Untersuchungen zur Anwendung von Aktivkohlen, Ionenaustauschern und eines funktionellen Fällmittels für die Elimination von Per- und Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS) aus hoch belasteten Wässern
In der Arbeit werden Untersuchungen zur Anwendung von Aktivkohlen und Ionenaustauschern sowie der Einsatz eines funktionellen Fällmittels für die Entfernung von Per- & Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS) aus fluiden Medien dokumentiert.
Die Arbeit spiegelt einen Auszug der Forschungstätigkeiten ab dem Jahr 2015 wider. In Bezug auf den Einsatz funktioneller Fällmittel baut die Arbeit auf zuvor entwickelten und zum Patent eingereichten Verfahren auf und setzt vor allem Schwerpunkte bei der Beantwortung praxisrelevanter Fragestellungen.
Nach einer Einführung in das Thema PFAS wird die Sorption von PFAS, dem bislang etablierten Verfahrensansatz für die Behandlung PFAS-verunreinigter Wässer, betrachtet. Insbesondere werden Randbedingungen beleuchtet, die Einfluss auf die Sorption von PFAS und somit auf die Laufzeit von Festbettfiltern nehmen können. Im Unterschied zu vielen Forschungsansätzen, die sich mit Fragestellungen zum gleichen Themenkreis beschäftigen, wurden die im Rahmen der eigenen Forschungstätigkeit erhobenen Daten nicht ausschließlich im Labormaßstab, sondern zum überwiegenden Teil in halbtechnischen Versuchsanlagen (Säulenkolonnen) und in großtechnisch ausgeführten Pilotanlagen gewonnen.
Der auf dem Einsatz funktioneller Fällmittel (PerfluorAd®-Verfahren) basierende innovative Verfahrensansatz, mit dem gelöste PFAS aus Wässern ausgefällt und anschließend unter Einsatz konventioneller Trennverfahren als Präzipitate aus dem Wasser abgetrennt wird, wird durch Ergebnisse dieser Arbeit zu einer praxisreifen Methode weiterentwickelt.
In der Arbeit wird gezeigt, dass
- bei einer Nutzung konventioneller Adsorber- und Ionenaustauscher-Materialien die zu erzielenden Reinigungsleistungen und Filterlaufzeiten von den PFAS-Gehalten und -zusammensetzungen, von der Wassermatrix als auch von den Betriebsbedingungen beeinflusst werden,
- einzelne Kongenere der PFAS-Gruppe ein zum Teil deutlich unterschiedliches Verhalten bei der Nutzung konventioneller Adsorber- und Ionenaustauscher-Materialien erkennen lassen,
- unter Anwendung von PerfluorAd die Laufzeiten von Adsorbern verlängert werden können,
- derzeit analytisch nicht als PFAS-Einzelsubstanzen nachweisbare Substanzen (sog. Precursor-Substanzen), die nicht in konventionellen Sorptionskolonnen zurückgehalten werden, bei einer Anwendung von PerfluorAd zumindest anteilig entfernt werden können,
- das PerfluorAd-Verfahren im Unterschied zu konventionellen Sorbentien bei einem Vorhandensein erhöhter organischer Hintergrundbelastungen nicht oder nur geringfügig negativ beeinflusst wird und zugleich eine hohe technische Resilienz aufweist,
- Jar-Tests geeignet sind, um den Einsatz von PerfluorAd für Praxisanwendungen mit einfachen Labormethoden projektbezogen validieren und die großtechnische Anwendung im laufenden Betrieb jederzeit optimieren zu können.
The thesis documents research on the application of activated carbons and ion exchange resins, as well as the use of a functional precipitant for the removal of per- & polyfluoroalkyl substances (PFAS) from fluid media.
The work reflects an excerpt of research activities from 2015. With regard to the use of functional precipitants, the work builds on previously developed and patent-submitted processes and focuses primarily on answering practical questions.
After an introduction to the topic of PFAS, the sorption of PFAS, the established process approach to date for the treatment of PFAS-contaminated waters, is considered. In particular, boundary conditions are highlighted which can influence the sorption of PFAS and thus the lifetime of fixed bed filters. In contrast to many research approaches dealing with questions on the same topic, the data collected in the course of this research activity were not exclusively obtained on a laboratory scale, but for the most part in semi-industrial test plants (columns) as well as in pilot plants designed on an industrial scale.
The innovative process approach based on the use of functional precipitants (PerfluorAd® process), with which dissolved PFAS are precipitated from water and subsequently separated from the water as precipitates using conventional separation processes, is further developed into a practical method by the results of this work.
In the paper it is shown that
- when using conventional adsorber and ion exchanger materials, the achievable purification efficiencies and filter lifetimes are influenced by the PFAS contents and compositions, by the water matrix as well as by the operating conditions,
- individual congeners of the PFAS group show a partly clearly different behavior when using conventional adsorber and ion exchanger materials,
- the lifetime of adsorbers can be extended by using PerfluorAd,
- substances that are currently not analytically detectable as PFAS individual substances (so-called precursor substances), which are not retained in conventional sorption columns, can be at least partially removed when using PerfluorAd,
- the PerfluorAd process, in contrast to conventional sorbents, is not or only slightly negatively affected in the presence of elevated organic background loads and at the same time exhibits a high technical resilience,
- Jar tests are suitable for validating the use of PerfluorAd for practical applications with simple laboratory methods on a project-related basis and for optimizing the large-scale technical application during operation at any time.