Mikroplastik-Eintrag in die aquatische Umwelt Mikroplastik: Hotspot Waschmaschine?!

Sind unsere Waschmaschinen eine der größten Eintragungsquellen von Mikroplastik in die Umwelt? Eine aktuelle Studie untersucht den Einfluss einer Haushaltswaschmaschine auf die Mikrofaserabgabe ins Abwasser und bewertet auch die Bedeutung fester und flüssiger Waschmittel.

Ob Funktionskleidung, Haushaltstextilien oder „Fast Fashion“ – Synthetikfasern, also Kunststofffasern aus erdölbasierten Materialien wie Polyester (PES), Polyamid (PA) oder Elasthan (EL) finden weitverbreitete Anwendung in der Herstellung verschiedener Textilien [1]. Werden sie gewaschen, entstehen durch mechanische und chemische Beanspruchung Abriebpartikel, die als Mikrofasern und Mikropartikel (Mikroplastik) über das Abwasser ins Kanalsystem und letztendlich über Kläranlagen in die Umwelt – unsere Flüsse, Seen und Meere – gelangen. Kläranlagen können nur einen Teil des Mikroplastiks aus dem Abwasser entfernen. Dieser Prozessschritt findet über den Austrag des Klärschlamms statt.

Die so genannte Klärschlammroute sieht in Deutschland eine Verbrennung vor. In vielen anderen Ländern mit der Strategie, Klärschlamm als wichtige Ressource und effizientes Düngemittel zu sehen, landen Klärschlamm und darin enthaltene Schadstoffe auf landwirtschaftlichen Nutzflächen oder im Wasserkreislauf. Schätzungen zufolge stammen ca. 35 % des primären Mikroplastiks im Meer vom Waschen synthetischer
Textilien [3, 4]. Als Mikroplastik werden Partikel und Fasern definiert, die eine Größe kleiner als 5 mm besitzen [5]. Wissenschaftliche Studien haben bisher untersucht, welche Einflussfaktoren die Faserabgabe aus
Textilien ins Abwasser unterstützen oder verhindern [6]. Wesentliche Faktoren sind Textileigenschaften, Waschmittel, Temperatur, Weichspüler, Umdrehungszahl,
Wassermenge, Wasch-Programm und Art der Waschmaschinen.

Betrachtet man die Haupt-Faktoren detaillierter, ergibt sich ein weitaus komplexeres Bild, welches die wissenschaftliche Studienführung maßgeblich beeinflusst. Aufgrund der Vielfältigkeit der Faktoren und deren Wechselwirkungen untereinander sowie der noch relativ geringen Menge an wissenschaftlich fundierten und vergleichbaren Datensätzen, ist es bis heute nicht gelungen, nachweislich wirkungsvolle Handlungsempfehlungen zu formulieren. Ein großes Manko ist das Fehlen einer standardisierten Probennahme- und Analysemethode [7, 8]. Die große Herausforderung ist nach wie vor, die Vielzahl an Textilien und Textilzusammensetzungen zu berücksichtigen und nicht nur mit Modell-Textilien (z. B. Fleece-Stoffen) zu arbeiten.

Zusätzlich zum beschriebenen Dilemma mangelnder Vergleichbarkeit und Anzahl von Datensätzen, landen derzeit verstärkt Produkte auf dem Markt, die Konsumenten nachhaltiges Handeln bei deren Kauf und Einsatz in Waschmaschinen oder während des Waschens suggerieren. Nach wie vor ist deren Sinnhaftigkeit und Notwendigkeit jedoch weder wissenschaftlich bewiesen noch widerlegt, was v. a. mit dem Fehlen vergleichbarer Daten zu tun hat (s. Abb. 3). Auch sollte berücksichtigt werden, dass viele der empfohlenen Produkte aus Kunststoffen hergestellt werden (Waschmaschinenfilter, Waschbeutel, Cora Ball) oder Chemikalien nicht grünen Ursprungs enthalten (Waschmittel). In einem aktuellen Forschungsprojekt der gemeinnützigen GmbH Wasser 3.0 aus Karlsruhe gehen die Wissenschaftler den offenen Fragen auf den Grund.

Wie entstehen Mikrofasern im Waschprozess?

Faser-Fragmente entstehen durch Abbrechen hervorstehender Fasern und das Lösen aus dem Garn (s. Abb. 4) [7, 8]. Dabei haben der Herstellungsprozess und die Textileigenschaften wie Fasertyp, Material, Verarbeitung des Garns und die (chemische) Veredlung der Textilien einen erheblichen Einfluss auf die Faser-Freisetzung. So werden beispielsweise beim Kalandrieren die Stoffe durch mindestens zwei Walzen unter Wärmeeinfluss zu endlosen Bahnen gewalzt, um hervorstehende Fasern mit dem Garn zu verschmelzen. Dies führt zu einer deutlich geringeren Faserfreisetzung der Stoffe. Beim Bürsten wird genau der gegenteilige Effekt bewirkt. Durch den Einsatz von Bürstwalzen wird der Stoff angeraut bzw. die Garne und Fasern absichtlich beschädigt, um eine weichere Oberfläche zu erhalten. Dies erhöht die Faserfreisetzung deutlich.

Der Waschmaschinentyp kann ebenso eine entscheidende Rolle einnehmen, wobei angenommen wird, dass Toplader wesentlich mehr Fasern freisetzen als Frontlader, in denen die Textilien weniger stark durch das Schleudern beansprucht werden [9]. Zusätzlich hat die Wahl des Waschprogramms, insbesondere die Parameter Temperatur, Umdrehungszahl, Waschdauer und die Wassermenge einen direkten Einfluss. Wie diese Parameter genau die Faserfreisetzung beeinflussen, wird in der Wissenschaft derzeit noch diskutiert, da Studien teilweise zu widersprüchlichen Ergebnissen kommen und in den meisten Fällen die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen den Waschparametern sowie Textileigenschaften nicht ausreichend untersucht wurden.

Überblick über verwendete Materialien und Methoden

Für die Untersuchungen zur quantitativen Bestimmung des Mikrofaserabriebs während des Waschens synthetischer Funktionskleidung verwendeten die Forschenden eine haushaltsübliche Waschmaschine (Modell: Grundig GW7P79419W). Zwei verschiedene Mischungen aus gebrauchter Funktionskleidung aus PES, PA und EL (2 kg) wurden gewaschen und nach jeder fünften Wäsche luftgetrocknet. Das Abwasser jeder Wäsche wurde aufgefangen und 200 ml auf einen 0,45 µm Membranfilter (Whatman Membrane Filters, Cat No. 7141-124, Whatman, Little Chalfont, UK) filtriert. Für die Mikrofaser-Auszählung wurde ein optisches Mikroskop (Leica DMS300, Leica Mikrosysteme Vertrieb, Wetzlar, Germany) mit der Software LAS-X 3.0.1423224 verwendet. Als Stichprobe wurden fünf 3 x 3 mm Quadrate manuell ausgezählt und auf die Probenmenge umgerechnet.

Vor Beginn der Untersuchungen wurde der Wäschemix jeweils 15-mal bei 60 °C und 1.200 rpm (engl. revolutions per minute; Umdrehungen pro Minute) ohne Waschmittel gewaschen, um eine konstante Faserfreisetzung zu erreichen. Anschließend wurden die Parameter Temperatur, Schleuderzahl und die Verwendung von Waschmittel untersucht. Dazu wurden die Temperaturen 30 °C und 60 °C, die Schleuderdrehzahlen 1.200 rpm und 600 rpm sowie je Waschen ohne Waschmittel und mit flüssigem und festen (Pulver-) Waschmittel verglichen. Hierzu wurden für jede Variante (s. Tabelle 1) fünf Waschgänge durchgeführt und der Mittelwert der Faserfreisetzung bestimmt.

Ergebnisse der Studie zur Faserfreisetzung und wiederholtes Waschen

Beim wiederholten Waschen der Kleidung fiel auf, dass in den ersten Waschgängen eine erhöhte Faserfreisetzung stattfand, welche mit wiederholtem Waschen abnahm (s. Abb. 5). Dies wurde zuvor bereits bei fabrikneuer Kleidung und Stoffen beobachtet, was auf Faserreste oder nicht richtig im Garn oder Stoff fixierte Fasern zurückzuführen war [10, 11]. In dieser Studie wurde dieses Verhalten auch für gebrauchte Kleidung beobachtet. Es ist zu vermuten, dass sich während des Tragens durch die mechanische Beanspruchung und das Scheuern der Kleidung Fasern lösen, die beim Waschen aus der Kleidung freigesetzt werden [7, 8]. Auch sind bei alten Textilien die Fasern durch das Altern brüchiger. Dadurch kommt es zum Ausfransen der Stoffe, die dann mehr Fasern abgeben. Da die Kleidung zwischen den Waschgängen nicht getragen wurde, fand keine erneute Beanspruchung statt und die Anzahl der abgegebenen Fasern nahm ab.

Auch fiel auf, dass bei Wäschemix 1 die Anzahl der Fasern (∅ 5.3 Mio. Fasern pro Waschgang) annähernd doppelt so hoch war wie bei Wäschemix 2 (∅ 2.7 Mio. Fasern pro Waschgang). Dies ist auf die unterschiedlichen Stoffe in den Wäschemixen zurückzuführen. Einzelne Kleidungsstücke, beispielsweise gealterte und stark beschädigte Kleidungsstücke, können zu starker Faserfreisetzung führen und so die gesamte Probe beeinflussen [9, 12]. In beiden Fällen ist die Kontamination mit Werten von 2,4 bis 11,9 Mio. Fasern pro Waschgang (Wäschemix 1) und 1,1 bis 6,6 Mio. Fasern pro Waschgang (Wäschemix 2) bezogen auf die 2 kg Wäsche im Vergleich zu den Ergebnissen anderer Studien als hoch einzustufen [5, 13]. Dies ist auf die Synthetikstoffe bzw. Synthetikfasern der getragenen Sportkleidung zurückzuführen, aber auch abweichende Analysemethoden können zu Unterschieden führen.

Welchen Einfluss haben die Waschparameter auf die Faserfreisetzung?

Ein wichtiger Waschparameter hinsichtlich der Faserfreisetzung ist der Einsatz von Waschmitteln in fester (Pulver) oder flüssiger Form.

Abbildung 6 fasst die Faserfreisetzung mit Flüssig- und Pulverwaschmittel sowie ohne Waschmittel bei verschiedenen Temperaturen und Schleuderdrehzahlen zusammen. In beiden Wäschemischungen zeigte sich eine reduzierte Faserfreisetzung durch Waschmitteleinsatz. Diese war bei 11 von 12 Kombinationen statistisch signifikant. Durchschnittlich reduzierte der Waschmitteleinsatz die Faserfreisetzung um 57 %. Im Vergleich hierzu kommen verschiedene wissenschaftliche Studien zur Untersuchung des Einflusses von Waschmitteln auf den Waschprozess zu teilweise gegenteiligen Ergebnissen. So kann die Verwendung von Waschmittel (flüssig oder Pulver) und Weichspüler den Faserabrieb begünstigen oder aber vermindern [7]. Dies liegt u. a. an der großen Vielfalt an Waschmitteln und Kombinationsmöglichkeiten von Waschmittelzusammensetzung, Menge, Waschprogramm, Trocknungsprozessen sowie den verschiedenen Textilarten und den zahlreichen Interaktionen dieser Parameter. Nicht zu vernachlässigen ist an dieser Stelle der Punkt, dass die Textilien durch die Tenside im Waschmittel chemisch angegriffen werden und so anfälliger für Faserbruch bzw. Abrieb werden. Oder aber die Textilien werden durch das „Einschäumen“ vor mechanischer Beanspruchung gestützt [7].

Beim Vergleich des Gebrauchs von Pulver- und Flüssigwaschmittel zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Waschmitteln für fünf von sechs Kombinationen. Vorherige Studien stellten teilweise höhere Faserfreisetzung bei der Verwendung von Pulverwaschmitteln fest, was auf den Einsatz von Zeolithen und die damit verbundene Reibung zurückgeführt wird [7, 8]. Andere Studien kamen ebenfalls zu dem Ergebnis, dass sich der Einsatz von Flüssig- und Pulverwaschmittel nicht unterscheidet.

Untersuchung des Einflusses von Waschtemperatur und Schleuderdrehzahl

Betrachtet man den Einfluss der Waschtemperatur und Schleuderdrehzahl, zeigen die Messdaten eine deutliche Reduktion der Faserfreisetzung bei einer Verringerung der Waschtemperatur von 60 °C auf 30 °C um durchschnittlich 38 %. Wurde die Schleuderdrehzahl von 1.200 rpm auf 600 rpm verringert, reduzierte sich die Faserfreisetzung um durchschnittlich 34 %.

Betrachtet man jedoch die einzelnen Kombinationen mit und ohne Waschmittel, zeigte sich ein komplexeres Bild. Beim Einsatz von Waschmittel waren die Reduktionen durch die Temperatursenkung und Schleuderdrehzahlsenkung deutlich geringer und teilweise statistisch nicht aussagekräftig. Dies ist durch die Interaktion der Effekte der Waschmittel und der reduzierten Temperatur bzw. Schleuderdrehzahl zu erklären, welche sich gegenseitig beeinflussen.

Nachhaltige Prozessoptimierung

Mit Deep Dive und Weitblick gegen Mikroplastik

Vergleicht man die Ergebnisse mit anderen Studien, zeigen diese auch teilweise unterschiedliche Ergebnisse. So stellten Yang et al. fest, dass hohe Waschtemperaturen (ab 60 °C) und eine hohe Umdrehungszahl (1.200 bis 1.400 rpm) die Faserfreisetzung verstärken, wobei sich jedoch zwischen verschiedenen Textilien große Unterschiede zeigten [14]. Im Gegensatz hierzu fanden Hernandez et al. keinen statistisch signifikanten Unterschied in der Faserfreisetzung bei einer Erhöhung der Waschtemperatur (untersuchte Temperaturen: 25, 40, 60 und 80 °C), unabhängig davon, ob ein Waschmittel genutzt wurde [15]. Hierbei wurden die Versuche in einer Laborwaschmaschine zum Simulieren des Waschprozesses durchgeführt. Während in den Laborstudien keine Handlungsempfehlungen abgeleitet werden können, liefern die hier präsentierten Ergebnisse klare Handlungsempfehlungen und Ansatzpunkte zur Reduktion der Freisetzung von Kunstfasern beim Waschen.

Handlungsempfehlung abgeleitet aus den präsentierten Studienergebnissen

Anhand der Studienergebnisse wird deutlich, dass eine geeignete Auswahl an Waschparametern die Faserfreisetzung und damit die Belastung des Abwassers mit Synthetikfasern aus Waschprozessen reduzieren kann (s. Abb. 7):

• Durch die Verwendung und den Einsatz von Waschmittel kommt es zu einer reduzierten Faserfreisetzung (–57 %), da das Waschmittel durch die schmierende Wirkung die Reibung innerhalb des Stoffes verringert [7, 8]. Hierbei spielt es keine Rolle, ob Pulver- oder Flüssigwaschmittel verwendet wird.

• Eine verringerte Waschtemperatur von 60 °C auf 30 °C reduziert die Faserfreisetzung um 38 %, da die geringere Temperatur schonender zum Stoff ist und somit die Fasern weniger schädigt.

• Die Reduktion der Umdrehungszahlen von 1.200 rpm auf 600 rpm reduziert die Faserfreisetzung um 34 %, da die mechanische Beanspruchung des Stoffs und die Reibung abnehmen.

• Die Kombination des Waschmitteleinsatzes bei gleichzeitiger Verringerung der Umdrehungszahlen von 1.200 rpm auf 600 rpm verringert die Faserfreisetzung um durchschnittlich 77 %. Die Reduktion der Waschtemperatur von 60 °C auf 30 °C in Kombination mit Waschmittel führt zu einer Reduktion der Faserfreisetzung von 71 %.

• Auch der Abnutzungsgrad der Kleidung spielt eine Rolle. Stark abgenutzte Kleidung führt zu einer hohen Faserfreisetzung, da die beschädigten Stoffe eine nicht zu vernachlässigende Menge an Fasern abgeben. Dies sollte in der Diskussion über die Nutzungsdauer von Kleidung beachtete werden, da es einen Punkt gibt, ab dem das Zuführen der Kleidung aus Synthetikstoffen zu einem Recyclingprogramm sinnhafter ist, als das weitere Tragen und eine hohe Faserfreisetzung in die Umwelt in Kauf zu nehmen.

Konsumentenverantwortung und was ist mit dem Verursacherprinzip?

Die Ergebnisse der Studie zeigen, an welchen Stellen die Konsumenten heute schon (auch ohne Filter) ansetzen können, um den Eintrag von Kunststoff-Fasern ins Abwasser zu reduzieren. Jedoch sollten wir uns an dieser Stelle bewusst machen, dass die Haushalte im globalen Norden i. d. R. an die Kläranlagen angeschlossen sind.

Der „Faser-Hotspot“ liegt in den Ländern, in denen die Produktion und Verarbeitung von Textilien stattfindet und in denen hochbelastete industrielle Abwässerströmen direkt in die Umwelt gelangen. An diesen Stellen schaffen Entfernungstechnologien, wie Wasser 3.0 PE-X, die in ein nachhaltiges Prozessdesign eingebunden sind, Abhilfe. Wasser 3.0 sucht weitere Wirkungsbeschleuniger für Wasser ohne Mikroplastik. Werden Sie Kooperationspartner:in.

Referenzen:

[1] Henry B, Laitala K, Klepp IG. Microfibres from apparel and home textiles: Prospects for including microplastics in environmental sustainability assessment. Sci Total Environ. 2019;652:483–94. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.10.166.

[2] European Topic Centre on Circular Economy and Resource Use. Microplastic pollution from textile consumption in Europe. 2022. https://eionet.devel4cph.eea.europa.eu/etcs/etc-ce/products/etc-ce-products/etc-ce-report-1-2022-microplastic-pollution-from-textile-consumption-in-europe.

[3] Boucher J, Friot D. Primary microplastics in the oceans: A global evaluaton of sources. Gland: IUCN; 2017.

[4] Wasser 3.0 gGmbH. Team WASoMi erklärt: Primäres Mikroplastik. 2022. https://www.youtube.com/watch?v=ix24OCaFuJU.

[5] Napper IE, Thompson RC. Release of synthetic microplastic plastic fibres from domestic washing machines: Effects of fabric type and washing conditions. Mar Pollut Bull. 2016;112:39–45. doi:10.1016/j.marpolbul.2016.09.025.

[6] Bundesverband der Deutschen Sportartikel-Industrie e.V. Textiles Mikroplastik reduzieren: Erkenntnisse aus einem interdisziplinären Forschungsprojekt. 2021. https://textilemission.bsi-sport.de/fileadmin/assets/Abschlussdokument-2021/TextileMission_Abschlussdokument_Textiles_Mikroplastik_reduzieren.pdf.

[7] Periyasamy AP, Tehrani-Bagha A. A review on microplastic emission from textile materials and its reduction techniques. Polymer Degradation and Stability. 2022;199:109901. doi:10.1016/j.polymdegradstab.2022.109901.

[8] Ramasamy R, Subramanian RB. Synthetic textile and microfiber pollution: a review on mitigation strategies. Environ Sci Pollut Res Int. 2021;28:41596–611. doi:10.1007/s11356-021-14763-z.

[9] Hartline NL, Bruce NJ, Karba SN, Ruff EO, Sonar SU, Holden PA. Microfiber Masses Recovered from Conventional Machine Washing of New or Aged Garments. Environ Sci Technol. 2016;50:11532–8. doi:10.1021/acs.est.6b03045.

[10] Pirc U, Vidmar M, Mozer A, Kržan A. Emissions of microplastic fibers from microfiber fleece during domestic washing. Environ Sci Pollut Res Int. 2016;23:22206–11. doi:10.1007/s11356-016-7703-0.

[11] Sillanpää M, Sainio P. Release of polyester and cotton fibers from textiles in machine washings. Environ Sci Pollut Res Int. 2017;24:19313–21. doi:10.1007/s11356-017-9621-1.

[12] Acharya S, Rumi SS, Hu Y, Abidi N. Microfibers from synthetic textiles as a major source of microplastics in the environment: A review. Textile Research Journal. 2021;91:2136–56. doi:10.1177/0040517521991244.

[13] Periyasamy AP. Evaluation of microfiber release from jeans: the impact of different washing conditions. Environ Sci Pollut Res Int. 2021;28:58570–82. doi:10.1007/s11356-021-14761-1.

[14] Yang L, Qiao F, Lei K, Li H, Kang Y, Cui S, An L. Microfiber release from different fabrics during washing. Environ Pollut. 2019;249:136–43. doi:10.1016/j.envpol.2019.03.011.

[15] Hernandez E, Nowack B, Mitrano DM. Polyester Textiles as a Source of Microplastics from Households: A Mechanistic Study to Understand Microfiber Release During Washing. Environ Sci Technol. 2017;51:7036–46. doi:sich.

[16] Wasser 3.0 gGmbH. Zwei Fragen - ein Blog: Wie entsteht Mikroplastik beim Waschen? Sind aktuelle Lösungen echte Lösungen unseres Mikroplastik-Problems? 2023. https://wasserdreinull.de/blog/waschmaschinenfilter-gegen-mikroplastik/. Accessed 20 Jul 2023.

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