Een doorbraak in het afbreken van “forever chemicals”

Terwijl doorgaans zeer zware omstandigheden nodig zijn om deze verbindingen af te breken, heeft een recente studie aangetoond dat een groot deel van de PFAS kan worden afgebroken bij lage temperaturen en onder milde omstandigheden. Dit is veelbelovend nieuws, maar hoe beïnvloedt deze ontdekking de watersector en de blootstelling van de mens aan deze chemische stoffen? Dit zijn enkele van de vragen die we in dit korte artikel zullen behandelen, maar eerst: wat zijn PFAS en waarom zijn ze zo gevaarlijk?

Chemische eigenschappen en toepassingen van PFAS

PFAS zijn antropogene stoffen die meerdere koolstoffluoridebindingen bevatten, een van de sterkste chemische bindingen in de natuur. Duizenden chemische stoffen vallen onder deze definitie, en enkele tientallen subklassen worden gebruikt om deze stoffen verder te karakteriseren. Sommige van de meest gemelde PFAS bevatten een polaire functionele groep, zoals een carboxyl- of een sulfonzuurgroep, en worden respectievelijk per- en polyfluoralkylcarbonzuren (PFCA) en per- en polyfluoralkylsulfonzuren (PFSA) genoemd. Vanwege hun unieke fysisch-chemische eigenschappen worden deze stoffen op grote schaal gebruikt in alledaagse producten, zoals waterbestendige stoffen, kookgerei met antiaanbaklaag, coatings van papier en karton, voedselcontainers, vlekafstotende sprays en coatings, waterig filmvormend schuim voor brandbestrijding, verf, inkt, kleefstoffen, biociden, enzovoort.

Milieukwesties

Door hun wijdverbreide gebruik en hun fysisch-chemische eigenschappen zijn deze stoffen alomtegenwoordig in het milieu en zijn ze aangetroffen in vrijwel alle milieumonsters, zelfs in afgelegen gebieden zoals Antarctica. De koolstoffluoridebinding geeft deze chemische stoffen een sterke weerstand tegen milieuafbraak, en daarom worden PFAS vaak aangeduid als “forever chemicals“. Bovendien verlenen hun oppervlakteactieve eigenschappen (de neiging om zowel hydrofiel als lipofiel te zijn) PFAS een hoge oplosbaarheid in water en bioaccumulatieve eigenschappen (het vermogen om zich op te hopen in biologische weefsels, waar toxische effecten kunnen worden uitgeoefend). Bovendien zijn deze stoffen moeilijk uit water of bodem te verwijderen en zijn ze moeilijk af te breken tot onschadelijke producten. Daarom vormen PFAS een ernstige bedreiging voor het milieu en de volksgezondheid en staan zij in veel landen (waaronder de EU en de VS) op de lijst van zeer zorgwekkende stoffen.

Mineralisatie van PFCA bij lage temperatuur

Een recente studie van Trang et al. (2022), gepubliceerd in Science, beschrijft een innovatieve aanpak bij lage temperatuur voor de effectieve mineralisatie van PFCA’s, een zeer grote subklasse van PFAS. Het mechanisme berust op de PFCA-decarboxylering in polaire aprotische oplosmiddelen, gevolgd door afbraak van perfluoralkylion-tussenproducten tot fluoride-ionen. Deze methode is veelbelovend vanwege de milde omstandigheden en de goedkope reagentia die worden gebruikt, de minimale vorming van fluorkoolstofbijproducten en de mogelijkheid om deze aanpak uit te breiden tot andere PFAS-subklassen. Succesvolle afbraak werd bereikt voor PFCA met verschillende ketenlengtes (van 4 tot 9 koolstofatomen). Voor PFCA met zeer korte ketens (C < 4) was de afbraak echter minder efficiënt.

Potentiële voordelen voor de drinkwatersector

Momenteel zijn er geen waterzuiveringstechnieken op ware grootte beschikbaar die PFAS volledig mineraliseren. PFAS worden gewoonlijk uit water verwijderd door middel van adsorptie (bijvoorbeeld met actieve kool) of filtratie (omgekeerde osmose), waarbij zeer geconcentreerd afval ontstaat dat apart moet worden behandeld. Deze technieken zijn niet alleen selectief voor PFAS (zo worden bijvoorbeeld ook belangrijke mineralen verwijderd), er wordt gewoonlijk een extra stap toegepast waarbij de adsorbentia worden gereactiveerd of de membraanconcentraatstromen worden gemengd met niet-gedemineraliseerd water. Tijdens beide processen kan (een deel van de) PFAS (opnieuw) in het milieu terechtkomen. De toepassing van het door Trang et al. beschreven afbraakproces zou het mogelijk maken PFCA’s in afvalproducten volledig af te breken en te voorkomen dat zij opnieuw in het milieu terechtkomen, en uiteindelijk te voorkomen dat deze stoffen in drinkwaterbronnen terechtkomen. Bovendien zou volledige afbraak ook de vorming van ongewenste omzettingsproducten (bijvoorbeeld PFAS met een korte keten) als gevolg van de onvolledige mineralisatie van PFCA’s en de emissie daarvan in het milieu voorkomen.

Dit is een zeer goed perspectief voor de watersector, maar momenteel beschikken niet alle drinkwater- of afvalwaterzuiveringsinstallaties over de nodige technologie om PFAS efficiënt uit het water te verwijderen en de volledige verwijdering ervan uit het milieu mogelijk te maken. Voor de nabije toekomst blijft een drastische vermindering van de productie en het gebruik van deze chemische stoffen dan ook de belangrijkste strategie om de druk van PFAS op het milieu en de drinkwaterbronnen te verminderen. Dit kan worden bereikt door het gebruik van deze stoffen te beperken tot beperkte activiteiten (essentieel gebruik) en tegelijkertijd de productie en het vrijkomen van soortgelijke chemische stoffen ter vervanging van PFAS te vermijden (betreurenswaardige vervangingen).

Mogelijke toepassing in drinkwaterzuiveringsinstallaties

De nieuw ontwikkelde behandelingsmethode kan worden toegepast op membraanconcentraat of extracten van met PFCA geladen adsorbentia. Er is echter nog meer onderzoek nodig voordat dit nieuwe proces kan worden toegepast op een schaal die geschikt is voor bijvoorbeeld drinkwater- of afvalwaterbehandeling. Zo werd de afbraak van PFCA’s verkregen onder laboratoriumomstandigheden die sterk verschillen van die doorgaans in waterzuiveringsinstallaties worden aangetroffen (een zuivere oplossing en zeer hoge concentraties in tegenstelling tot een complex mengsel van organische en anorganische chemicaliën en lagere concentraties). Daarom zal meer onderzoek nodig zijn om de effecten van de lagere PFCA-concentraties en de aanwezigheid van andere verontreinigingen op de mineralisatie-efficiëntie te onderzoeken.

Beperkingen

De door Trang et al. beschreven mineralisatieaanpak bij lage temperatuur is doeltreffend gebleken voor PFCA met verschillende ketenlengtes. De zeer korte keten PFCA’s perfluoropropaanzuur (PFPrA) en trifluorazijnzuur (TFA) werden echter minder goed afgebroken. Deze chemische stoffen zijn zeer polair en mobiel in het aquatisch milieu, en uiterst moeilijk te verwijderen tijdens waterbehandelingsprocessen. Toch zijn er aanwijzingen dat zeer polaire organische verbindingen minder toxisch kunnen zijn dan hydrofobe. Voorts vormen PFCA’s een groot deel van de PFAS die gewoonlijk in het milieu worden aangetroffen, maar toepassingen van deze methodologie op andere belangrijke subklassen zoals PFSA’s werden in de studie niet vermeld. Aangezien PFSA’s in vergelijkbare concentraties aanwezig zijn als PFCA’s en als toxischer worden beschouwd dan PFCA’s, moet het mineralisatieproces voor waterbehandeling ook worden uitgebreid tot deze klasse van PFAS.

Conclusies

PFAS zijn doorgaans moeilijk uit water te verwijderen (vooral de meest polaire). Daarom moet in de eerste plaats prioriteit worden gegeven aan de vermindering van de emissie van deze verbindingen in het milieu. Niettemin is vooruitgang bij de afbraak van gevaarlijke chemische stoffen zoals PFAS, zoals gepresenteerd door Trang et al., veelbelovend voor de vermindering van de chemische belasting van maatschappij en milieu. Vooruitgang in mineralisatieprocessen moet hand in hand gaan met verbeteringen in verwijderingstechnologieën en de toepassing daarvan om buitensporige chemische belasting van het milieu en risico’s voor de volksgezondheid te voorkomen. KWR is zeer actief op onderzoeksgebieden met betrekking tot prioritaire stoffen zoals PFAS, hun monitoring, lotgevallen, impact op het milieu en verwijderingstechnologieën.

Bekijk ons laatste onderzoek over dit onderwerp hier!