Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen chemischen Stabilität und häufig hohen Mobilität äußerst schwer aus der Umwelt zu entfernen. Ihre Sanierung stellt daher eine große Herausforderung dar. Die In-situ-Anwendung von (kolloidaler) Aktivkohle (CAC) verfolgt das Ziel, durch die Bildung einer Sorptionsbarriere die weitere Ausbreitung von PFAS im Grundwasserleiter zu stoppen. Dafür werden Aktivkohlematerialien benötigt, die selbst bei geringer Beladung des Grundwassersediments (0,1–1 Ma%) eine hohe Rückhaltekapazität und damit eine lange Funktionsdauer über mehrere Jahrzehnte gewährleisten.

In diesem Vortrag werden die Entwicklung und Erprobung von injizierbarer kolloidaler Aktivkohle für In-situ-Sorptionsbarrieren vorgestellt. Untersucht wurden dabei eine kommerzielle CAC (Intraplex®) sowie sphärische Aktivkohlepartikel (ACS), ein derzeit noch in der Forschungsphase befindliches Material. Die ACS werden durch eine Bottom-up-Synthese unter Verwendung von Saccharose – einem lokal verfügbaren, nachwachsenden Rohstoff – hergestellt. Der Prozess umfasst eine hydrothermale Karbonisierung (HTC), gefolgt von einer thermischen Aktivierung unter variablen Bedingungen (z.B. Wasserdampfgehalt, Balda et al. 2023). Auf diese Weise entstehen hochreine, kugelförmige Kohlenstoffpartikel mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 µm und einer mikroporösen Struktur. Im Gegensatz dazu wird CAC über ein Top-down-Verfahren gewonnen, bei dem granulierte oder pulverisierte Aktivkohle nass vermahlen wird.

Im ersten Teil der Studie werden die Ergebnisse von Säulenversuchen und einem Feldtest vorgestellt, in denen die Rückhaltung verschiedener PFAS durch immobilisierte CAC untersucht wurde. Der Feldtest wurde mit Intraplex® als CAC-Produkt gemeinsam mit der Fa. Intrapore durchgeführt. Diese Daten dienten zur Abschätzung der langfristigen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von In-situ-Barrieren in kontaminierten Grundwasserleitern. Die Analysen zeigen, dass CAC-basierte Sorptionsbarrieren insbesondere für langkettige PFAS (> 6 C-Atome) und niedrige Konzentrationsbereiche (< 10 μg/l) geeignet sind. Solche Barrieren ermöglichen eine stabile Rückhaltung über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten bis hin zu Jahrhunderten. Dadurch können PFAS-Fahnen – selbst bei hoher Mobilität oder Verdrängungsdynamik – wirksam aufgehalten werden, was den beteiligten Akteuren wertvolle Zeit für weiterführende Maßnahmen verschafft.

Im zweiten Teil wird das Potenzial der ACS für den Einsatz als In-situ-Sorptionsmittel bewertet. Hierzu wurden Batch-Experimente zur Untersuchung des Sorptionsverhaltens gegenüber PFAS, die Alterung des Materials sowie der Suspensionsstabilität durchgeführt. Ergänzend wurden Säulenversuche vorgenommen, um die Mobilität der ACS im Vergleich zu kommerziellem CAC zu bewerten.

Balda, M., Mackenzie, K., Woszidlo, S., Uhlig, H., Möllmer, J., Kopinke, F.-D., Georgi, A., 2023: Bottom-up synthesis of de-functionalized and dispersible activated carbon spheres as colloidal adsorbent, Int. J. Mol. Sci., 24 (4), art. 3831