Neuartiges Vorbehandlungsverfahren verbessert die Entfernung von PFAs aus Trinkwasser

Der neuartige Ansatz des Teams umfasst ein Vorbehandlungsverfahren, das die Leistung bestehender GAC-Systeme erheblich verbessert

12.07.2024

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Ein Forschungsteam des New Jersey Institute of Technology hat vom Bureau of Reclamation's Desalination and Water Purification Research Program eine bahnbrechende Förderung erhalten, um das allgegenwärtige Problem der PFAS-Kontamination im Trinkwasser anzugehen.

Mit diesem äußerst wettbewerbsfähigen Zuschuss, der nur an acht Projekte aus über achtzig Bewerbern vergeben wurde, wird ihr innovatives Projekt mit dem Titel "Enhanced Coagulation for the Removal of Per- and Polyfluoroalkyl Substances using Hydrophobic Ion Pairing Approach Project" unterstützt.

Arjun Venkatesan, außerordentlicher Professor im Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen des NJIT und Leiter dieser Arbeit, leitet auch eine Pilotstudie im Rahmen desselben Programms für das Projekt Enhancing the Removal of Hydrophilic Per- and Polyfluoroalkyl Substances by Granular Activated Carbon using Hydrophobic Ion-pairing as Pre-treatment" (Verbesserung der Entfernung von hydrophilen Per- und Polyfluoralkylsubstanzen durch körnige Aktivkohle unter Verwendung von hydrophoben Ionenpaaren als Vorbehandlung), das einen ähnlichen Ansatz zur Bekämpfung der PFAS-Kontamination verwendet.

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Bewältigung der Herausforderungen bei der Entfernung von PFAS

Per- und Polyfluoralkyl-Stoffe (PFAS), die oft als Chemikalien für die Ewigkeit" bezeichnet werden, stellen eine große Herausforderung für herkömmliche Wasseraufbereitungsmethoden dar. Die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS gehören zu den stärksten in der Chemie und machen diese Stoffe extrem resistent gegen natürliche Abbauprozesse.

Diese Persistenz bedeutet, dass PFAS auf unbestimmte Zeit in der Umwelt verbleiben, sich mit der Zeit anreichern und langfristige Gesundheitsrisiken darstellen. Herkömmliche Aufbereitungsmethoden wie die Filtration mit körniger Aktivkohle (GAC) haben Schwierigkeiten, bestimmte Arten von PFAS, insbesondere die hydrophilen (kurzkettigen) Varianten, wirksam zu entfernen.

"Aktivkohle ist die bevorzugte Technologie für die Behandlung von PFAS", sagte Venkatesan, der auch Direktor des Emerging Contaminants Research Laboratory (ECRL) des NJIT ist. "Sie eignet sich jedoch nicht für alle PFAS-Chemikalien. Langkettige PFAS werden effizient entfernt, kurzkettige PFAS, die ebenfalls toxisch und reguliert sind, jedoch nicht."

Der primäre Mechanismus der PFAS-Entfernung durch GAC beruht auf hydrophoben Wechselwirkungen, die bei den wasserlöslichen kurzkettigen PFAS unwirksam sind. Diese Lücke in den Aufbereitungsmöglichkeiten erfordert innovative Lösungen, um die Wassersicherheit zu verbessern und die von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) festgelegten Standards zu erfüllen.

Innovative Lösungen und Kollaboration

Der neuartige Ansatz des Teams beinhaltet ein Vorbehandlungsverfahren, das die Leistung bestehender GAC-Systeme erheblich verbessert. Durch die Zugabe einer Chemikalie zum Zulaufwasser, die hydrophobe Komplexe mit PFAS-Molekülen bildet, können sowohl kurzkettige als auch langkettige PFAS effektiver an die GAC-Oberflächen adsorbiert werden. Dieses Verfahren verbessert nicht nur die Entfernungseffizienz, sondern bietet auch eine kosteneffiziente Lösung, die problemlos in bestehende Wasseraufbereitungsanlagen integriert werden kann.

Die Suffolk County Water Authority (SCWA) hat bei diesem Projekt eine entscheidende Rolle gespielt, indem sie Zugang zu einem kontaminierten Grundwasserstandort für Pilotversuche gewährte. Die SCWA bot auch Sachleistungen für den Bau der Pilot-Filtrationssäulen und zusätzliche Wassertests zur Ergänzung der PFAS-Studie an, was die praktische, gemeinschaftsorientierte Natur der Forschung verdeutlicht.

Vielversprechende vorläufige Ergebnisse

Obwohl die Pilotversuche gerade erst begonnen haben, haben die Labortests bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Der Vorbehandlungsansatz hat eine deutliche Verbesserung der Zeit bis zum Durchbruch bei der Entfernung von PFAS gezeigt. So konnte beispielsweise die Zeit bis zum 50-prozentigen Durchbruch von PFBS, einem regulierten kurzkettigen PFAS, um etwa 170 % verbessert werden.

Diese vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neuartige Vorbehandlungsverfahren zu erheblichen Verbesserungen der AKG-Leistung führen könnte, was letztlich die Wasserqualität und -sicherheit verbessern würde.

Auswirkungen auf die reale Welt und zukünftige Forschung

Mit der neuen Auszeichnung ist das Team nun in der Lage, den neuartigen Vorbehandlungsansatz für ein anderes, häufig eingesetztes Wasseraufbereitungsverfahren, die Koagulation und Flockung, zu demonstrieren. Die Einfachheit und Kosteneffizienz dieses Ansatzes machen ihn zu einer praktikablen Option für eine breite Anwendung.

"Unser Ansatz lässt sich mit minimalen Änderungen leicht in bestehende konventionelle Wasseraufbereitungssysteme einbauen", sagte William Pennock, Assistenzprofessor am NJIT Department für Bau- und Umwelttechnik und Mitarbeiter bei der Forschung zur Koagulations- und Flockungsbehandlung. "Alles, was wir brauchen, ist eine Chemikaliendosierpumpe, um die HIP-Chemikalie in das unbehandelte Wasser zu injizieren.

Diese einfache Integration könnte zu erheblichen Betriebskosteneinsparungen für Wasseraufbereitungsanlagen führen und die Häufigkeit des Austauschs von GAC um etwa 50 % reduzieren.

In Zukunft wird das Forschungsteam auch das Potenzial des Ansatzes der hydrophoben Ionenpaarung für andere ionische organische Verunreinigungen untersuchen, was auf eine breite Anwendbarkeit dieser Technologie hindeutet. Künftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Erprobung biologisch abbaubarer und umweltfreundlicher Alternativen zur HIP-Chemikalie konzentrieren und sicherstellen, dass das Verfahren keine sekundären Verunreinigungen einbringt.

Diese Forschung steht in engem Einklang mit den neuesten EPA-Vorschriften über PFAS im Trinkwasser. Durch die Verbesserung der Leistung von GAC-Filtern und die Senkung der Betriebskosten erfüllt das vorgeschlagene Vorbehandlungsverfahren einen wichtigen nationalen Bedarf. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Technologie verspricht unmittelbare und kosteneffiziente Verbesserungen bestehender Wasseraufbereitungssysteme, die den Gemeinden zugute kommen und den Schutz der öffentlichen Gesundheit vorantreiben.

Diese innovative Forschung stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn im Kampf gegen die PFAS-Kontamination dar. Durch die Verbesserung bestehender Wasseraufbereitungsverfahren geht das Team nicht nur eine dringende ökologische Herausforderung an, sondern bietet auch praktische, skalierbare Lösungen, die landesweit eingesetzt werden können.

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