Identifikation geeigneter Aktivkohlen für die Entfernung von PFAS bei der Trinkwasseraufbereitung

Abstract

Die Stoffgruppe der PFAS umfasst eine Vielzahl an Substanzen, die in der Umwelt nachgewiesen werden können, einige davon auch im Grundwasser. Aufgrund ihrer hohen Persistenz und den toxischen Eigenschaften einzelner Stoffe stellen PFAS eine Gefährdung für die Ressource Trinkwasser dar. Die Technologien zur Entfernung von PFAS aus der Wassermatrix sind limitiert, eine Adsorption an Aktivkohlen gilt allgemein als vielversprechende Lösung. Diese Arbeit widmet sich der Identifikation geeigneter Aktivkohlen zur Entfernung von PFAS im Uferfiltrat. Im Zuge von drei Versuchsphasen wurde die Adsorption im Labormaßstab untersucht: Anfänglich wurden in Batch-Versuchen Isothermen mit Methylenblau erstellt, um wesentliche methodische Unterschiede in der Untersuchung von Pulveraktivkohlen und granulierten Aktivkohlen zu erarbeiten. Anschließend wurden Filtersäulenversuche (engl. Laboratory-scale Adsorbers) herangezogen, um eine Reduktion der Summenparameter SAK254 und DOC durch die Adsorption im Langzeitbetrieb über 7.500 Bettvolumina zu untersuchen und u.a. eine Beladung der Kohlen mit PFAS zu erzielen. Bei den Säulenversuchen wurden zwei granulierte Aktivkohlen verglichen. In der zweiten Versuchsphase wurden zwei der vier Filtersäulen mit Brunnenwasser beschickt, welches aufgrund eines Hochwasserereignisses höhere DOC-Konzentrationen aufwies, um einen Einfluss veränderter Zulaufkonzentrationen auf den Adsorptionsprozess zu untersuchen. Die anderen beiden Filtersäulen wurden in der zweiten Phase der Säulenversuche mit einer PFAS-Lösung beschickt, die definierte Konzentrationen ausgewählter PFAS beinhaltete, um Informationen über den Rückhalt von PFAS zu erhalten. In Phase II wurde das Filterbett aus Phase I weiterverwendet. Für das Spiking mit PFAS wurden unterschiedliche Perfluorcarbonsäuren und Perfluorsulfonsäuren mit einer Kettenlänge zwischen zwei und zwölf Kohlenstoffatomen gewählt.Zwischen den granulierten Aktivkohlen und der Pulveraktivkohle konnten wesentliche Unterschiede in Bezug auf die Adsorptionskinetik und die maximale Beladung festgestellt werden. Die Beladung mit Methylenblau der Pulveraktivkohle liegt dabei verglichen mit den granulierten Produkten ungefähr zehnmal höher, zeigte aber auch deutliche Unterschiede zwischen den granulierten Aktivkohlen. In den Filtersäulenversuchen wurde nachgewiesen, dass granulierte Aktivkohlen im Langzeitbetrieb sowohl DOC als auch SAK254 effektiv entfernen können, wobei die Unterschiede in der Adsorptionskapazität auf spezifische Porenstrukturen zurückgeführt werden konnten. Die Adsorption ist auch angesichts der erhöhten DOC-Belastungen nach einem Hochwasserereignis in Phase II eine zuverlässige Technologie zur Reduktion von DOC und SAK254 in Uferfiltraten. Die Ergebnisse der Filtersäulenversuche mit PFAS bestätigten, dass die Entfernungseffizienz stark von der Kettenlänge und Struktur der PFAS-Substanzen abhängt. Für Substanzen mit einer Kettenlänge von sieben bis zehn C-Atomen konnte in Phase II ein hoher Rückhalt über knapp 2.000 Bettvolumina beobachtet werden. Insbesondere Substanzen mit einer Kettenlänge von acht Kohlenstoffatomen zeigten eine hohe Adsorptionseffizienz, während kurzkettige PFAS im Mittel eine Entfernung von unter 80% zeigten. Für TFA (zwei C-Atome) weisen die Ergebnisse auf keinerlei Entfernung hin. Allgemein zeigte sich, dass Substanzen mit Sulfonsäureresten besser entfernt wurden als Perfluorcarbonsäuren. Eine Bilanzierung ausgewählter Substanzen (mit sieben bis zehn C-Atomen) ergab, dass im Regelbetrieb hohe Bettvolumina von mehr als 30.000 m3 erreicht werden können, jedoch sind diese Werte aufgrund von vereinfachten Annahmen mit Vorsicht zu interpretieren. Für eine umfassendere Beurteilung der Adsorptionsleistung wird empfohlen, eine breitere Auswahl an PFAS-Substanzen mit verschiedenen funktionellen Gruppen und unterschiedlichen Kettenlängen zu untersuchen.

The PFAS group includes a wide variety of substances detectable in the environment, some even in groundwater. Due to their high persistence and the toxic properties of certain compounds, PFAS pose a potential risk to drinking water resources. Technologies for removing PFAS from water matrices are limited, with adsorption onto activated carbon generally regarded as a promising solution. This study focuses on identifying suitable activated carbons for PFAS removal in bank filtrate. Adsorption was examined at the laboratory scale across three experimental phases: initially, batch experiments were conducted to establish isotherms using methylene blue and to identify key methodological differences in studying powdered versus granular activated carbons. Subsequently, laboratory-scale adsorbers were used to assess the long-term reduction of the aggregate parameters UV254 absorbance (referred to as SAK254 in this study) and dissolved organic carbon (DOC) through adsorption over a period of 7,500 bed volumes and, among other objectives, to achieve loading of the activated carbons with PFAS. Two granular activated carbons were compared in these column tests. In the second phase, two of the four filter columns were fed with bank filtrate, which exhibited higher DOC concentrations due to a flood event, to evaluate the impact of varying influent DOC concentrations on the adsorption process. In Phase II, the other two filter columns were supplied with a PFAS solution containing defined concentrations of selected PFAS compounds to gain information on PFAS retention. The filter bed from Phase I was reused in Phase II. For the PFAS spiking, a range of perfluorocarboxylic and perfluorosulfonic acids with chain lengths between two and twelve carbon atoms was chosen.Significant differences in adsorption kinetics and maximum loading were observed between granular and powdered activated carbons. The methylene blue loading capacity of the powdered activated carbon was approximately ten times higher than that of the granular products, with distinct variations among the granular activated carbons themselves. The column tests demonstrated that granular activated carbons effectively removed DOC and UV254 in long-term operation, with variations in adsorption capacity attributed to specific pore structures. Adsorption thus proved to be a reliable technology for treating bank filtrates, even in light of increased DOC loads due to the flood event in Phase II. The results of the PFAS adsorption tests confirmed that removal efficiency is highly dependent on the chain length and structure of the PFAS compounds. Compounds with chain lengths of seven to ten carbon atoms showed high retention over approximately 2,000 bed volumes in Phase II. Particularly, compounds with eight-carbon chains demonstrated high adsorption efficiency, whereas short-chain PFAS exhibited an average removal of less than 80%. For TFA (two carbon atoms), no removal was observed. Overall, compounds with sulfonic acid residues were removed more effectively than perfluorocarboxylic acids. Balancing selected compounds (with seven to ten carbon atoms) indicated that high bed volumes of more than 30,000 m3m3 could be achieved under standard operation; however, these values should be interpreted with caution as they are based on simplified assumptions. To obtain a more comprehensive evaluation of adsorption performance, it is recommended to examine a broader selection of PFAS compounds with varying functional groups and chain lengths.