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Elektrische Pulse verwandeln PFAS-Abfall in wertvolles Silberfluorid
Vom Schadstoff zum Rohstoff: Ein neues Verfahren löst Fluor aus PFAS, die zuvor auf Aktivkohle gebunden wurden, und fängt es als nutzbares Silberfluorid auf. Kurze elektrische Pulse liefern dafür die nötige Hitze. Im Labor wurden mehr als 99,9 Prozent des verfügbaren Fluors aus den PFAS entfernt, 90 Prozent davon landeten im Silberfluorid.
Houston (U.S.A.). PFAS gelten als besonders hartnäckige Umweltchemikalien, weil ihre Kohlenstoff-Fluor-Bindungen chemisch sehr stabil sind. Werden sie aus belastetem Wasser mit Aktivkohle herausgefiltert, sitzen die Stoffe anschließend konzentriert auf dem Filtermaterial und müssen weiterbehandelt werden.
Ein früheres Verfahren aus demselben Forschungsumfeld zerlegte PFAS auf solcher Aktivkohle mit starker elektrischer Erhitzung. Das Fluor wurde dabei als stabiles Calciumfluorid gebunden, der Kohlenstoff zugleich zu Graphen umgewandelt. Chemisch war das Fluor damit in eine stabile Form überführt, blieb aber ein Endprodukt ohne direkte Weiterverwendung im Kreislauf.
Forscher der Rice University um Prof. James M. Tour haben nun untersucht, ob sich das Fluor aus solchen Abfallströmen gezielt als Reagenz zurückgewinnen lässt. Der in der Studie verwendete Ansatz heißt Flash-Encapsulated Fluorination. Dabei wird PFAS-beladene Aktivkohle in Gegenwart von Silbernitrat durch kurze elektrische Pulse auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzt.
Bei dieser schnellen Erhitzung werden Fluoratome aus den PFAS freigesetzt. In der Nähe befindliches Silber fängt sie ab und bildet Silberfluorid, ein Reagenz, das organische Moleküle fluorieren kann. Entscheidend ist, dass der Prozess nicht nur die persistenten Fluorverbindungen zerlegt, sondern einen Teil des enthaltenen Fluors in eine unmittelbar chemisch nutzbare Form überführt.
„Die problematischen Bestandteile solcher Abfallströme sind per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS“, erklärt Prof. James M. Tour. „Wir konnten das Fluor in diesen Molekülen bereits zuvor in stabile anorganische Fluoride umwandeln, die umweltverträglicher Abfall sind, aber es blieb Abfall. Hier haben wir einen Weg gefunden, das Fluorid aus einem Abfallstrom in einen äußerst effizienten Recyclingkreislauf zu überführen.“
Die chemische Umgebung stellte das Team vor ein Problem. Heißer Kohlenstoff wirkt reduzierend und kann frisch gebildetes Silberfluorid wieder zu metallischem Silber zurückverwandeln. Die Forscher trennten deshalb Kohlenstoff und Silber mit einer porösen Quarzfaserbarriere. Gasförmige fluorhaltige Spezies können die Barriere passieren, die festen Stoffe bleiben dagegen räumlich getrennt.
„Die größte Herausforderung war, dass der heiße Kohlenstoff, der nötig ist, um Fluor freizusetzen, zugleich eine reduzierende Umgebung erzeugt, die neu gebildetes Silberfluorid wieder in metallisches Silber umwandeln kann“, erklärt Bowen Li von der Soochow University. „Wir haben das gelöst, indem wir Kohlenstoff und Silber mit einer porösen Quarzfaserbarriere physisch getrennt haben. Fluorhaltige gasförmige Spezies können die Barriere passieren, während fester Kohlenstoff und Silber getrennt bleiben.“
Im Labortest entfernte das Verfahren nach Angaben der offiziellen Studienmitteilung mehr als 99,9 Prozent des in den PFAS verfügbaren Fluors. 90 Prozent davon wurden als Silberfluorid gesammelt. Das gewonnene Reagenz verhielt sich dem Team zufolge vergleichbar mit kommerziell erhältlichem Silberfluorid und ließ sich zur Fluorierung organischer Ausgangsstoffe einsetzen.
Auch das Silber soll in dem Kreislauf nicht verbraucht werden. Nachdem es sein Fluorid an ein organisches Molekül abgegeben hat, kann das Metall zurückgewonnen und erneut in den Flash-Prozess eingespeist werden. Damit verbindet das Verfahren die Zerstörung problematischer PFAS mit der Rückgewinnung eines chemisch wertvollen Elements und der Wiederverwendung des Silbers.