Nedbrytning av PFAS under reaktiveringsprosessen med aktivert karbon
Jul 31, 2025
Legg igjen en beskjed
Årsaken til å reaktivere aktivert karbon
Bruken avAktivert karbonFor å fjerne PFA -er fra vann krever hyppigere reaktivering av det aktiverte karbonet. Under en oksygen - fri atmosfære, ved temperaturer på 500 grader og over, fjernes typiske stoffer som PFOA og PFO -er fullstendig fra aktivert karbon og kan dekomponere. Dette hjelper til med å ta opp problemet "for alltid kjemikalier". Imidlertid dannes noen nedbrytningsprodukter ved lavere temperaturer, så etter - Behandling av gasstrømmen under oppvarmingsprosessen er avgjørende. Hyppigere reaktivering krever betydelig energiforbruk, samt ekstra transport og råstoffbruk, og øker dermed karbonavtrykket til bransjer som drikkevannsproduksjon.
De fleste vannrensingsprosesser, for eksempel lufting, koagulasjon/flokkulering/nedbør, rask filtrering, mykgjøring, (avansert) oksidasjon og langsom sandfiltrering, er ineffektive når det gjelder å fjerne per - og polyfluoroalkylstoffer (PFAs). I kontrast viser adsorpsjon ved bruk av granulær aktivert karbon (GAC) eller pulverisert aktivert karbon (PAC) høy effektivitet i fjerning av PFAS og er for tiden den mest brukte PFAS -fjerningsteknologien ved siden av membranfiltrering. Begge metodene kan effektivt adsorbere PFA -er fra vann, men kan ikke dekomponere dem. Derfor må det iverksettes tiltak for å forhindre at de adsorberte PFA -ene fra re - legger inn miljøet så mye som mulig.
Fjerningseffektiviteten til PFAS påvirkes av deres kjemiske struktur og belastningen av organiske forbindelser på det aktiverte karbonet. Lang - kjede PFA -er (med en karbonkjedelengde på større enn eller lik 6 karbonatomer) har sterkere adsorpsjonsegenskaper sammenlignet med kort - kjede PFAS, så kort - kjede PFAs vanligvis dekomposerer raskere. Vanlige typer PFA -er inkluderer sulfonsyrer (for eksempel perfluoroktanesulfonsyre, PFOS) og karboksylsyrer (for eksempel perfluoroktansyre, PFOA). Sulfonsyrer har bedre adsorpsjonsytelse enn karboksylsyrer, mens forgrenet - kjede PFAS generelt har underordnede adsorpsjonseffekter sammenlignet med ikke - forgrenede PFA -er.
Når et aktivert karbonfilter brytes gjennom (dvs. adsorpsjonskapasiteten er mettet), må GAC gjennomgå reaktiveringsbehandling. For dette formålet blir den mettede GAC transportert til reaktiveringsanleggene til aktiverte karbonleverandører for behandling. En multi - ildsted (en type vertikal kalsineringsovn) brukes vanligvis, der GAC adsorberes med miljøgifter mates fra toppen. Behandlingsprosessen inkluderer følgende trinn: Først tørker du GAC ved 105 grader, og pyrolyserer den deretter på 650 - 850 grader for å fjerne urenheter, og til slutt reaktivere den i en oksygenfri atmosfære ved 800-900 grader for å gjenopprette adsorpsjonsaktiviteten til den aktiverte karbonflaten [1]. Gassen som genereres under reaktiveringsprosessen samles gjennom et fangstsystem og oppvarmet og oksidert flere ganger i en ekstern tvungen brenner ved høy temperatur over 1000 grader. Gassen blir deretter renset i en gassskrubber, og faste partikler blir fanget. Det behandlede rene aktiverte karbonet slippes ut fra bunnen av ovnen og kan gjenbrukes i bruksområder som drikkevannsproduksjon.
Under reaktiveringsprosessen gjennomgår PFAS forskjellige endringer, inkludert fjerning, ødeleggelse, transformasjon og mineralisering. Når PFAS ikke blir oppdaget på GAC, indikerer det at PFA -er er "fjernet". Dette betyr imidlertid ikke at den endelige skjebnen til PFAS er klar - De kan transformeres gjennom fordampning, nedbrytning eller mineralisering. Under ødeleggelsen av PFAS brytes foreldremolekylene nedbrytning og forsvinner. Hvis nedbrytning er ufullstendige, kan transformasjonsprodukter genereres, og til og med andre typer PFA -er kan danne seg, noe som også kan være miljøtoksisk. Derfor er det avgjørende å nøyaktig vurdere graden av nedbrytning og om transformasjonsprodukter genereres. Tilstedeværelsen av transformasjonsprodukter kan verifiseres gjennom mistenkt analyse av kjente eller forventede produkter, eller gjennom ikke - målanalyse. Hvis PFAS blir fullstendig nedbrutt, dvs. mineralisering oppnås, er alle C - F -bindinger ødelagt, og genererer fluor. Fluor reagerer deretter med vann eller kalsium for å danne hydrogenfluorid (HF) eller kalsiumfluorid (CAF₂), og minimerer dermed miljøfarene. De resterende delene av PFAS -molekylene omdannes til karbondioksid (CO₂) eller vann (H₂O).
Selv om mineraliseringsprosessen øker forbruket av råvarer og energi, hjelper det å løse forurensningsproblemet med "for alltid kjemikalier" i miljøet ved å nedbryte PFAS fullstendig til ikke - giftige elementer (for eksempel fluor, CO₂ og H₂O) [1]. Ved å måle fluorion -konsentrasjonen, kan det gjøres et forsøk på å etablere en massebalanse for å bekrefte om PFAS er fullstendig mineraliserte. Teoretisk sett skal fullstendig mineraliserte PFAS omdannes til på detekterbare fluorioner. I praksis står imidlertid verifiseringen av denne prosessen vanligvis utfordringer, delvis fordi den analytiske deteksjonsgrensen for fluor er relativt høy (vanligvis omtrent 20 ug/l), mens konsentrasjonen av PFAS i vann ofte er på nanogrammet per liter (ng/l) nivå, noe som gjør analysen vanskelig.
Det er kjent at granulær aktivert karbon (GAC) har en katalytisk effekt på mineraliseringen av per - og polyfluoroalkylstoffer (PFAS) under oppvarmingsforhold. Watanabe et al. (2018) [2] gjennomførte studier i en oksygen - fritt nitrogen (N₂) atmosfære ved 700 grader og fant at fluorproduksjonshastigheten under mineralisering av perfluorooctanoic), og PaNaa, og perfluoroSul (Pfhxa), og perfluoroSul (Pfhxa), og perfluoroSul (Pfhxa), og perfluoroSul (Pfhxa), og perfluorisk (Pfhxa), var 30 år), var 30 Henholdsvis 46% og 72%. Når PFAS ble adsorbert på GAC, økte fluorproduksjonshastigheten betydelig til henholdsvis 51%, 74%og 70%. Etter å ha tilsatt natriumhydroksyd til reaktiveringskolonnen, ble fluorproduksjonshastigheten videre forbedret til 74%, 91%og 90%, mens den resterende mengden av de originale PFAS -komponentene falt til under 1%. Disse resultatene indikerer at GAC spiller en viktig rolle i mineraliseringsprosessen til PFA -er. For effektiv anvendelse er det imidlertid avgjørende å dypt forstå de fysisk -kjemiske prosessene som oppstår på overflaten av GAC. GAC kan effektivt "beholde" PFAS til reaktiveringskolonnen når en temperatur som er egnet for mineralisering. I tillegg til termokjemiske reaksjoner, vil sannsynligvis de fysisk -kjemiske egenskapene til GAC (for eksempel overflateporestruktur og kjemisk aktivitet) ha en betydelig innvirkning på mineraliseringseffektiviteten til PFAs [1].
Hvis bare fjerning eller ødeleggelse av PFAS skjer uten fullstendig mineralisering, kan PFAS eller deres nedbrytningsprodukter bare overføres i stedet for fullstendig eliminert. Uten effektive kontrolltiltak kan disse PFA -ene eller deres nedbrytningsprodukter re - gå inn i miljøet og vannsystemene, noe som fører til re - forurensning av overflatevann, og til slutt krever sekundær fjerning ved bruk av GAC. I store - skalabehandling blir ytterligere forbrenningstrinn og gassskrubbere vanligvis introdusert for å håndtere gasstrømmen som frigjøres under reaktiveringsprosessen, for å forhindre utslipp av nedbrytningsprodukter. Problemet ligger imidlertid i den ekstreme kjemiske stabiliteten til PFAS. Det er kjent at PFAS bare kan bli helt "brent" og dekomponeres ved høye temperaturer over 1200 grader. Derfor trenger den faktiske effekten av konvensjonelle forbrenningstrinn fortsatt ytterligere verifisering.
Reaktiveringseksperimenter
KWR har i samarbeid med University of Bath i Storbritannia utviklet en eksperimentell enhet for å reaktivere aktivert karbon under kontrollerte forhold og systematisk studere transformasjonsatferden til PFAS. Denne enheten kan simulere reaktiveringsprosessen nøyaktig, og gir en pålitelig plattform for å evaluere nedbrytningseffektiviteten til PFAS og optimalisere prosessparametere.
Først ble det fremstilt en høy - konsentrasjon PFAS "stamoppløsning", som er en løsning som inneholder forskjellige per - og polyfluoroalkyl -stoffer (PFAs) ved en relativt høy konsentrasjon. I eksperimentet ble denne stamoppløsningen fortynnet til den nødvendige konsentrasjonen for påfølgende tester.
Et nytt granulært aktivert karbon (Model TL - 830, ChemViron) ble valgt for eksperimentet. To partier med aktivert karbon ble fylt med perfluorooctanesulfonsyre (PFOS) og perfluorooctansyre (PFOA). Deretter ble konsentrasjonen av PFAS i løsningen etter belastning analysert ved væskekromatografi - massespektrometri (LC-MS) ved University of Bath, og PFAS-belastningen på det aktiverte karbonet ble beregnet.
Resultatene viste at belastningen av PFOS var 81 ug/g aktivert karbon, og belastningen av PFOA var 75 ug/g aktivert karbon. I eksperimentet ble det aktiverte karbonet delt inn i grupper på 10 gram hver, og varme - behandlet i en rørovn på henholdsvis 300 grader, 500 grader, 700 grader og 900 grader. I begynnelsen av behandlingen ble det aktiverte karbon først oppvarmet ved 105 grader i 30 minutter for å fordampe fuktigheten som finnes i det, for å forhindre at den mikroporøse strukturen til det aktiverte karbonet ble skadet på grunn av damputvidelse under den påfølgende høye - temperaturbehandlingen. Deretter ble det aktiverte karbon oppvarmet til måltemperaturen. Under hele eksperimentet ble nitrogengass kontinuerlig introdusert i rørovnen for å opprettholde et oksygen - fritt miljø. Den utstrømende gasstrømmen ble kondensert gjennom en kald felle og renset sekvensielt gjennom to gassvaskeflasker.
Etter at hver reaktivering ble fullført, ble systemet rengjort, og deretter ble en ny gruppe aktivert karbon lastet for å fortsette eksperimentet. Behandlingen under hver temperaturtilstand ble gjentatt to ganger for å sikre påliteligheten av dataene. Etter reaktivering ble det aktiverte karbon utsatt for ekstraksjonsanalyse for å bestemme innholdet av PFA -er som var igjen på det aktiverte karbonet. Resultatene viste at PFOS og en veldig liten mengde PFOA kunne oppdages i ekstraktet bare under reaktiveringstilstanden på 300 grader. Når temperaturen nådde 500 grader (en vanlig temperatur i den aktiverte karbonaktiveringsprosessen) og over, kunne ingen gjenværende PFOS eller PFOA påvises på det aktiverte karbonet.
POST - reaktiveringsbehandling
PFOS
Etter reaktiveringen av PFOS - lastet aktivert karbon, ble bare C8f16, perfluorooct-1-ene (m/z 399), kvalitativt påvist i det aktiverte karbonet behandlet ved 300 grader. Denne komponenten ble ikke påvist i den kalde fellen eller vaskeflasker. Etter reaktivering ved 500 grader (eller høyere), ble dette stoffet ikke påvist i det aktiverte karbon, kondensater eller gassvaskflasker. Perfluorooct-1-ene er en PFOS-molekylkjede uten den karakteristiske sulfongruppen. Det ble også påvist i ekstraktet av det lastede aktiverte karbonet før reaktivering, men ikke i stamløsningen. Derfor var dette stoffet allerede til stede på det aktiverte karbonet.
Pfoa
Etter reaktiveringen av PFOA - lastet aktivert karbon, ble det ikke funnet noen nedbrytningsprodukter på det aktiverte karbonet. Imidlertid ble forskjellige nedbrytningsprodukter funnet i kondensatene til den kalde fellen og vaskeflasker. Transformasjonsproduktene som dannes ved 300 grader og funnet i kondensater eller gassvaskflasker kan også dannes under prosessen med temperatur som stiger til høyere verdier og har kondensert på den kalde fellen ved lavere temperaturer. C8HF14O2 (m/z 395), som "mistet" ett fluoratom under reaktivering, finnes i kondensatene og begge gassvaskflasker. Dette stoffet var også til stede i stamløsningen, men ble fjernet fra det aktiverte karbonet etter reaktivering.
C5F9 (m/z 231), C4F7 (m/z 181), C3F7 (m/z 169), C3F5 (m/z 131) og C2F5 (m/z 119) er sekvensielle nedbrytningsprodukter, der karbonatomer eller CF2 er brutt av fra den molekylære kjeden. På grunn av den kvalitative måling av nedbrytningsprodukter, er det umulig å avgjøre om innholdet deres øker eller avtar under høy - temperaturbehandling.
Konklusjon
Denne studien undersøkte reaktiveringen av aktivert karbon belastet med PFOS eller PFOA. Resultatene viste at etter behandling av det aktiverte karbonet ved en temperatur på minst 500 grader, ble PFOS og PFOA fullstendig fjernet fra det aktiverte karbonet og kan ha blitt nedbrutt. Nedbrytningsproduktet av PFOS, C8F16, ble bare funnet på det aktiverte karbonet behandlet ved 300 grader. I tillegg ble ingen nedbrytningsprodukter påvist på det aktiverte karbonet eller i gassvaskflasker. Nedbrytningsproduktene til PFOA, inkludert C8HF14O2, C5F9, C4F7, C3F7, C3F7 og C2F5, ble ikke funnet på det aktiverte karbonet, men ble oppdaget i den kalde fellekondensatene og de to gassvaskflaskene. Signalene på disse stoffene var veldig lave, så det var umulig å tydeliggjøre behandlingsprosessen ved forskjellige temperaturer (dvs. om de bare ble dannet under oppvarming ved relativt lave temperaturer eller også under behandlingen ved høyere temperaturer). Reaktivering under anoksiske forhold ved temperaturer over 500 grader ser ut til å fjerne PFOS og PFOA effektivt fra aktivert karbon, noe som er i samsvar med uttalelsene fra aktiverte karbonprodusenter. Transformasjonsproduktene som er funnet tilsvarer nedbrytningsveiene identifisert i litteraturen [3] og [4]. Dannelsen av andre av - produkter kan imidlertid ikke utelukkes. Fluormålingen som er foreslått i denne artikkelen har ennå ikke gitt en endelig PFAS -massebalanse, som understreker behovet for teknologier med lavere deteksjonsgrenser. Reaktivering er en effektiv metode for å fjerne PFA -er fra aktivert karbon, men jo mer PFA -er som må fjernes, jo mer reaktiveringssyklus er det nødvendig. Dette betyr også økt transport, energiforbruk og råstoffforbruk, samt redusert rensekapasitet. Det vil også øke karbonavtrykket til drikkevannsproduksjonen. Rent vann er dyrebart, men midlene for å oppnå det kommer til en høy pris.
Sende bookingforespørsel