PFAS Removal from Wastewater Effluents: Activated Carbon and Ion Exchange for >長鎖-および短鎖-の永久化学物質を 90% 除去

PFAS は、除去することを拒否する汚染物質です。炭素-フッ素結合が有機化学の中で最も強いことから「永遠の化学物質」と呼ばれ、ペル-物質やポリフルオロアルキル物質は従来の生物学的処理をほとんどそのまま通過し、排水、地下水、食物連鎖に再び現れます。水の再利用を目指して建設を進めている公益事業にとって、これは成功するか失敗するかの課題です。資源であるはずの同じ処理水が、微量の残留性汚染物質を運ぶ媒体になってしまうのです。この研究は、吸着-ベースの技術-が粒状活性炭とイオン交換- は以上を削除できます長鎖 PFAS の 90%-PFOA と PFOS のようなものであり、それらを組み合わせることが安全に再利用するための現実的な方法であると考えられます。

PFA が従来の治療法に反抗する理由

PFAS は、熱、水、油に耐えるという 1 つの目的のために設計された合成化学物質の大きなグループです。その設計目標により、製品は非常に有用なものになっています - 食品包装の裏地を張り、繊維をコーティングし、消火泡を抑制し、電子機器製造を保護します - と同時に、環境に対しても同様に非常に耐久性があります。工業用性能を実現する炭素-フッ素結合は、自然分解経路がほとんど触れないことも意味します。

従来の二次廃水処理は生物学に依存しており、生物学はPFASを諦めています。活性汚泥、散水フィルター、移動床バイオフィルム システムは、有機炭素と栄養素を分解するように最適化されています。日常の汚染物質を消費するのと同じ微生物が、PFAS をほとんどそのまま残します。その結果、二次排水には依然として ng/L ～ µg/L の濃度のこれらの化合物が含まれており、これらの化合物は下流の河川、帯水層に流れ込み、再利用されることになります。水不足により、より多くの公益事業が間接的および直接的に飲料用として再利用されるようになっており、PFAS 管理は単なる美点ではなくなり、規制および公衆衛生上の要件となっています。-

試験中の先進治療トレイン

代表的な PFAS 化合物を含む二次廃水は、4 つの高度な構成で処理されました。それぞれが異なる削除メカニズムをターゲットにしており、それらを組み合わせて、今日の電力会社が利用できる実用的なオプションをマップします。

粒状活性炭（GAC）。炭素表面および細孔構造との疎水性相互作用を通じて PFAS を除去する充填床吸着。連続フルフロー研磨に適しています。-

粉末活性炭（PAC）。微細なカーボンが流れに直接添加され、迅速な表面吸着と衝撃荷重や断続的な動作に対する柔軟性を提供します。

イオン交換樹脂処理。-静電気引力によって PFAS を捕捉する陰イオン交換樹脂。炭素では扱いにくい短鎖化合物に対して特に強力です。-

吸着と膜ろ過を組み合わせたもの。吸着媒体と膜分離を組み合わせたハイブリッド アプローチで、マルチバリア微量除去を実現します。{0}

実験では、水質特性と競合有機化合物のレベルを追跡しながら、PFAS 濃度、吸着剤の投与量、接触時間を変化させました。除去性能は、PFAS を低い ng/L 範囲まで定量できる分析のゴールドスタンダードである液体クロマトグラフィータンデム質量分析法 (LC-MS/MS) によって測定されました。吸着剤の表面特性と再生の可能性は、媒体が使い果たされるまでどれくらいの時間がかかり、その後媒体はどうなるのかという実際的な質問に答えるために評価されました。

結果: Pfas 化学に適合するテクノロジー

その結果、二次処理だけでは限られた割合の PFAS しか除去されないことが確認されました-。これは化合物の安定性と低い生分解性の直接的な結果です。その後、活性炭が、PFOA や PFOS などの長鎖 PFAS という、人々が最もよく耳にする分子の主力製品として登場しました。-特に GAC は、その発達した細孔構造と有利な表面相互作用機構のおかげで、長期間の動作中に高い吸着能力を維持しました。-

イオン交換樹脂は補完的な役割を果たしました。彼らは、特定の短鎖 PFAS - の優れた除去を示しました。これらの化合物は、炭素鎖が短いほど疎水性が低いため、通常吸着による除去が困難です。この分割は、調査の中で最も重要な設計上の洞察です。すべての PFAS を単一の技術で除去できるわけではありませんしたがって、適切なシステムは PFAS が存在する機能です。

チェーンの長さの分割は、実際の設計上の決定に影響を与えるため、詳細に説明する価値があります。{0}長鎖 PFAS はより長いフッ素化尾部を持ち、より疎水性が高いため、炭素表面に強く引き付けられます。短鎖 PFAS は小さく、より移動しやすく、疎水性吸着によって捕捉されにくいですが、アニオン性の特性により、イオン交換の優れた候補となります。 PFOS のみを測定するユーティリティは、その炭素床が完璧に機能している一方で、短鎖化合物はそのまま通過すると結論付ける可能性があります。-

有機物競争問題

この研究のすべての吸着システムは、同じ静かな敵、つまり天然有機物 (NOM) に直面しました。廃水には、PFAS に比べて膨大な数の吸着サイトを占めるフミン物質およびフルボ物質のバックグラウンド負荷が含まれています。 NOM はミリグラム/リットル単位で存在するのに対し、PFAS は微量濃度でしか存在しないため、有機物が炭素表面に飽和し、予想よりも早く PFAS が突破される可能性があります。

この発見により、運用上の問題が再構成されます。 PFAS 濃度に合わせて GAC ベッドのサイズを設定するだけでは十分ではありません。ベッドのサイズは競合するバックグラウンド マトリックスに合わせて調整する必要があります。実際には、これは、より頻繁に媒体を交換するか、NOM を下げるための前処理を行うか、浄水設計の予測よりも早く排水の水質が低下することを受け入れることを意味します。-この研究は、これが実験室のパフォーマンスと現場の現実との間の最大のギャップの1つであることを示しています。

除去から破壊まで: 次のフロンティア

吸着により PFAS は水から移動しますが、PFAS は破壊されません。負荷された炭素と使い果たされた樹脂は、PFAS を含む廃棄物になります。-その廃棄物は慎重に再生または処分する必要があります -。また、再生によって化合物がブラインまたはオフガス流に移されるだけの場合、問題は解決されるというよりも、別の場所に移されたことになります。-これが、独立した戦略としての吸着の主要な弱点です。

この研究は、吸着と破壊技術を組み合わせるという新たな答えを示しています。電気化学的酸化、プラズマ処理、および高度酸化プロセス (AOP) は、PFAS を頑固にする炭素-フッ素結合を破壊する可能性があります。おそらく将来の処理トレインは、段階的なものです。- 吸着によって PFAS を濃縮してきれいな水を供給し、一方、破壊ステップによって濃縮された廃棄物の流れを処理し、汚染物質を永久に石灰化します。長期にわたる再利用インフラストラクチャを計画している電力会社にとって、この最終的な統合を考慮した設計は、単一のテクノロジー ソリューションよりもはるかに優れた選択肢です。-

重要なポイント

従来の二次生物学的処理では、PFAS の限られた部分しか除去されません。化合物の安定性と生分解性の低さにより、それらは残留性の排水汚染物質となります。

GAC は長鎖 PFAS の 90% 以上を除去-(PFOA、PFOS)、イオン交換は、難分解性の短鎖化合物 (PFBA、PFBS) の場合により強力なオプションです。-

炭素鎖の長さと官能基によってどのテクノロジーが機能するかが決まるため、総濃度 - だけでなく PFAS の種分け - もシステム設計を推進する必要があります。

天然有機物は吸着サイトをめぐって PFAS と競合し、ブレークスルーを加速します。ベッドのサイズは、理想的な水ではなく、実際の背景マトリックスに合わせて調整する必要があります。

吸着は捕捉しますが、破壊しません。これを電気化学的酸化、プラズマ、または AOP と組み合わせることで、PFAS を永久に破壊し、安全な水を再利用する道が得られます。

結論

PFAS は水再利用時代を特徴づける新たな汚染物質であり、現在、吸着が最も実用的な防御線となっています。活性炭は、信頼性が高くよく理解されている長鎖化合物の除去を実現します。{{1}{2}}、イオン交換はその武器を短鎖まで拡張し、複合システムは再利用に必要なマルチバリアの回復力を提供します。-排出規制が世界的に強化される中、電力会社は、吸着と破壊技術を組み合わせた統合された高度な処理トレインを必要とします。-、現在利用可能な最良の制御を明日の安全な閉ループ給水システムの基盤に変える-。