytetrafluorethylen (PTFE), zerfallen. PFAS wird auch in Beschichtungen synthetischer Textilien und in Kunststoffen verwendet, die in faser- oder partikelbasiertes Mikroplastik zerfallen. Lassen Sie uns den Zusammenhang untersuchen.

Es stellt sich heraus, dass PFAS-Chemikalien eine Schwachstelle haben: Sie enthalten häufig geladene Sauerstoffatome an einem Ende ihrer Moleküle. Dichtels Team entschied sich für ein ungewöhnliches Lösungsmittel, Dimethylsulfoxid, das es ihnen ermöglichte, das PFAS zusammen mit Natriumhydroxid, einem typischen Reagenz, das eine chemische Reaktion auslöst, sanft auf 80 bis 120 Grad Celsius zu erhitzen. Das Ergebnis war eine Flut von Reaktionen, die mit dem Abfallen der geladenen Sauerstoffatome begann. Dann fielen auch die Fluoratome ab und gaben ihre Kohlenstoffbegleiter auf, um Fluorid zu bilden, eine sichere Form von Fluor. Der gesamte Prozess dauerte nur 12 Stunden. Zu diesem Zeitpunkt waren mehr als 90 Prozent der PFAS-Chemikalien in sichere Kohlenstoffnebenprodukte umgewandelt. Dichtel nannte die Gruppe geladener Atome in der Pressemitteilung die „Achillesferse“ des PFAS-Moleküls.

Bei früheren Versuchen, PFAS zu zerstören, verwendeten andere Forscher hohe Temperaturen – bis zu 400 Grad Celsius. Die neue Technik, die auf einem kostengünstigen Reagens und milderen Bedingungen basiert, führte dazu, dass die Kohlenstoffatome von zwei oder drei Atomen gleichzeitig abfielen, wie die Gruppe durch weitere Forschung mithilfe quantenmechanischer Modelle herausfand, um die Chemie des Prozesses besser zu verstehen. Dichtel hofft, dass ihre Analyse einen Schlüssel für andere liefern wird, die ähnliche Forschungen durchführen.

„PFAS ist zu einem großen gesellschaftlichen Problem geworden. Schon eine winzige Menge PFAS hat negative Auswirkungen auf die Gesundheit und wird nicht abgebaut. Wir können dieses Problem nicht einfach abwarten. Wir wollten die Chemie nutzen, um dieses Problem anzugehen und eine Lösung zu schaffen, die die Welt nutzen kann. Es ist spannend, weil unsere Lösung so einfach – und doch unerkannt – ist“, sagt er in der Pressemitteilung.

PFAS gelten inzwischen als so unsicher, dass die US-Umweltschutzbehörde (EPA) kürzlich erklärt hat, dass sie im Trinkwasser überhaupt nicht vorkommen sollten. Die PFOA genannte Form muss praktisch auf Null reduziert werden, riet die EPA am 15. Juni dieses Jahres. Dichtel glaubt, dass die neue Methode eines Tages ausgeweitet werden könnte, um als Carboxylate kategorisierte PFAS-Verbindungen zu eliminieren, wenn sie zunächst effektiv aus der Wasserversorgung gefiltert werden. Bei anderen PFAS-Kategorien wie Sulfonaten funktioniert diese Methode jedoch nicht.

Während diese Studie zehn Perfluoralkylcarbonsäuren (PFCAs) und Perfluoralkylethercarbonsäuren (PFECAs) erfolgreich abbauen konnte, liegt noch ein langer Weg vor uns. Die EPA schätzt, dass es noch 11.990 PFAS-Typen gibt.

Bevor Manasee Wagh zu Popular Mechanics kam, arbeitete er als Zeitungsreporter, Wissenschaftsjournalist, Technikjournalist und Computeringenieur. Sie ist immer auf der Suche nach Möglichkeiten, die drei größten Freuden ihres Lebens zu verbinden: Wissenschaft, Reisen und Essen.

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