Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (, abgekürzt PFAS) sind aliphatische organische Verbindungen, bei denen an mindestens einem Kohlenstoffatom die Wasserstoffatome am Kohlenstoffgerüst vollständig („Per-“) durch Fluoratome ersetzt worden sind. Die Stoffgruppe umfasst zwischen einigen Tausend und einigen Millionen Einzelstoffe. Da sie oder ihre Abbauprodukte in der Umwelt nur sehr schwer abbaubar (und somit persistent) sind, werden sie auch Ewigkeitschemikalien genannt.
Einige PFAS stehen im Verdacht, krebserregend zu sein. Die jährlichen gesundheitsbezogenen Gesamtkosten im Zusammenhang mit der Exposition gegenüber PFAS wurden 2019 für die Länder des Europäischen Wirtschaftsraums (EWR) auf mindestens 52 bis 84 Milliarden EuroNordic Council of Ministers: THE COST OF INACTION: A socioeconomic analysis of environmental and health impacts linked to exposure to PFAS, TemaNord 2019:516. und für die Vereinigten Staaten im Jahr 2018 auf 6 bis 62 Milliarden USD geschätzt. Die jährlichen Gesamtkosten für Umweltscreening, Überwachung bei Kontamination, Wasseraufbereitung, Bodensanierung und Gesundheitsbewertung belaufen sich im EWR plus der Schweiz auf 821 Millionen bis 170 Milliarden Euro. Die American Water Works Association schätzt, dass es 370 Milliarden Dollar kosten würde, die PFAS aus dem US-Trinkwasser zu entfernen. Unter Berücksichtigung der gesellschaftlichen Kosten liegen die Kilogrammkosten für PFAS bei rund 18.700 €, während der durchschnittliche Marktpreis von PFAS bei rund 19 € pro Kilogramm liegt. Eine 2026 von der EU-Kommission veröffentlichte Studie schätzt, dass sich die Kosten auf etwa 440 Milliarden Euro belaufen würden, wenn die derzeitige PFAS-Belastung in Europa bis 2050 ohne regulatorische Maßnahmen anhält. Würden solche PFAS-Emissionen bis 2040 an der Quelle bekämpft, könnten 110 Milliarden Euro eingespart werden, während allein die Aufbereitung von verschmutztem Wasser mehr als 1 Billion Euro kosten würde. https://environment.ec.europa.eu/news/new-study-confirms-huge-and-growing-costs-pfas-pollution-2026-01-29_en
Definition Die OECD definiert PFAS wie folgt:
PFAS sind definiert als fluorierte Stoffe, die mindestens ein vollständig fluoriertes Methyl- oder Methylen-Kohlenstoffatom (ohne daran gebundene H/Cl/Br/I-Atome) enthalten, d. h., bis auf wenige bekannte Ausnahmen ist jeder Stoff mit mindestens einer perfluorierten Methylgruppe (–CF3) oder einer perfluorierten Methylengruppe (–CF2–) ein PFAS.
Historisch wurde die Bezeichnung perfluorierte Tenside (engl. fluorosurfactants, fluorinated surfactant oder perfluorinated alkylated substance) und die Abkürzung PFT genutzt, welche allerdings primär Perfluorsulfonsäuren (PFSA) und Perfluorcarbonsäuren (PFCA) mit den beiden Leitsubstanzen Perfluoroctansulfonat (PFOS) und Perfluoroctansäure (PFOA) umfassten. Ebenfalls nur noch wenig gebräuchlich ist die Abkürzung PFC, die für „per- und polyfluorierte Chemikalien“ steht.
Geschichte Auf Grundlage neuer Erkenntnisse in der aliphatischen Fluorchemie, die besonders auf die Arbeiten der Chemiker Henri Moissan, Lucius A. Bigelow und Wilhelm Bockemüller im Zeitraum ab 1886 zurückzuführen sind, wurden in den darauffolgenden Jahrzehnten bis zum Beginn des Ersten Weltkrieges (1914) weitere Fortschritte vor allem durch den belgischen Chemiker Frédéric Swarts erzielt. Diesem gelang ein Durchbruch bei der Synthese von Polyfluorverbindungen mithilfe der Verwendung von Antimon(III)-fluorid als Fluorierungsreagenz. Swarts untersuchte die Einführung von C-F-Bindungen systematisch im Zusammenhang mit verschiedensten Polyhalogenverbindungen und charakterisierte viele der erhaltenen Produkte bezüglich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften.
Thomas Midgley, der 1928 für die Frigidaire Corporation in den USA arbeitete, testete bei der Suche nach neuen Kältemitteln für Kühlschränke den Einsatz von Dichlordifluormethan, welches von Swarts zuvor charakterisiert wurde und aufgrund seines Siedepunktes eine geeignete, nicht-toxische und nicht-flammbare Alternative zu damals gängigen Kältemitteln wie Ammoniak oder Schwefeldioxid darstellte. Der Erfolg dieser neuen Entdeckung führte zu einem schnellen Wachstum der Zahl von kommerziell erhältlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs), die in den 1930er Jahren vor allem unter dem Markennamen Freons aus einer Kooperation von Frigidaire und Du Pont entstanden und vertrieben wurden.
Gegen Ende der 1930er Jahre beschäftigte sich Roy Plunkett als Chemiker bei Du Pont mit der Synthese neuartiger Kältemittel auf Basis von Fluoralkylverbindungen. Per Zufall stieß Plunkett bei der Dechlorierung von Freon 114 mithilfe von Zink auf wenige Gramm eines weißen Pulvers, welches sich als Polytetrafluorethylen (PTFE) herausstellte. Das während der Reaktion intermediär gebildete Tetrafluorethen wurde als Monomer identifiziert und weitere Forschung sowie Optimierung der Polymerisation mündeten letztendlich 1948 in der Kommerzialisierung von PTFE durch Du Pont unter dem Markennamen Teflon. Zuvor hatte PTFE, aufgrund seiner hohen Beständigkeit gegenüber der Korrosivität von Uranhexafluorid, bereits Anwendung bei der Uran-Anreicherung im Rahmen des Manhattan-Projekts gefunden. Im alltäglichen Gebrauch wird das Polymer wegen seiner geringen Oberflächenspannung und guten Hitzebeständigkeit als Antihaftbeschichtung für Pfannen und Töpfe verwendet.
In der gegenwärtigen Forschung wird der Einsatz von PTFE in Pfannenbeschichtungen u. ä. zunehmend kritisch gesehen. Hohe Temperaturen begünstigen die Entstehung möglicherweise krebserregender sowie die Freisetzung akut toxischer Verbindungen. Aufgrund ihrer hohen Beständigkeit werden PFAS auch als Ewigkeitschemikalien betitelt, deren Auswirkungen auf die Umwelt und den Menschen durch die Wissenschaft noch nicht vollständig verstanden sind.
Moderne Methoden zur Darstellung von nicht-polymeren perfluorierten Alkylverbindungen beinhalten die elektrochemische Fluorierung mit Fluorwasserstoff sowie die Fluortelomerisierung.
Im Jahre 2025 untersuchte ein Konsortium aus Journalisten von "The Atlanta Journal-Constitution", dem Charlston "Post and Courier" und Al.com gemeinsam mit Associated Press und Frontline die Verwendung von PFAS in der amerikanischen Teppichbodenindustrie: Aufgrund von Tierversuchen war den US-amerikanischen Herstellern 3M und DuPont bereits seit den 1960er Jahren bekannt, dass ihre PFAS-Produkte gesundheitsschädlich waren. Dennoch erfolgte keine entsprechende Warnung an ihre Kunden, wie beispielsweise die amerikanische Teppichbodenhersteller. Diese verwendeten seit den 1970er Jahren PFAS (z. B. 3M Scotchgard, DuPont Stainmaster) als Fleckenschutz. Diese Mittel wurden während dem Färbeprozess der Teppiche aufgetragen. Überschüssige Farbe und Fleckenschutzmittel wurden anschließend mit Wasser ausgewaschen und gelangten über die Abwasseranlagen in die Umwelt und letztlich in Bäche und Flüsse. Die Stadt Dalton in Georgia gilt als "Teppichhauptstadt" der Welt. Dutzende Teppichbodenfabriken sind dort angesiedelt, darunter auch die größten US-Tepichhersteller (Shaw Industries, Mohawk Industries). Über Abwasser und Kläranlagen gelangte PFAS in den Fluss Coosa, der für viele Gemeinden der Trinkwassergewinnung dient und verunreinigte ihn dauerhaft.https://www.pbs.org/video/contaminated-the-carpet-industrys-toxic-legacy-v64foa/
Vorkommen PFAS haben keine natürliche Quelle. Sie werden industriell hergestellt und in einer Vielzahl von Produkten verwendet. Viele PFAS reichern sich in der Umwelt sowie im menschlichen und tierischen Gewebe an. In Nahrungsmitteln wurden insbesondere in Fisch, Fleisch und Erzeugnissen daraus sowie in geringerem Umfang auch in Eiern und Milchprodukten messbare PFAS-Gehalte gefunden. Die höchsten Gehalte werden in Innereien nachgewiesen. Die PFAS-Aufnahme über pflanzliche Nahrungsmittel lässt sich nicht sicher beurteilen: Dort liegt die Menge oft unter der Nachweisgrenze, es liegen aber auch insgesamt weniger Gehaltdaten vor. Einteilung Laut OECD gibt es mindestens 4730 verschiedene PFAS mit mindestens drei aufeinanderfolgenden perfluorierten Kohlenstoffatomen (–CF2CF2CF2–) oder einer Perfluoralkylethergruppe (–CF2OCF2–) im Molekül. Das CompTox Chemicals Dashboard der US EPA enthält 14735, PubChem sogar knapp 7 Millionen PFAS.
Übersicht über die wichtigsten Gruppen von PFAS:
mini|Perfluoroctansulfonsäure mini|Perfluoroctansäure
Nicht-Polymere Perfluoralkylsäuren Name Perfluorcarbonsäuren Perfluorsulfonsäuren Perfluorphosphonsäuren Halbstrukturformel CnF(2n+1)COOH CnF(2n+1)SO3H CnF(2n+1)PO3H2 n = 1 Trifluoressigsäure (TFA) Trifluormethansulfonsäure (TFMS) 2 Perfluorpropansäure (PFPrA) Perfluorethansulfonsäure (PFEtS) 3 Perfluorbutansäure (PFBA) Perfluorpropansulfonsäure (PFPrS) 4 Perfluorpentansäure (PFPeA) Perfluorbutansulfonsäure (PFBS) 5 Perfluorhexansäure (PFHxA) Perfluorpentansulfonsäure (PFPeS) 6 Perfluorheptansäure (PFHpA) Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) 7 Perfluoroctansäure (PFOA) Perfluorheptansulfonsäure (PFHpS) 8 Perfluornonansäure (PFNA) Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) 9 Perfluordecansäure (PFDA) Perfluornonansulfonsäure (PFNS) 10 Perfluorundecansäure (PFUnDA) Perfluordecansulfonsäure (PFDS) 11 Perfluordodecansäure (PFDoDA) Perfluorundecansulfonsäure (PFUnDS) 12 Perfluortridecansäure (PFTrDA) Perfluordodecansulfonsäure (PFDoDS) 13 Perfluortetradecansäure (PFTeDA) Perfluortridecansulfonsäure (PFTrDS)
Perfluorsulfonylfluoride (Perfluoralkansulfonylfluoride), wie Perfluorbutansulfonylfluorid und Perfluoroctansulfonylfluorid Perfluoralkyliodide, wie Perfluorbutyliodid, Perfluorpropyliodid, Perfluorhexyliodid und Perfluordecyliodid Perfluoralkylether, wie Perfluor(methylvinylether) und Perfluor(ethylvinylether)Nordic Council of Ministers: Per- and polyfluoroalkylether substances: identity, production and use. 2020, doi:10.6027/NA2020-901 (Volltext).
Polymere Fluorpolymere
Polytetrafluorethylen (PTFE) = Teflon Polyvinylidenfluorid (PVDF) Fluoriertes Ethylenpropylen Perfluoralkoxypolymer (PFA)
Seitenkettenfluorierte Polymere Fluorierte Methylacrylpolymere (Fluortelomeracrylat (FTA))(aus dem Monomer Methyl-2-fluoracrylat: C4H5FO2 (EG-Nummer: 607-233-2)) Fluorierte Urethanpolymere Fluorierte Oxetanpolymere
Weitere Polymere Perfluorpolyether (PFPE)
Chemische Eigenschaften PFAS weisen eine hohe thermische und chemische Stabilität auf. Die Kohlenstoffkette der Verbindungen ist hydrophob, während die oft vorhandene Kopfgruppe hydrophile Eigenschaften aufweist. Aus diesem amphiphilen Charakter resultiert die Verwendung als Tensid. Im Gegensatz zu den üblichen Tensiden hat die perfluorierte Kohlenstoffkette zudem einen lipophoben Charakter. Sie weist also neben Wasser auch Öl, Fette und andere unpolare Verbindungen sowie Schmutzpartikel ab.
Die Verbindungen zersetzen sich nur bei hohen Temperaturen von bis zu 400 °C oder in Lösung in überkritischem Wasser bei Temperaturen von über 374 °C und einem Druck von mindestens 22,1 MPa (221 bar) und dem Zusatz eines Oxidationsmittels (supercritical water oxidation, SCWO). Einen deutlich niedrigeren Energiebedarf verspricht ein elektrochemisches Oxidationsverfahren. Auch dieses Verfahren befindet sich noch in der Entwicklung.
Im Jahr 2022 wurde eine Methode veröffentlicht, die bei milder Hitze von 80 bis 120 Grad Celsius im Lösungsmittel Dimethylsulfoxid in Reaktion mit Natriumhydroxid zu einer Zersetzung bei einigen der Verbindungen führte.
Herstellung