Ein Forschungsteam unter der Leitung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat ein neues Filtermaterial zur Entfernung von PFAS entwickelt. Synthetisiert wurde es mechanochemisch in einer Kugelmühle – einem Verfahren, das weitgehend ohne Lösungsmittel auskommt. Die Ergebnisse wurden mit Unterstützung der Röntgenquelle PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) erzielt.
Das poröse Material besteht aus kovalenten organischen Gerüststrukturen und eignet sich zur Abtrennung von PFAS aus Abwässern. Die Arbeiten liefern neue Ansätze für eine nachhaltige Wasseraufbereitung in industriellen und privaten Anwendungen.
Herstellung durch Kugelmühle
Die Herstellung erfolgt durch Mahlen in einer speziell konstruierten Kugelmühle. „Im Labor nutzen wir dazu einen kleinen Plastikzylinder, etwa so groß wie ein Filmdöschen“, erklärt BAM-Forscherin Franziska Emmerling. „In diesen Zylinder tun wir etwas Pulver, ein Tröpfchen Lösemittel und zwei Stahlkugeln, etwa so groß wie Pfefferkörner.“
Die Kugelmühle wird mehr als 30-mal pro Sekunde geschüttelt. Dabei werden die Partikel zerkleinert, wodurch sich ihre Oberfläche vergrößert. Unter Reibungswärme, Druck und Bewegung laufen chemische Reaktionen ab, die zur Bildung poröser Gerüststrukturen führen. Das Verfahren gehört zur Mechanochemie und gilt als energieeffizient sowie umweltfreundlich.
Echtzeit-Analyse mit Röntgenstrahlen
Zur Optimierung der Synthese nutzte das Team die Röntgenquelle PETRA III. „Die beiden Ausgangsstoffe lieferten ein anderes Muster auf unserem Detektor als die Chemikalie, die durch die chemische Reaktion entstand“, erklärt DESY-Physiker Martin Etter. „Wir konnten quasi live zugucken, wie die Muster der beiden Startchemikalien immer schwächer wurden und zugleich das Muster der neuen Chemikalie erschien – das der Gerüststrukturen.“
Die besten Filterstrukturen wurden bei einer Schüttelfrequenz von 36 Hertz, 266 Milligramm Pulver und 250 Mikrolitern Lösungsmittel gebildet. Das fertige Material enthält keine Schwermetalle und ist daher besonders umweltverträglich.
Anwendungsperspektiven
Ob und wie sich das Material im großtechnischen Maßstab herstellen lässt, ist noch offen. Martin Etter nennt denkbare Einsatzbereiche: „Etwa in Kläranlagen von Unternehmen, in deren Produktion PFAS-Chemikalien anfallen“, so Etter. „Und vielleicht können sie irgendwann sogar in gewöhnliche Wasserhähne integriert werden, um dadurch unser Trinkwasser zu filtern.“
Die Forschungen im Bereich Mechanochemie werden bei DESY fortgesetzt. Mit der geplanten Nachfolgeanlage PETRA IV könnten künftig schnellere Prozesse in Echtzeit beobachtet werden. „Dann werden wir nicht alle zehn Sekunden ein Bild aufnehmen können, sondern vielleicht zehn Bilder pro Sekunde“, sagt Etter. „Und damit könnten wir zum Beispiel chemische Prozesse beobachten, die sehr schnell ablaufen und bei denen kurzlebige Zwischenstrukturen entstehen.“
Originalpublikation: Maroof Arshadul Hoque, Thomas Sommerfeld, Jan Lisec, Prasenjit Das, Carsten Prinz, Christian Heinekamp, Tomislav Stolar, Martin Etter, Biswajit Bhattacharya, Franziska Emmerling, Mechanochemically Synthesized Covalent Organic Framework Effectively Captures PFAS Contaminants, 2025; DOI: 10.1002/smll.202509275