Effiziente Adsorption von Perfluoroctansulfonsäure und Perfluorbutansulfonsäure aus wässriger Lösung auf amin-funktionalisierten Kieselgurgranulaten

Warum hartnäckige Chemikalien im Wasser wichtig sind

Viele Alltagsprodukte – von Antihaftpfannen und Takeaway-Verpackungen bis zu Feuerlöschschaum – hinterlassen eine Klasse industrieller Verbindungen, die oft als „Forever Chemicals“ bezeichnet werden. Diese Substanzen, bekannt als PFAS, bauen sich in der Umwelt nur schlecht ab und können sich in unserem Körper anreichern, wo sie mit Krebs, Störungen des Immunsystems und Entwicklungsproblemen in Verbindung gebracht werden. Die hier zusammengefasste Studie untersucht ein einfaches, kostengünstiges Filtermaterial aus fossilen Algen, das zwei häufige PFAS-Verbindungen mit hoher Effizienz aus Wasser entfernen und mehrfach wiederverwendet werden kann.

Eine neue Variante eines natürlichen Filters

Die Forschenden konzentrierten sich auf Kieselgur, ein Pulver aus den fossilen Schalen mikroskopischer Algen. Dieses Material ist von sich aus günstig, reichlich vorhanden, porös und wird bereits in einigen Filtern eingesetzt, greift PFAS jedoch nicht stark genug an. Um die Leistung zu verbessern, formte das Team das Pulver zu kleinen Granulaten und beschichtete deren Oberflächen mit einem Molekül, das stickstoffreiche Gruppen trägt und positiv geladen sein kann. Diese behandelten Granulate, APTES-DE genannt, bieten viele aktive Stellen, die die negativ geladenen Köpfe der PFAS-Moleküle anziehen, während die poröse Struktur, die den Wasserfluss ermöglicht, erhalten bleibt.

Wie die Granulate geprüft wurden

Die Wissenschaftler untersuchten die modifizierten Granulate mit mehreren Bildgebungs- und Oberflächenanalysetechniken, um zu bestätigen, dass die neue Beschichtung vorhanden ist und die inneren Poren weiterhin zugänglich sind. Anschließend testeten sie, wie gut APTES-DE zwei weit verbreitete PFAS-Verbindungen aus Wasser entfernen kann: PFOS, das eine längere fluorierte Kette besitzt, und PFBS, eine kürzere Variante. In gerührten Chargenversuchen entfernten die Granulate unter optimierten Bedingungen bis zu etwa 92 % PFOS und 90 % PFBS. Die Daten zeigten, dass PFAS mehrere Schichten auf der unregelmäßigen Oberfläche bildeten statt einer einzigen gleichmäßigen Beschichtung, was zu einer patchartigen Verteilung starker und schwacher Bindungsstellen auf jedem Korn passt.

Wie der Entfernungsprozess funktioniert

Durch Variation von Kontaktzeit, Konzentration, Wasserazidität und Strömungsbedingungen untersuchte das Team die Hauptkräfte hinter der PFAS-Aufnahme. Bei mild saurem bis neutralem pH werden die Stickstoffgruppen auf den Granulaten positiv geladen und ziehen die negativ geladenen PFAS-Köpfe durch elektrostatische Anziehung an. Gleichzeitig werden die wasserabweisenden, fluorierten Schwänze der PFAS in die relativ weniger wässrige Mikroumgebung an der Granulatoberfläche gezogen, was eine hydrophobe „Klebrigkeit“ hinzufügt. Wasserstoffbrücken zwischen PFAS und Oberflächengruppen auf dem Siliciumdioxid stabilisieren diese Bindungen zusätzlich. Zusammen erzeugen diese Kräfte einen starken, kooperativen Griff, insbesondere bei längerkettigen PFAS, die eine größere hydrophobe Oberfläche zum Anhaften bieten.

Vom Laborbecher zu durchströmten Säulen

Da reale Wasseraufbereitungsanlagen kontinuierlichen Durchfluss statt stillstehender Gefäße verwenden, füllten die Forschenden transparente Säulen mit APTES-DE-Granulaten und pumpten mit PFAS belastetes Wasser hindurch. Höhere Bettlagen aus Granulat hielten PFAS länger zurück, verschoben den Zeitpunkt, an dem Schadstoffe am Ausgang sichtbar wurden, und steigerten die Gesamtentfernung. Langsamere Flussraten verbesserten die Leistung ebenfalls, da sie PFAS mehr Zeit gaben, die Granulatoberflächen zu erreichen und zu binden. Während dieser Versuche heftete sich PFOS beständig stärker an und durchbrach die Säulen später als PFBS, was unterstreicht, wie die Kettenlänge die Erfassung in praktischen Systemen beeinflusst.

Das Filtermaterial immer wieder verwenden

Damit ein Filter im großtechnischen Einsatz nützlich ist, muss er gereinigt und wiederverwendet werden können, ohne viel Kapazität zu verlieren. Hier wurden die gesättigten APTES-DE-Granulate mit einer Mischung aus Alkohol und einer milden alkalischen Lösung gespült, die die PFAS löste und wegwusch. Nach fünf Zyklen aus Adsorption und Regeneration entfernten die Granulate noch immer mehr als 95 % der ursprünglichen PFOS-Kapazität und etwa 96 % für PFBS und zeigten nur geringe Einbußen. Diese Haltbarkeit, kombiniert mit hohen Entfernungseffizienzen und der Nutzung eines natürlich reichlich vorhandenen Ausgangsmaterials, deutet darauf hin, dass amin-modifizierte Kieselgur eine praktikable und nachhaltigere Option sein könnte, um hartnäckige PFAS-Schadstoffe aus kontaminierten Gewässern zu entfernen.

Zitation: Bano, A., Prasad, B., Dave, H. et al. Efficient adsorption of perfluorooctane sulfonate and perfluorobutane sulfonic acid from aqueous solution onto amine-functionalized diatomite granules. Sci Rep 16, 10368 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41388-4

Schlüsselwörter: PFAS-Entfernung, Wasserreinigung, Kieselgur, Adsorption, „Forever Chemicals“