Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Abstract

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Perfluorinated alkyl substances (PFAS) are synthetic organic compounds that have a fully fluorinated carbon chain. The strong carbon-fluorine bonds are a problem at wastewater treatment plants because PFAS cannot be decomposed by traditional water treatment technologies. PFAS accumulate into the environment. The objective of this Bachelor’s Thesis was to determine suitable treatment methods for wastewater that contains PFAS and to evaluate which of them seems most promising. The costs of the methods and suitability to water treatment plant scale were not evaluated. Analysis methods for quantification of PFAS in wastewater were also presented. The presented methods are based on recently published scientific articles. Possible methods for removal of PFAS from water are membrane separation and sorption. Best suited membranes are nanofiltration and reverse osmosis membranes that can remove even 0.0001 μm sized particles. PFAS can for example be separated by sorption onto activated carbon. The structure can be decomposed by advanced oxidation methods or by incineration. Oxidation by permanganate wasn’t efficient but PFAS were successfully oxidized by photochemical oxidation or non-thermal plasma technology (NTP). Photochemical oxidation was particularly efficient for perfluorinated carboxylic acids which were decomposed even in three hours. The most common analysis method is the combination of liquid chromatography and mass spectrometry (LC-MS/MS) and the matrix effect is usually minimized by solid phase extraction (SPE). The most suitable treatment method is NTP because the studies showed that the structure was decomposed in much shorter time compared to other methods. NTP is suitable for different kinds of PFAS. There is no need for a catalyst or chemicals. The oxidizing agents are hydroxyl radicals which are generated by corona discharge. Corona discharge generates also a small amount of ozone and free oxygen can positively affect the oxidation. More research is needed in controlling the side products formed in the oxidation process. One method to control the side products could be precipitation of fluoride ions that are detached in the oxidation. The toxicity of the byproducts could be for example monitored by a biosensor.