PFAS (substancje per- i polifluoroalkilowe) to grupa syntetycznych związków organicznych, które są wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych ze względu na ich unikalne właściwości chemiczne i fizyczne. Jednocześnie ich trwałość, mobilność i skutki toksykologiczne sprawiają, że stanowią one poważne wyzwanie dla przemysłowego oczyszczania wody i ścieków.

PFAS są również znane jako "wieczne chemikalia", ponieważ prawie nie ulegają degradacji w środowisku i mogą gromadzić się w organizmach, a także w zasobach wodnych i glebowych. Ich usuwanie wymaga specjalistycznych procesów i technologii.

Właściwości chemiczne i fizyczne PFAS

PFAS charakteryzują się następującymi właściwościami:

1. Struktura chemiczna:

   • Składają się z łańcucha atomów węgla, które są całkowicie lub częściowo zastąpione atomami fluoru.
   • Wiązanie C-F jest jednym z najsilniejszych wiązań w chemii i nadaje PFAS stabilność termiczną, odporność chemiczną i hydrofobowość.

2. Trwałość:

   • PFAS są niezwykle odporne na degradację biologiczną i chemiczną.
   • Ich okres półtrwania w środowisku i organizmach żywych wynosi od kilku lat do kilkudziesięciu lat.

3. Właściwości hydrofilowe i lipofilowe:

   • PFAS są amfifilowe, tj. mają właściwości zarówno hydrofobowe (hydrofobowe), jak i tłuszczoodporne (lipofobowe).

4. Mobilność:

   • Długie łańcuchy, takie jak PFOA (kwas perfluorooktanowy) lub PFOS (sulfonian perfluorooktanu) są wysoce mobilne i mogą zanieczyszczać wody gruntowe i powierzchniowe na duże odległości.

Źródła PFAS

PFAS są stosowane w różnych produktach i procesach, w tym w

1. procesy przemysłowe

PFAS są stosowane w procesach przemysłowych w celu wykorzystania określonych właściwości funkcjonalnych, takich jak stabilność chemiczna, hydrofobowość i odporność na temperaturę. Oto niektóre z głównych zastosowań:

a) Produkcja pianek gaśniczych (AFFF)

• Piany tworzące film wodny (AFFF ) na bazie PFAS są stosowane do gaszenia szybko palnych cieczy, takich jak benzyna lub olej.
• Tworzą one chemicznie stabilną warstwę piany, która oddziela tlen od źródła ognia i sprawia, że gaszenie jest skuteczne.
• Obszary zastosowań: Lotniska, zakłady petrochemiczne, obiekty wojskowe.
• Problem: Pozostałości tych pianek często trafiają bezpośrednio do gleby lub wód gruntowych, skąd rozprzestrzeniają się na duże obszary.

b) Galwanizacja i obróbka powierzchni

• PFAS są stosowane jako środki zwilżające w galwanizacji w celu zminimalizowania rozprysków podczas procesu powlekania i wytworzenia równych warstw na powierzchniach metalowych.
• Typowe zastosowania: Produkcja powłok antykorozyjnych i trwałych produktów metalowych.
• Niebezpieczeństwo: Ścieki produkcyjne często zawierają wysokie stężenia PFAS, które mogą przedostać się do środowiska bez oczyszczania.

c) Przemysł włókienniczy i skórzany

• PFAS są stosowane jako powłoki odporne na wodę, brud i tłuszcz w tekstyliach, wyrobach skórzanych i dywanach.
• Przykłady: Impregnowana odzież outdoorowa, wodoodporne buty, plamoodporne pokrowce na sofy.
• Problem środowiskowy: Odpady i pozostałości po produkcji oraz wymywanie PFAS podczas użytkowania i czyszczenia.

2. produkty konsumenckie

Wiele produktów codziennego użytku zawiera PFAS, ponieważ czynią je bardziej trwałymi, odpornymi i funkcjonalnymi. Niektóre z głównych zastosowań to:

a) Nieprzywierające powłoki w naczyniach kuchennych

• PFAS, w szczególności PTFE (politetrafluoroetylen), jest stosowany w nieprzywierających powłokach garnków i patelni.
• Zalety: Zwiększona odporność na ciepło i łatwe czyszczenie.
• Problem: Zużycie powłoki podczas użytkowania może uwalniać niewielkie ilości PFAS, które mogą trafić do środowiska lub żywności.

b) Impregnaty do papieru, tektury i opakowań

• PFAS nadają produktom papierowym właściwości hydrofobowe i odtłuszczające.
• Przykłady: Opakowania na produkty typu fast food, pudełka na pizzę, torebki na popcorn do mikrofalówki.
• Niebezpieczeństwo: Po użyciu opakowanie to trafia do odpadów i uwalnia PFAS podczas rozkładu, np. w odciekach ze składowisk odpadów.

c) Środki czyszczące i pasty polerskie

• Produkty zawierające PFAS są wykorzystywane do produkcji wodoodpornych i odpornych na zabrudzenia powłok na powierzchnie takie jak szkło, metal i ceramika.
• Przykład: środki do polerowania pojazdów, środki do czyszczenia okien, środki ochronne do mebli.
• Problem: PFAS są uwalniane do ścieków podczas użytkowania i późniejszego płukania.

3. ścieki i składowiska odpadów

PFAS z procesów przemysłowych i produktów konsumenckich są ostatecznie uwalniane do środowiska:

a) Ścieki produkcyjne

• Ścieki z zakładów przemysłowych często zawierają wysokie stężenia PFAS, zwłaszcza jeśli są odprowadzane do zbiorników wodnych bez odpowiedniego oczyszczenia.
• Branże o szczególnie wysokiej emisji: produkcja chemiczna, fabryki włókiennicze, przetwórstwo metali i produkcja tworzyw sztucznych.

b) Odcieki ze składowisk odpadów

• Materiały skażone PFAS, takie jak impregnowane opakowania, tekstylia lub pozostałości pianki gaśniczej, są często składowane na wysypiskach śmieci.
• Gdy odpady te są rozkładane, PFAS są uwalniane do odcieku, który może dostać się do wód gruntowych lub powierzchniowych, jeśli nie zostanie oczyszczony.
• Wyzwanie: Mobilność PFAS utrudnia ich odzyskiwanie z odcieków.

c) Źródła rozproszone

• PFAS są również uwalniane ze źródeł rozproszonych, na przykład poprzez zanieczyszczenia atmosferyczne lub obszary rolnicze, które zostały nawożone osadami ściekowymi zanieczyszczonymi PFAS.
• Te czynniki są trudne do kontrolowania i przyczyniają się do zanieczyszczenia na dużą skalę.

Wyzwania związane z PFAS w oczyszczaniu wody i ścieków

1. Wpływ na zdrowie:

   • PFAS wykazują zdolność do bioakumulacji i są podejrzewane o działanie rakotwórcze, zaburzające gospodarkę hormonalną i immunotoksyczne.
   • Wpływają na reprodukcję, układ hormonalny i układ odpornościowy.

2. Wymogi regulacyjne:

   • Surowe limity prawne dla PFAS w wodzie pitnej i ściekach już obowiązują lub są wprowadzane na całym świecie.
   • Na przykład w UE maksymalna wartość 0,1 µg/L ma zastosowanie do PFOA i PFOS w wodzie pitnej.

3. Wyzwania technologiczne:

   • PFAS są trudne do degradacji i nie można ich usunąć za pomocą konwencjonalnych procesów oczyszczania wody lub ścieków, takich jak oczyszczanie biologiczne lub prosta filtracja.

Technologie usuwania PFAS

Usuwanie PFAS z wody wymaga specjalistycznych i innowacyjnych procesów. Najważniejsze technologie obejmują

1. adsorpcja przez węgiel aktywny

• Mechanizm: Cząsteczki PFAS są adsorbowane na porowatej powierzchni węgla aktywnego.
• Zalety: Wysoka skuteczność w usuwaniu długołańcuchowych PFAS (np. PFOS, PFOA).
• Ograniczenia: Mniejsza skuteczność w przypadku krótkołańcuchowych PFAS, które są mniej hydrofobowe. Wymagana regularna regeneracja lub wymiana węgla aktywnego.

2. systemy wymieniaczy jonowych

• Mechanizm: PFAS wiążą się z powierzchniami żywicy poprzez interakcje jonowe.
• Zalety: Bardzo skuteczny w przypadku krótkołańcuchowych PFAS.
• Ograniczenia: Wysokie koszty operacyjne i regularna regeneracja.

3. proces utleniania

• UV/ozon, Fenton lub UV/H2O2:
  • Częściowy rozkład PFAS przez wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe.
  • Skuteczny dla niektórych PFAS, takich jak PFOS, ale nie dla wszystkich.
• Ograniczenia:
  • Wysokie zapotrzebowanie na energię.
  • Ryzyko powstawania toksycznych półproduktów