Evaluation of the efficiency of treatment techniques in removing perfluoroalkyl substances from water

• Main Author: Lundgren, Sandra
• Format: Others
• Language: English
• Published: Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper 2014
• Subjects: PFAS; removal efficiency; MIEX®; iron (III) chloride; Powdered activated carbon; nanofiltration membrane; dissolved organic carbon
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-231195

Perfluoroalkylated substances (PFASs) are a group of synthetic compounds that have gained growing attention due to their environmental persistence, toxicity and their potential to bioaccumulate. Even though PFASs are not occurring naturally in our environment, they are globally distributed and can be found ubiquitously in air, water, soil, wildlife as well as in humans. PFASs have primarily been used, due to their unique properties of being both hydrophilic and hydrophobic, as surfactants in numerous products such as firefighting foams, paint, leather and textile coating. The occurrence of PFASs in drinking water as well as in wastewater makes it important to develop effective techniques to remove these compounds from drinking water sources and wastewater. To be able to effectively remove PFASs from drinking water and wastewater it is important to understand which treatment process is most efficient and how the removal efficiency is affected by the physicochemical properties of PFASs and characteristics of water. In this study, the removal efficiency of PFASs was investigated using six different water types with varying dissolved organic carbon (DOC) character. Four different treatment techniques were evaluated including anion exchange using MIEX® resins, coagulation with iron (III) chloride (FeCl3), adsorption using powdered activated carbon (PAC) and nanofiltration (NF) membrane. The batch experiments were performed in laboratory-scale for 14 individual PFASs including C3-11, C13 perfluoroalkyl carboxylic acids (PFCAs), C4, C6, C8 perfluoroalkyl sulfonic acids (PFSAs) and perfluorooctane sulfonamide (FOSA). The results showed that the removal efficiency of PFASs was dependent on both perfluorocarbon chain length as well as functional group, with an increase in removal efficiency with increased perfluorocarbon chain length. Short-chained PFASs (C!6) were removed in less extent than the long chained PFASs for all treatment techniques. Amongst the four treatment techniques investigated, NF membrane exhibited the best removal efficiency for both short- and long chained PFASs (on average, 51%). Lower removal efficiencies for PFASs were observed for MIEX (33%) < FeCl3 (16%) < PAC (14%). However, all tested treatment techniques used in this study exhibited generally low removal efficiency (< 78%), in particular for the short-chained PFASs (C!6, < 41%) Results using three different doses of PAC (i.e. 20, 50, 100 mg L-1) showed an increase in removal (i.e. 2.2-41%, 8.0-78% and 12-92% respectively) with increasing dose. No significant trends were found between PFAS removal and DOC removal for any of the treatments (p<0.05, student t-test). However, the removal efficiency was different of the six different water types, which indicates that the DOC characteristics (i.e. Freshness, humification index, pH and absorbance) have an influence on the removal efficiency of PFASs in water. === Perfluoroalkylerade ämnen (PFASer) är en grupp syntetiska ämnen som har fått allt större uppmärksamhet den senaste tiden då de har visat sig vara persistenta, toxiska och bioackumulerande. Även om PFASer inte förekommer naturligt i vår miljö är de globalt fördelade och kan återfinnas i luft, vatten, mark, djur och hos människor. PFASer har främst använts, på grund av sina unika egenskaper att vara både hydrofila och hydrofoba, som tensider i många produkter såsom brandsläckningsskum, färg, läder och textil. Förekomsten av PFASer i dricksvattentäkter och i många reningsverk gör det viktigt att utveckla effektiva metoder för att ta bort dessa föreningar i vattenreningsverk. För att effektivt kunna avlägsna PFASer från dricks- och avloppsvatten är det viktigt att ha kunskap om vilken behandlingsmetod som är effektivast och hur reningseffektiviteten påverkas av ämnenas fysikalisk-kemiska egenskaper och vattnets karaktär.   Syftet med denna studie var att undersökta reningseffektiviteten för PFASer i sex olika vatten innehållande olika typer av löst organiskt kol (DOC). Detta undersöktes för fyra olika behandlingsteknikert; jonbyte med MIEX®, koagulering med järnklorid (FeCl3), adsorption med hjälp av pulveriserat aktivt kol (PAC) och nanofiltrering. Försöken gjordes små skaligt i laboratorie och 14 olika PFASer undersöktes; C3-11,13  perfluoralkyl karboxylsyror (PFCAer), C4, C6, C8, perfluoralkyl sulfonsyror (PFSAer) och perfluoroktan sulfonamid (FOSA). Resultaten visar att reningseffektiviteten för PFASer var beroende av både den perfluorerade kolkedjans längd och funktionell grupp, med en ökning av reningseffektivitet med längre perfluorerad kolkedja. PFASer med kort perfluorerad kolkedja (C≤6) renades i mindre utsträckning än PFASer med lång perfluorerad kolkedjade; detta gällde för alla behandlingstekniker. Bland de fyra behandlingstekniker som undersöktes uppvisade nanofiltreringen den bästa reningseffektiviteten för PFASer med både korta och långa kolkedjor (i genomsnitt, 51%.). Lägre reningseffektivitet för PFASer observerades för MIEX®(33%), < FeCl3(16%) < PAC (14%). Totalt sett erhölls en relativt låg reningseffektivitet (<78%) för samtliga reningstekniker, speciellt för de kortkedjade PFASer (C£6, < 41%). Resultat från försök med tre olika doser PAC (e.g. 20, 50, 100 mg L-1) visade på en ökad reningseffektivitet (2,2-41%, 8,0-78% och 12-92%) med ökad dos PAC. Inga signifikanta trender kunde urskiljas vad gäller reningseffektivitet av PFASer och rening av DOC (p<0.05, student t-test), detta gällde för samtliga behandlingstekniker. Det fanns dock tydliga skillnader i reningseffektivitet mellan de sex olika vattentyperna vilket indikerar på att DOC egenskaperna (Freshnessindex, humifieringsindex, pH, absorbans) har en påverkan på reningseffektiviteten för PFASer i vatten.