Stoppen met PFAS: hoe kom je af van een stof waar alles van afglijdt?

Scheikunde Het zijn heerlijke stoffen met heel nare trekjes: PFAS. De mens moet ervan afkicken, want ze zijn giftig. Maar hoe?

Illustratie Rik van Schagen

Poly- en perfluoralkylstoffen, beter bekend als PFAS, zijn fantastisch. De moleculen zijn ontzettend stabiel, hittebestendig, non-reactief, water- én vuilafstotend, warmtegeleidend, hebben een lage oppervlakspanning. Vanwege hun unieke chemische eigenschappen zijn ze overal.

Ze zitten in regenjassen, pannen, voedselverpakkingen, lippenstift, brandblusschuim, cement, wax voor ski’s, batterijen, fotopapier, airconditioning, zonnepanelen, kogels, autolak, tapijten, glas, leer, tandpasta, flosdraad, gitaarsnaren, pianotoetsen, tennisrackets, golfhandschoenen, diverse onderdelen van een smartphone, hartpompen, natuurkundige deeltjesversnellers en in smeermiddel gebruikt in kerncentrales en ruimtevaart.

Toch moet de mens afkicken van het molecuul, daarover zijn wetenschappers het wel eens. De meest gebruikte en beruchtste PFAS zijn giftig: ze veroorzaken schade aan het immuunsysteem, en in hogere concentraties kunnen ze kankerverwekkend zijn of leiden tot schade aan de lever en schildklier. Eenmaal in het milieu gaan PFAS nooit meer weg: ze breken niet af, en veel verplaatsen moeiteloos door water, grond en lucht tot in voedsel en drinkwater. En veel PFAS zijn ‘bio-accumulatief’: ze stapelen op in het bloed, tot mogelijk schadelijke concentraties.

Vanwege hun unieke chemische eigenschappen zijn ze sinds de jaren 50 massaal geproduceerd, waardoor elk mens op aarde nu PFAS in het bloed heeft. Destijds was regelgeving voor de productie van nieuwe chemicaliën beperkt. In juni stelde het RIVM vast dat Nederlanders zoveel PFAS binnenkrijgen dat ze de werking van het immuunsysteem aantasten. In juli zette Nederland met vier landen een eerste stap naar een Europees verbod op ‘niet-essentiële’ PFAS.

Maar stoppen gaat niet zomaar – de brandweer kan niet zonder brandblusschuim. Hoe vervang je een klasse moleculen met zulke unieke eigenschappen, die zo diep in de samenleving doorgedrongen is?

Eerst die unieke eigenschappen. Het bijzondere aan PFAS is dat ze verzadigd zijn met verbindingen van koolstof en fluor, tot op een niveau waarop ze in de natuur niet voorkomen. Geen enkel element bindt zo sterk aan koolstof als fluor. Hoe meer fluoratomen aan een koolstofatoom zijn gebonden, hoe stabieler het molecuul. Daarmee kom je al bij het grootste probleem van deze extreem stabiele moleculen: zodra ze bestaan, stoppen ze nooit meer met bestaan.

Een waterafstotende laag maken is makkelijk, maar het is extreem moeilijk om die ook olie-afstotend te maken

Jonatan Kleimark scheikundige

Dat is te verklaren door het periodiek systeem in te duiken – die prachtige logische rangschikking van elementen. Fluor staat in een extreme uithoek, helemaal rechtsboven. En dat suggereert extreme eigenschappen. Het is het meest ‘elektronegatieve’ element dat bestaat, wat betekent dat de positief geladen kern heel hard aan de negatief geladen elektronenschil trekt. Dat uit zich wanneer het fluoratoom een moleculaire binding aangaat met bijvoorbeeld koolstof, door elektronen met elkaar te delen. De positieve kern van fluor trekt nog steeds heel hard aan de eigen elektronen, maar nu ook aan die van koolstof. Resultaat: een ijzersterke binding.

Dat was ooit de zegen van PFAS, maar nu is het de vloek. Doordat de CF-binding zo stug is, zijn PFAS ook heel ‘inert’: de binding interacteert niet met andere moleculen in de buurt. Vandaar dat ze zowel water- als vetafstotend zijn. Een unieke combinatie.

Het was onvermijdelijk dat PFAS op een dag in regenjassen terecht zouden komen. Inmiddels lijkt de transitie naar PFAS-vrije regenjassen succesvol, aangezien er vele alternatieven op de markt zijn. Toch is de PFAS-loze jas geen succesverhaal, zegt Jonatan Kleimark. Hij is scheikundige bij ChemSec, een Zweedse non-profitorganisatie die zich inzet voor het uitbannen en vervangen van schadelijke chemicaliën. „Er zijn veel alternatieven gevonden, maar zonder olie-afstotende werking. Een waterafstotende laag maken is makkelijk, maar het is extreem moeilijk om die ook olie-afstotend te maken.”

Idealiter wil je dat producten lang meegaan in de gebruikersfase, maar dat ze in de natuur uit elkaar vallen in natuurlijke stoffen

Ian Cousins hoogleraar organische milieuchemie

Nog een ‘positief’ gevolg van die stevige fluorbinding: PFAS gaan niet kapot, dus verliezen PFAS-producten niet snel hun werking. Hartstikke duurzaam, zou je zeggen: een milieubewust mens vervangt liever pas na tien jaar een pan, dan na één jaar. Maar dat is ook de vloek van PFAS, zegt Ian Cousins. Hij is hoogleraar organische milieuchemie aan de Universiteit van Stockholm. „Idealiter wil je dat producten lang meegaan in de gebruikersfase, maar dat ze in de natuur uit elkaar vallen in natuurlijke stoffen. PFAS doen dat niet, die persistentie in het milieu is het probleem.” Je kan het de ‘duurzaamheidsparadox’ noemen: het spanningsveld tussen levensduur van producten en bioafbreekbaarheid. Toch denkt Cousins dat het mogelijk is, om stevige materialen van natuurlijke stoffen te maken.

Wie zoekt naar alternatieven voor PFAS, moet genoegen leren nemen met achteruitgang. Jassen die wat vuiler worden, pannen die iets meer aanbakken en materialen die wat minder lang meegaan. Misschien worden smartphones even wat minder snel. Alleen als een PFAS in een product een ‘essentiële’ functie heeft, bijvoorbeeld in brandblusschuim, is er onderhandelingsruimte. Dat is het uitgangspunt van Popfree, een Zweeds innovatieproject dat het gebruik van PFAS-vrije producten promoot en alternatieven ontwikkelt. „Het gaat niet om de vraag of bepaalde producten essentieel zijn – dat zijn ze allemaal”, zegt Lisa Skedung. Zij is manager bij Popfree. „Stel de vraag anders: wanneer is het te rechtvaardigen om schadelijke chemicaliën aan producten toe te voegen?”

PFAS in het bloed

Concessies doen wordt moeilijker als veiligheid op het spel staat. Is een verminderde werking van blusschuim acceptabel? Tegelijkertijd stáát de veiligheid allang op het spel, bleek uit een grote Amerikaanse studie in 2019. Amerikaanse brandweerlieden die blusschuim met PFAS gebruiken, hebben „onacceptabel hoge” concentraties PFAS in het bloed, stelden de onderzoekers vast.

In brandblusschuim zit sinds de jaren 70 een van de oudste en beruchtste subklassen PFAS: de perfluoralkylzuren. Chemici scharen de moleculen tot ‘oppervlakte-actieve stoffen’, de brandweer spreekt over ‘schuimvormend middel’. Het zijn zeepachtige moleculen die bestaan uit een lange hydrofobe (‘watervrezende’) koolstoffluorketen met aan het uiteinde een hydrofiele (‘waterminnende’) kop. Bij het blussen van brand wordt water en schuimvormend middel met een stroom lucht vermengd, waarbij bubbels ontstaan en blijven bestaan.

„Oppervlakte-actieve stoffen maken schuimbubbels stabiel”, legt Mikael Kjellin uit. Hij was als chemicus betrokken bij Popfree, en zocht naar alternatieven voor PFAS in onder andere brandblusschuim. „Oppervlakte-actieve stoffen zitten in een zeepbel precies op de scheiding tussen water en lucht.” Daar zit de hydrofiele kop in de waterige zeepbel, de hydrofobe staart staat naar buiten gericht, in contact met lucht. Zonder het schuimmiddel zouden bubbels meteen afbreken.

PFAS-schuim verstikt brandend materiaal heel efficiënt, door het met een dunne laag te bedekken

Mikael Kjellin chemicus

De kracht van PFAS in blusschuim is weer de onaantastbaarheid van de koolstoffluorbinding. In ouderwets blusschuim, van vóór de jaren zeventig, bestaat de hydrofobe keten uit koolstof en waterstof, dat in contact met brandend materiaal minder stabiel wordt. In PFAS-schuim schermt de hydrofobe staart het schuim af van brandbaar materiaal, dat zo afbraak van het schuim voorkomt, terwijl de koolstoffluorbinding zich weinig aantrekt van het brandende materiaal. „Daarnaast verstikt PFAS-schuim brandend materiaal heel efficiënt, door het met een dunne laag te bedekken, dichter erbovenop”, zegt Kjellin. „En het voorkomt dat brandstof verdampt, en naar boven ontsnapt.”

Hoe ontwerp je een nieuw, fluorvrij schuimvormend middel? „Er is hard gewerkt om oppervlakte-actieve stoffen op basis van siliconen te maken, in plaats van koolstof”, zegt Kjellin. De kern van siliconen is een keten van afwisselend silicium- en zuurstofatomen. „Het is een andere manier om een hydrofobe keten te maken. De silicium-zuurstofverbinding komt veel voor in de natuur, bijvoorbeeld in zand.” Op moleculair niveau werkt het schuimmiddel beter dan de ouderwetse variant, maar minder goed dan de gebruikelijke fluorhoudende variant. Daarnaast zijn ze volgens Kjellin ook minder veelzijdig dan fluorhoudende varianten: ze werken niet tegen alle soorten branden.

Ook bij brandblusschuim is enige vermindering in prestaties aanvaardbaar, vindt Kleimark van ChemSec. „Voor de meeste branden bestaat geschikt alternatief blusschuim. En als het schuim 5 procent minder effectief wordt dan fluorhoudend schuim, is dat in de meeste gevallen prima. Alleen wanneer het extreem belangrijk is dat een brand snel geblust is, zoals in een vliegtuig, is beter schuim misschien nodig.”

Een nieuwe schadelijke stof

Wel bestaat er nog discussie over de milieuveiligheid van siliconenschuim. Net zoals PFAS zijn siliconen persistent: het duurt lang voordat ze in de natuur afbreken. „Het zou kunnen dat deze stoffen in de toekomst óók uitgebannen worden”, zegt Kjellin. Het zou niet de eerste keer zijn dat de chemische industrie een schadelijke stof vervangt voor een nieuwe schadelijke stof.

Het suggereert bovendien dat onderzoekers niet te hard moeten zoeken naar perfecte PFAS-imitators: voor je het weet heb je een nieuw onafbreekbaar molecuul de wereld ingebracht. „De functie van PFAS die we vaak proberen na te maken, is de inertheid”, zegt Kleimark. „Het zou deels mogelijk moeten zijn om dat te bereiken met bio-afbreekbare stoffen, maar we moeten ook kunnen leven met alternatieven die wat minder goed zijn.”

Gelukkig is siliconenschuim slechts een van de vele fluorvrije schuimen op de markt. En zowel in het lab als in het echte leven werken die inmiddels vaak even goed als fluorhoudend schuim, ziet Hans Huizinga. Hij is veiligheidsadviseur bij Kenbri, de grootste leverancier van brandbestrijdingsmateriaal – inclusief ‘blusschuimconcentraat’ – aan Nederlandse brandweer en (petro)chemische industrie. „In 2011 kwamen de eerste fluorvrije schuimen op de markt, maar die waren nog niet goed genoeg. Vanaf 2016 kwamen er fluorvrije schuimen op de markt die dezelfde effectiviteit hebben als fluorhoudende equivalenten. Twee jaar later gingen wij die leveren.”

„Ik verwacht dat Kenbri over een half jaar geen fluorhoudend schuim meer aanbiedt”, vervolgt Huizinga. „Wij hebben als leverancier een zorgplicht om te stoppen met fluorhoudend blusschuim.” Wel ziet hij nog „kostengedreven” weerstand bij de brandweer, aangezien het een kazerne tonnen kost om oude schuimvoorraden veilig te verwerken en nieuwe blussystemen te installeren. Het gaat ongeveer een miljard euro kosten om al het Europese brandblusschuim fluorvrij te maken, schatte de Europese Commissie en het Europees Agentschap voor chemische stoffen (ECHA) in een rapport uit 2020.

In veel gevallen weten bedrijven zelf niet eens dat PFAS in hun producten zitten

Jonatan Kleimark scheikundige

De fluorvrije transitie verloopt niet altijd zo moeizaam, blijkt bij cosmeticaproducten. In de helft van alle mascara’s, lippenstiften en foundations op de markt zitten PFAS, maar inmiddels beginnen fabrikanten zich af te vragen waarom ze dat ook alweer deden. Dat is soms onduidelijk. De gedachte was dat PFAS een mascara waterproof zouden maken, maar na verwijdering van de stoffen uit het product blijft in praktijk een prima product over. Kledinggigant H&M – dat zich aansloot bij het Popfree-project – verwijderde in 2013 schadelijke stoffen zoals PFAS uit hun textiel, in 2018 stopte het met PFAS in cosmetica.

„In veel gevallen weten bedrijven zelf niet eens dat PFAS in hun producten zitten, of dat PFAS schadelijk zijn”, zegt Kleimark. „Of soms zijn PFAS al decennia vermengd in veelgebruikte industriële vloeistofmengsels, waarvan niemand nog weet wat de functie van PFAS erin precies is. Om alternatieven te zoeken, moet je weten waar PFAS gebruikt worden en wat de functie is. Daarna kan je pas zoeken naar alternatieve chemicaliën met dezelfde functie.” Daarvoor werkte Cousins in 2020 mee aan een grote internationale overzichtsstudie met meer dan tweehonderd manieren van gebruik van PFAS, en werkt hij aan nieuwe meetmethoden om ze op te sporen.

Uiteindelijk ligt de doorslag van de PFAS-transitie bij strikte wetgeving, bijvoorbeeld bij het initiatief tot een Europees verbod op niet-essentieel gebruik van PFAS. „Daar hopen we op een strenge regulering”, zegt Kleimark. Zo ook Cousins, die ziet dat de consument niet altijd de hoogste kwaliteit nodig heeft. „We hoeven niet 3 procent sneller te skiën dankzij iets betere skiwax. De meesten zullen het verschil niet eens merken.”

De internationale skifederatie besloot in 2019 gebruik van PFAS in de hele skisport te verbieden, maar moest de uitvoering uitstellen tot een geschikte meetmethode voor handen is. Zonder meetmethode zouden professionele skiërs kunnen valsspelen. „Er zijn meetmethoden in ontwikkeling”, zegt Skedung. „Ik hoop dat het verbod volgend jaar in praktijk kan treden.”