Potencijalna tehnologija za uništenje PFAS materijala: Elektrohemijska oksidacija

Saša Dunović | 01 Okt. 2021

Kategorije: Zemljište | Tehnologija |

---

Razne industrije od sredine 20. vijeka proizvode i koriste per- i polifluoroalkilne supstance (PFAS). PFAS jedinjenja nalaze se u potrošačkim i industrijskim proizvodima, uključujući neljepljive premaze, vatrogasne pjene,  hidroizolacione materijale i proizvodne dodatke. PFAS jedinjenja su stabilna i otporna na razgradnju u prirodnim uslovima, što dovodi do njihovog opšteg prisustva u podzemnim i površinskim vodama, pijaćoj vodi i drugim prirodnim medijima (npr. tlu) na nekim lokalitetima. Određena PFAS jedinjenja su takođe bioakumulativna, a krv većine američkih građana sadrži mjerljive nivoe nekoliko PFAS jedinjenja (Četvrti Nacionalni Izvještaj o izloženosti ljudi hemikalijama u životnoj sredini.pdf). Toksičnost PFAS jedinjenja je predmet trenutnih studija, a već je poznato dovoljno da je svima jasno da se nešto mora uraditi na kontroli proizvodnje, upotrebe i ispuštanja u životnu sredinu ovih hemikalija (EPA, 2020).

U proljeće 2020. Američka Agencija za Zaštitu Životne Sredine (USEPA) osnovala je PFAS tim za inovativni tretman. Ovaj tim je okupio multidisciplinirano istraživačko osoblje na šest mjeseci. Istraživači su koncentrisali svoje napore i stručnost na problem odlaganja i/ili uništavanja otpada zagađenog PFAS jedinjenjima. Osnovni cilj ovog projekta je bio da se identifikuju najbolje raspoložive tehnologije koje mogu uništiti PFAS hemikalije u tokovima tečnog i čvrstog otpada, uključujući koncentrisanu i iskorištenu vatrogasnu pjenu, zagađena tla i procjedne vode iz deponija. Ove tehnologije bi trebale biti lako dostupne, isplative a da pri tome  proizvode malo ili nimalo opasnih ostataka ili nusproizvoda. Tehnologija elektrohemijske oksidacija je identifikovana kao jedna od tehnologija koja obećava i koja će daljnjim razvojem, ispitivanjem i demonstracijama moći ispuniti ove zahtjeve. Druge obećavajuće tehnologije su Mehaničko-hemijska razgradnja, Piroliza i gasifikacija i Superkritična oksidacija vodom. 

----------------------

Elektrohemijska oksidacija: Pregled tehnologije

Elektrohemijska oksidacija je jedna od tehnologija obrade (prečišćavanja) otpadne vode. Primjenom ove  tehnologije, zagađenja u vodi se oksidišu propuštanjem električne energije kroz vodu, što dovodi do njihovog uništenja ili pretvaranja u manje opasne ili neopasne materije.

Prednosti elektrohemijske oksidacije uključuju: niske troškove energije, rad u ambijentalnim uslovima, rad na terenu (mobilne jedinice) i ne zahtijeva dodatne hemijske oksidanse za proces oksidacije zagađenja. Ograničenja ove tehnologije uključuju potencijalno stvaranje toksičnih nusproizvoda, nepotpuno uništavanje nekih PFAS jedinjenja, gubitke efikasnosti usljed nakupljanja minerala na anodi, visoku cijenu elektroda i potencijalno isparavanje zagađivača. Uprkos ovim potencijalnim ograničenjima, elektrohemijska oksidacija može biti perspektivna tehnologija za uništavanje PFAS hemikalija u određenim slučajevima zbog svoje dokazane sposobnosti uništavanja PFAS materijala i to sa nižim potrebama za energijom od termičkog spaljivanja.

Mehanzmi elektrohemijske oksidacije PFAS jedinjenja

Kao što je prikazano na slici gore, mogući su i direktni i indirektni mehanizmi oksidacije, iako se mehanizmi koji se javljaju razlikuju u zavisnosti od specifičnog PFAS jedinjenja. Direktna oksidacija može rezultirati prenosom elektrona iz PFAS jedinjenja na anodu, dok indirektni mehanizmi uključuju elektrokemijski stvorene snažne oksidanse poznate kao radikali (kao što je hidroksilni radikal, OH-, prikazan na slici).

Nizom reakcija, međuprodukti se odvajaju od matičnog PFAS jedinjenja i zatim defluorišu (atomi foloura se izdvajaju iz PFAS jedinjenja). Brzina tretmana PFAS jedinjenja elektrohemijskom oksidacijom zavisi od nekoliko faktora, uključujući: sastav elektroda i njihovu površinu, početnu koncentraciju PFAS jedinjenja, željeni nivo obrade, napon i ko-zagađivače. Očekuje se da će trajanje tretmana pomoću dvodimenzionalnih elektroda biti satima; međutim, nedavni napredak, uključujući razvoj reaktivnog elektrohemijskog membranskog sistema, mogao bi smanjiti vrijeme tretmana na sekunde. Međutim, ovdje je važno napomenuti da je većina do danas obavljenih ispitivanja koristila laboratorijske kontrolne tokove otpada (tj. čiste vode kontrolisano zagađenje PFAS jedinjenjima, a ne stvarne tokove otpada). Stvarni tokovi otpada mogu zahtijevati duže vrijeme obrade i mogu imati niže performanse i vijek trajanja elektroda uslijed prisustva i drugih zagađenja u njma.

Iako su komercijalno dostupne dijamantske elektrode dopirane borom najčešće korišćene i najčešće se procjenjuju u literaturi, veoma su skupe (~ 7125 USD/m2) i teško ih je proizvesti. Elektrode od miješanog metalnog oksida, poput Ti4O7, pokazale su učinkovitost za uništavanje PFAS jedinjenja i mnogo su jeftinje od dijamantskih elektroda, ali još uvijek nisu na tržištu i tek trebaju biti komercijalizovane. Provedena su vrlo ograniča istraživanja sa ovim elektrodama sa ciljem procjene dužine trajanja elektrohemijske oksidacije, međutim, očekivani životni vijek ovih elektroda još uvijek nije potvrđen. Operativni troškovi primjene ove tehnologije rezultat su prvenstveno potrošnje energije. Iako se ulažu značajni napori na prevazilaženju ovih ograničenja, početni troškovi, dostupnost i troškovi životnog ciklusa elektroda ostaju značajne prepreke punoj upotrebi elektrohemijske oksidacije za uništavanje PFAS-om zagađenih tokova otpada.

Takođe, poznato je da elektrohemijska oksidacija proizvodi perhlorat oksidacijom hlorida u rastvoru. Stvaranje i tretman perhlorata treba uzeti u obzir prilikom procjene ukupnih troškova i izvodljivosti primjene ove tehonlogije za obradu tokova opterećenih PFAS hemikalijama. Nekoliko istraživača koji su radili na procjeni mogućnosti primjene ove tehnologije, potvrdili su uništavanje pojedinih PFAS jedinjenja, poput PFOS-a i PFOA-e elektrohemijskom oksidacijom. Međutim, sudbina fluora u procesu i u bilansu mase još uvijek nije u potpunosti istražena, što ostavlja mogućnost potencijalnog stvaranja fluorisanih nusproizvoda. Ovo je posebno zabrinjavajuće jer su neka opasna jedinjenja, poput trifluorosirćetne kiseline, lako isparljiva.

Potencijal za uništavanje PFAS-a

Istraživači su potvrdili mogućnost primjene elektrohemijske oksidacije za tretman tokova zagađenjih PFAS hemikalijama. Istraživanja su potvrdila smanjenje koncentracije ovih jedinjenja, ali potpuno uništavanje PFAS hemikalija tek treba potvrditi jer potencijal za stvaranje proizvoda nepotpunog uništavanja tek treba u potpunosti procijeniti. Rezultati jednog od ovih istraživanja sugerišu  uklanjanje perfluorooktanske kiseline (PFOA) od 77,2% i uklanjanje perfluorooktan sulfonske kiseline (PFOS) iz regenerativne smole za izmjenu jona pomoću elektrode Ti4O7 od 96,5%. Jedno drugo istraživanje sugeriše na mogućnost 97% efikasnosti uklanjanja PFOA pomoću filmske elektrode Zr-PbO2. Istraživanja provedena primjenom dijamantske elektrode dopirane borom sugerišu na mogućnost 99,7% uklanjanja osam različitih PFAS jedinjena. Vrijeme potrebno za uklanjanje matičnog jedinjenja jako se razlikovalo među ovim studijama. Iako je tehnologija elektrohemijske oksidacije još uvijek u razvoju, početni rezultati obećavaju.

Istraživačke praznine

Razvoju elektrohemijske oksidacije u lako dostupnu tehnologiju za uništavanje PFAS jedinjenja može pomoći:

• smanjenje troškova elektroda;
• spajanje procesa sa metodom za tretiranje perklorata i drugih nusproizvoda;
• istraživanja uticaja dugotrajne upotrebe elektrohemijske oksidacije na troškova elektroda, kao i njihov životni ciklus i procjena ograničenja procesa uzrokovanih nakupljanjem minerala na elektrodama;
• analiza potencijalnih nusproizvoda kako bi se shvatilo da li se i kako se PFAS jedinjenja u potpunosti razgrađuju;
• terenska demonstracija efikasnog proširivanja kapaciteta tretmana i optimizacija procesnih parametara. Trenutno se procjenjuje da tehnologija elektrohemijske oksidacije ima srednji nivo tehnološke spremnosti i potreban je daljnji rad u više područja kako bi se tehnološka spremnost maksimizirala.

Sljedeći koraci

Iako je PFAS tim za inovativni tretman formalno prestao sa radom u jesen 2020. godine, istraživački napori započeti u okviru rada ovog tima su nastavljeni. Tehnologija elektrohemijske oksidacije je definitivno prepoznata kao jedna od obećavajućih tehnologija za tratman tokova zagađenih PFAS jedinjenjima, tako su pojedini istraživači nastavili pilot ispitivanja kako bi procijenili uništavanje PFAS jedinjenja pod različitim uslovima.

Ovaj članak je prevedena i prilagođena verzija originalnog istraživačkog rada, koji možete naći na ovom linku.