In der Beschichtung von Kochgeschirr, in Outdoorkleidung und in Kosmetikprodukten: Per- und Polyfluoralkylverbindungen (PFAS) verleihen zahlreichen Alltagsprodukten wünschenswerte Eigenschaften. Sie sind wasser- und schmutzabweisend, feuerfest und gelten als nahezu unzerstörbar. Doch genau das macht sie zugleich zu problematischen Schadstoffen. Einmal in der Umwelt, lassen sich PFAS kaum noch entfernen. So reichern sie sich im Trinkwasser und in der Nahrungskette an. Manche der Verbindungen sind bekanntermaßen giftig oder krebserregend.
Herausfordernde Entfernung
Seit Jahren suchen Forschende deshalb nach Möglichkeiten, die Ewigkeitschemikalien zu zerstören – beispielsweise mit physikalischen Verfahren oder indem sie die stabilen chemischen Bindungen der PFAS mit Hilfe von Bakterien oder Licht spalten. Doch bevor an eine Zerstörung zu denken ist, müssen die schädlichen Chemikalien für die meisten Verfahren zunächst aus dem Wasser entfernt werden. Bislang kommen dabei unter anderem Aktivkohle oder Ionentauscher zum Einsatz. Viele Ansätze beschränken sich allerdings auf einzelne Arten von PFAS und sind nicht für komplexe Gemische geeignet. Zudem erfordern sie meist bestimmte Mindestkonzentrationen.
Nun hat ein Team um Johannes Voß von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg einen neuen Ansatz entwickelt, um verschiedene PFAS auch in geringen Konzentrationen aus Wasser zu entfernen. „Wir nutzen superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel, kurz SPIONs, als universelle Materialplattform, um PFAS zu binden und zu entfernen“, berichten die Forschenden.
Breite Wirksamkeit
Die Oberflächen der Nanopartikel passten Voß und seine Kollegen so an, dass sie über elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen an viele Arten von PFAS binden. So erzeugte das Team maßgeschneiderte Oberflächen für verschiedene einzelne PFAS-Moleküle und auch für fluorhaltiges Mikroplastik, wie es sich oft beim Waschen aus Outdoorkleidung löst.
„Unsere Technologie spannt so den Bogen von molekularen Schadstoffen bis hin zu mikroskopischen Partikeln und unterstreicht das Potenzial funktionalisierter Eisenoxid-Nanopartikel als vielseitige und nachhaltige Plattform für die Wasseraufbereitung – inklusive komplex belasteter Wasserproben“, erklärt Voß‘ Kollege Marcus Halik. Der magnetische Kern aus Eisenoxid sorgt dafür, dass sich die Nanopartikel anschließend wieder leicht aus der Flüssigkeit entfernen lassen. Dazu genügt es, ein Magnetfeld anzulegen.
Manche Arten dieser Nanopartikel lassen sich nach Gebrauch sogar recyclen: Während sie bei niedrigem pH-Wert fest an die PFAS-Moleküle binden, geben die Nanomagnete ihre Fracht bei höherem pH-Wert wieder frei und sind anschließend bereit für einen erneuten Einsatz. Alle eingesetzten Eisenoxidpartikel sind zudem ungiftig, preisgünstig und bei Bedarf tonnenweise verfügbar.
Dank der speziell funktionalisierten Oberflächen binden die Eisenoxid-Nanopartikel an verschiedene Arten von PFAS. Mit einem Magneten lassen sie sich samt ihrer Fracht anschließend aus dem Wasser entfernen. — © Linda Rockmann, Johannes Voß
Erfolgreich im Praxistest
Um zu demonstrieren, dass das Verfahren auch außerhalb des Labors funktioniert, testeten es die Forschenden unter verschiedenen Praxisbedingungen. „Wir haben unsere Methode erfolgreich an verschiedenen Gewässern getestet – einer mit PFAS belasteten Trinkwasserquelle, Flusswasser, Ablaufwasser aus der Reinigung belasteter Böden sowie Waschabwasser von Outdoor-Bekleidung“, berichtet das Team.
Dabei erwiesen sich die magnetischen Nanopartikel selbst bei geringen PFAS-Konzentrationen als wirksam: Die Trinkwasserquelle enthielt mit 522,2 Nanogramm pro Liter nur relativ wenig PFAS. Dennoch gelang es Voß und seinem Team, mit zwei aufeinanderfolgenden Nanopartikelbehandlungen 87 Prozent der PFAS-Belastung zu entfernen und die Belastung auf 68,1 Nanogramm pro Liter zu reduzieren. „Damit unterschritten wir sogar den neuen deutschen Höchstgrenzwert von 100 Nanogramm PFAS pro Liter“, so die Forschenden.
Um die Effizienz auch bei hohem Wasserdurchsatz zu gewährleisten, sind laut Voß und seinen Kollegen weitere Optimierungen erforderlich. Zudem brauche es zusätzliche Recyclingkonzepte. Dann jedoch könnten die Eisenoxid-Nanopartikel in vielen verschiedenen Szenarien zum Einsatz kommen – von der Trinkwasseraufbereitung über Kläranlagen bis hin zur Bodensanierung. „Das Material ist bereit, PFAS in einem breiten Spektrum von Konzentrationen und Mischungen unabhängig von den Umgebungsbedingungen des Wassers effizient zu entfernen“, schreibt das Team.
Quelle: Johannes Voß (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) et al., Materials Today, doi: 10.1016/j.mattod.2026.103471
