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cav MESSESPECIAL Adsorptionstest von PFAS an verschiedenen Aktivkohlen PFAS aus Trinkwasser entfernen Bei PFAS, sogenannten Ewigkeitschemikalien, handelt es sich um eine Gruppe von Substanzen, die rund 10 000 künstliche Stoffe umfasst. Da sie nur schwer oder gar nicht abgebaut werden, können sie sich in der Umwelt und im Menschen ablagern und finden sich zunehmend in Trinkwasser wieder. Lassen sich PFAS mit Aktivkohle aus Trinkwasser abscheiden? Carbotech hat die Adsorption an verschiedenen Aktivkohlen am Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe testen lassen. Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz PFAS, rücken zunehmend in den Fokus bei der Wasseraufbereitung. Bei diesen Chemikalien, die auch als sogenannte Ewigkeitschemikalien bezeichnet werden, handelt es sich um synthetische fluororganische Verbindungen, bei denen mehrere Fluoratome an eine Alkylkette gebunden sind. Sie zeichnen sich durch eine hohe chemische und thermische Stabilität aus. Sie begegnen uns in alltäglichen Gegenständen wie Funktionstextilien, Imprägniermitteln, Teflonpfannen und speziellem Papier. Neben ihren positiven Eigenschaften sind in den letzten Jahren auch ihre negativen Eigenschaften zunehmend in den Fokus gerückt. Sie reichern sich in der Umwelt, in tierischem und menschlichem Gewebe an. Einige PFAS sind toxisch, stehen im Verdacht, krebserregend zu sein und zu neurologischen Entwicklungsstörungen beizutragen. Dieser Umstand hat, insbesondere in Verbindung mit der Tatsache, dass viele PFAS nicht oder nur über sehr lange Zeiträume in der Umwelt abgebaut werden, dazu geführt, dass sie zunehmend überwacht werden und der Gebrauch bestimmter Verbindungen reglementiert bzw. verboten wird. Die europäische Trinkwasserrichtlinie (Richtlinie (EU) 2020/2184) fordert Höchstwerte in der Summe der PFAS-Gehalte. Adsorption von PFAS an Aktivkohle Bei der Aufbereitung von Trinkwasser ist die Verwendung von Aktivkohle gängige Praxis. Sie entfernt durch Adsorption verschiedene Carbotech hat die Adsorption von PFAS an verschiedenen Aktivkohlen zur Trinkwasserauf - bereitung am Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe (TZW) testen lassen Bild: Francesco Scatena – stock.adobe.com Schadstoffe wie Pestizide, Medikamentenrückstände und Kohlenwasserstoffe. Mit der Trinkwasserverordnung vom 20. Juni 2023 wurden erstmals auch verbindliche Grenzwerte für PFAS festgelegt. Für Substanzen der PFAS-20-Gruppe gilt ab dem 12.01.2026 ein Grenzwert von 0,1 µg/l und für Substanzen der PFAS-4-Gruppe sogar ein Grenzwert von 0,02 µg/l. Diese neuen Anforderungen stellen eine Herausforderung für die Trinkwasseraufbereitung dar. Eine passende Lösung bietet auch hier der Einsatz von Aktivkohle. Aus diesem Grund hat Carbotech die Adsorption von PFAS an verschiedenen Aktivkohlen zur Trinkwasseraufbereitung am Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe (TZW) testen lassen. Beschreibung der Versuche Die Versuche wurden entsprechend des am TZW entwickelten Granular-Carbon-Selection-Test (GCS-Test) durchgeführt. Dieser Test erlaubt innerhalb weniger Wochen, abhängig von der Konzentration und der Adsorbierbarkeit der Schadstoffe, Aktivkohlen hinsichtlich ihrer Adsorptionseigenschaften zu vergleichen und zu bewerten. Im GCS-Teststand wurden vier Kleinfiltersäulen mit je 1,7 l Aktivkohle gefüllt und im Parallelbetrieb gefahren. Als Testmatrix diente Karlsruher Leitungswasser, dem ein Gemisch verschiedener PFAS zudosiert wurde. Bei den untersuchten Substanzen handelt es sich um Perfluorbutansäure (PFBA), Perfluorpentansäure PFPeA, Perfluorhexansäure (PFHxA), Perfluoroctansäure (PFOA), Perfluorbutansulfonsäure (PFBS), Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) und Perfluoroctansulfonsäure 28 cav 03-2024
Bild: Carbotech Bild: Carbotech Durchbruchkurven für den SAK 254 nm im GCS-Teststand Durchbruchkurven für die Summenkonzentration PFAS (PFOS). Alle Substanzen gehören zur PFAS-20-Gruppe, PFOA, PFHxS, PFOS zudem zur besonders kritischen PFAS-4-Gruppe. Während der Versuche wurden im Zulauf sowie im Ablauf der Kleinfiltersäulen in regelmäßigen zeitlichen Abständen der spektrale Absorptionskoeffizient (SAK) bei 254 nm und die Konzentrationen der PFAS erfasst. Untersuchte Aktivkohlen In den Versuchen wurden verschiedene dampfaktivierte Aktivkohlen mit einer 8-x-30-Mesh-Körnung getestet. Die Aktivkohlen basieren auf unterschiedlichen Rohstoffen. Die DGF 8x30 GL und DGF BX 8x30/65 basieren, wie der überwiegende Anteil der momentan in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzten Aktivkohlen, auf Steinkohle. Eine nachhaltigere Alternative stellen die auf nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Nebenprodukten basierende DGK 8x30/65 (Kokosnuss) und DGP 8x30/65 (Palmkern) dar. Alle ausgewählten Aktivkohlen besitzen eine Trinkwasserzulassung gemäß DIN EN 12915–1. Insgesamt weist die DGF 8x30 GL von allen getesteten Aktivkohlen die höchste Porosität auf, was sich auch in der niedrigsten Rütteldichte widerspiegelt. Sie verfügt gleichzeitig über den höchsten Anteil an Mesoporen. Die DGK 8x30/65 ist basierend auf ihrem Rohmaterial und dem deutlich geringeren Aktivierungsgrad deutlich feinporiger und ist nahezu ausschließlich mikroporös. Ergebnisse der Tests Die ermittelten Durchbruchkurven für den SAK 254 nm und für die Summenkonzentration der PFAS-20 und PFAS-4 sind in den Grafiken dargestellt. Aufgetragen ist der SAK 254 nm bzw. die Konzentrationen im Filterablauf gegen die spezifisch durchgesetzte Wassermenge in Bettvolumina. Die erste Grafik zeigt, dass alle getesteten Aktivkohlen den bereits niedrigen SAK 254 nm weiter reduzieren konnten. Das bedeutet, dass die Aktivkohlen im Wasser vorhandene Stoffe durch Adsorption entfernen können. Dabei kann es sich neben den zudosierten PFAS beispielsweise um Kohlenwasserstoffe handeln. Die beste Performance zeigte die DGF 8x30 GL auf Steinkohlebasis, sie besitzt bei allen Bettvolumina die geringsten Konzentrationen im Ablauf. Dies ist wahrscheinlich zum einen darauf zurückzuführen, dass diese das insgesamt größte Porenvolumen besitzt und bei ihr das größte Volumen zur Adsorption zur Verfügung steht. Zum anderen kann dies auch dadurch bedingt sein, dass sie sowohl Mikro- als auch größere Mesoporen aufweist und somit gute Adsorptionsplätze für unterschiedliche große Moleküle besitzt. Die schwächste Performance zeigt die DGK 8x30/65 auf Kokosnussbasis. Dies ist bedingt durch das kleinste Porenvolumen und kann dadurch beeinflusst sein, dass nahezu ausschließlich kleine Mikroporen vorliegen und somit größere Moleküle nicht adsorbieren können. Die Adsorptionseigenschaften der Aktivkohlen DGF BX 8x30/65 und DGP 8x30/65 sind untereinander vergleichbar, jedoch deutlich geringer im Vergleich zur Aktivkohle DGF 8x30 GL. Hinsichtlich der Adsorption der Summe aller PFAS (2. Grafik) zeigt die DGK 8x30/65 die geringste Adsorptionsleistung. Die anderen Aktivkohlen zeigen eine untereinander vergleichbare Adsorptionsleistung. Insgesamt zeigt sich, dass bei keiner Aktivkohle bei etwa 13500 BV die Eingangskonzentration der PFAS erreicht wurde. Das bedeutet, dass die Gleichgewichtsbeladung noch nicht erreicht ist und alle Aktivkohlen weitere Kapazitäten zur Adsorption von PFAS besitzen. Bei alleiniger Betrachtung der untersuchten PFAS-4-Substanzen (PFOA, PFHxS, PFOS) (hier nicht grafisch dargestellt) zeigt die DGF 8x30 GL die beste Adsorptionsperformance. Bei den Aktivkohlen DGP 8x30/65 und DGF BX 8x30/65 wurden demgegenüber insgesamt etwas höhere Ablaufkonzentrationen der Einzelsubstanzen und daraus resultierend auch höhere Werte für den Summenparameter gemessen. Die DGK 8x30/65 zeigte eine deutlich geringere Adsorptionsleistung gegenüber den anderen Aktivkohlen. Der Unterschied zu den anderen Aktivkohlen fällt im Verhältnis deutlicher aus als bei Betrachtung aller untersuchten PFAS. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei den untersuchten PFAS-4- Substanzen um Moleküle mit Kettenlängen ≥ C 6 handelt. Diese können insgesamt stärkere Wechselwirkungen mit der Oberfläche ausbilden als kurzkettige PFAS. Sie adsorbieren aufgrund der Moleküldimensionen auch in breiteren Poren, von denen die DGK 8x30/65 keine oder nur einen geringen Anteil besitzt. Bezieht man bei der Betrachtung der Adsorptionsleistung die Rütteldichte/ Schüttdichte – wie bei der Bewertung von Aktivkohlen üblich – mit ein, zeigt die DGF 8x30 GL aufgrund ihrer geringen Dichte die beste Reinigungsleistung. www.prozesstechnik-online.de Suchwort: Carbotech Halle B2, Stand 127 AUTORIN: JOHANNA MUTHMANN Anwendungstechnikerin, Carbotech AUTOR: JAN HOJAK Anwendungstechniker, Carbotech cav 03-2024 29
