Degradació dels PFA durant el procés de reactivació del carboni activat
Jul 31, 2025
Deixa un missatge
El motiu de reactivar el carboni activat
L'ús decarboni activatPer eliminar els PFA de l’aigua requereix una reactivació més freqüent del carboni activat. Sota una atmosfera lliure d’oxigen -, a temperatures de 500 graus i superior, les substàncies típiques com PFOA i PFOs s’eliminen completament del carboni activat i es poden descompondre. Això ajuda a abordar el problema dels "productes químics per sempre". Tot i això, alguns productes de degradació es formen a temperatures més baixes, de manera que el tractament post - del flux de gas durant el procés de calefacció és crucial. Una reactivació més freqüent requereix un consum important d’energia, així com un transport addicional i un ús de matèries primeres, augmentant així la petjada de carboni d’indústries com la producció d’aigua potable.
La majoria de processos de purificació d’aigua, com ara aeració, coagulació/floculació/precipitació, filtració ràpida, suavització, oxidació (avançada) i filtració de sorra lenta, són ineficaços per eliminar les substàncies per - i les substàncies polifluoroalquil (PFAS). En canvi, l’adsorció que utilitza carboni activat granular (GAC) o carboni activat en pols (PAC) presenta una alta eficiència en l’eliminació de PFAS i actualment és la tecnologia d’eliminació PFAS més utilitzada al costat de la filtració de la membrana. Els dos mètodes poden adsorbir efectivament els PFA de l'aigua, però no els poden descompondre. Per tant, s’han de prendre mesures per evitar que els PFA adsorbits de re - entrin al màxim l’entorn.
L’eficiència d’eliminació dels PFA es veu afectada per la seva estructura química i la càrrega de compostos orgànics al carboni activat. Long - cadena PFAS (amb una longitud de cadena de carboni superior o igual a 6 àtoms de carboni) tenen propietats d’adsorció més fortes en comparació amb els PFA de cadena curta -, de manera que els PFA de cadena curta - solen descompondre’s més ràpidament. Els tipus comuns de PFA inclouen àcids sulfonics (com ara l’àcid perfluorooctanesulfònic, els PFO) i els àcids carboxílics (com l’àcid perfluorooctanoic, PFOA). Els àcids sulfonics tenen un millor rendiment d’adsorció que els àcids carboxílics, mentre que els PFA de cadena ramificats - generalment tenen efectes d’adsorció inferiors en comparació amb els PFA ramificats no -.
Quan un filtre de carboni activat es trenca (és a dir, la seva capacitat d’adsorció està saturada), el GAC ha de patir un tractament de reactivació. Per a aquest propòsit, el GAC saturat es transporta a les instal·lacions de reactivació dels proveïdors de carboni activats per al processament. Normalment s’utilitza un forn multifuntal - (un tipus de forn de calcinament vertical), on s’alimenta el GAC amb contaminants des de la part superior. El procés de tractament inclou els passos següents: primer, assecar el GAC a 105 graus, després pirolitzar-lo a 650 - 850 graus per eliminar les impureses i, finalment, reactivar-lo en una atmosfera lliure d’oxigen a 800-900 graus per restaurar l’activitat d’adsorció de la superfície de carboni activada [1]. El gas generat durant el procés de reactivació es recopila a través d’un sistema d’atrapament i s’escalfa i s’oxida diverses vegades en un cremador forçat extern a una temperatura alta per sobre dels 1000 graus. El gas es purifica en un fregador de gas i les partícules sòlides queden atrapades. El carboni activat net tractat es descarrega des de la part inferior del forn i es pot reutilitzar en aplicacions com la producció d’aigua potable.
Durant el procés de reactivació, els PFA experimenten diversos canvis, incloent eliminació, destrucció, transformació i mineralització. Quan els PFA no es detecten a GAC, indica que els PFA han estat "eliminats". Tot i això, això no significa que el destí final dels PFA sigui clar - es poden transformar mitjançant evaporació, degradació o mineralització. Durant la destrucció de PFAS, les molècules dels pares es degraden i desapareixen. Si la degradació és incompleta, es poden generar productes de transformació i fins i tot es poden formar altres tipus de PFA, que també poden ser tòxics ambientalment. Per tant, és crucial avaluar amb precisió el grau de degradació i si es generen productes de transformació. La presència de productes de transformació es pot verificar mitjançant l’anàlisi sospitosa de productes coneguts o esperats, o mitjançant l’anàlisi de destinació no -. Si els PFA es degraden completament, és a dir, s’aconsegueix la mineralització, tots els enllaços C - es trenquen, generant fluorur. A continuació, el fluor reacciona amb l’aigua o el calci per formar fluorur d’hidrogen (HF) o fluorur de calci (CAF₂), minimitzant així els seus perills ambientals. Les parts restants de les molècules PFAS es converteixen en diòxid de carboni (CO₂) o aigua (H₂o).
Tot i que el procés de mineralització augmenta el consum de matèries primeres i energia, ajuda a abordar el problema de contaminació de "productes químics per sempre" a l'entorn descomposant completament els PFA en elements tòxics no - (com el fluorur, el co₂ i H₂o) [1]. Mesurant la concentració d’ions de fluor, es pot intentar establir un equilibri de massa per verificar si els PFA estan completament mineralitzats. Teòricament, els PFA completament mineralitzats s’han de convertir al 100% en ions de fluor detectables. Tanmateix, a la pràctica, la verificació d’aquest procés sol afrontar reptes, en part perquè el límit de detecció analítica del fluorur és relativament elevat (normalment uns 20 µg/L), mentre que la concentració de PFAs en aigua sovint es troba al nanograma per litre (NG/L), dificultant l’anàlisi.
Se sap que el carboni activat granular (GAC) té un efecte catalític sobre la mineralització de per - i les substàncies de polifluoroalquil (PFAs) en condicions de calefacció. Watanabe et al. (2018) [2] va realitzar estudis en un oxigen - atmosfera de nitrogen lliure (N₂) a 700 graus i va trobar que les taxes de generació de fluorur durant la mineralització de l’àcid perfluorooctanoic (PFOA), perfluorohexanoic (PFHXA) i perfluorooctanesulfònic (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) (PFOS) àcid (PFOS) (PFOC) El 46% i el 72% respectivament. Quan els PFA es van adsorbir en GAC, les taxes de generació de fluor van augmentar significativament fins al 51%, el 74%i el 70%respectivament. A més, després d’afegir hidròxid de sodi a la columna de reactivació, les taxes de generació de fluor es van millorar encara més fins al 74%, el 91%i el 90%, mentre que la quantitat residual dels components PFAS originals va caure a menys de l’1%. Aquests resultats indiquen que el GAC té un paper important en el procés de mineralització dels PFA. Tanmateix, per a una aplicació eficient, és crucial comprendre profundament els processos fisicoquímics que es produeixen a la superfície del GAC. El GAC pot "retenir" els PFA fins que la columna de reactivació arribi a una temperatura adequada per a la mineralització. A més de les reaccions termoquímiques, és probable que les propietats fisicoquímiques del GAC (com l'estructura de porus de superfície i l'activitat química) tinguin un impacte significatiu en l'eficiència de la mineralització dels PFA [1].
Si només es produeix l’eliminació o la destrucció de PFA sense mineralització completa, els PFA o els seus productes de degradació només es poden transferir en lloc d’eliminar completament. Sense mesures de control efectives, aquests PFA o els seus productes de degradació poden tornar a entrar en els sistemes de medi ambient i aigua, provocant la contaminació de les aigües superficials de Re - i, finalment, requerint eliminació secundària mitjançant GAC. En el tractament a escala gran -, se solen introduir els passos addicionals de combustió i els fregadors de gas per gestionar el flux de gas alliberat durant el procés de reactivació, de manera que per evitar l'emissió de productes de degradació. Tot i això, el problema rau en l’extrema estabilitat química dels PFA. Se sap que els PFA només es poden "cremar" completament i descomposar -se a temperatures elevades per sobre dels 1200 graus. Per tant, l'efecte real dels passos de combustió convencionals encara necessita més verificació.
Experiments de reactivació
KWR, en col·laboració amb la Universitat de Bath al Regne Unit, ha desenvolupat un dispositiu experimental per reactivar el carboni activat en condicions controlades i estudiar sistemàticament el comportament de transformació dels PFA. Aquest dispositiu pot simular amb precisió el procés de reactivació, proporcionant una plataforma fiable per avaluar l'eficiència de degradació dels PFA i optimitzar els paràmetres del procés.
Primer, es va preparar una concentració alta - "Solució d'estoc", que és una solució que conté diverses substàncies per - i polifluoroalquil (PFAs) a una concentració relativament alta. A l'experiment, aquesta solució d'estoc es va diluir a la concentració requerida per a proves posteriors.
Per a l'experiment es va seleccionar un nou carboni activat granular (Model TL - 830, ChemViron). Es van carregar dos lots de carboni activat amb àcid perfluorooctanesulfonic (PFOs) i àcid perfluorooctanoic (PFOA) respectivament. Posteriorment, es va analitzar la concentració de PFA a la solució després de la càrrega mitjançant cromatografia líquida - espectrometria de masses (LC-MS) a la Universitat de Bath i es va calcular la càrrega PFAS al carboni activat.
Els resultats van mostrar que la càrrega de PFOS era de 81 µg/g de carboni activat i la càrrega de PFOA va ser de 75 µg/g de carboni activat. A l'experiment, el carboni activat es va dividir en grups de 10 grams cadascun, i escalfar - tractat en un forn de tub a 300 graus, 500 graus, 700 graus i 900 graus respectivament. Al començament del tractament, el carboni activat es va escalfar per primera vegada a 105 graus durant 30 minuts per evaporar la humitat continguda en ell, de manera que per evitar que l'estructura microporosa del carboni activat es danyés a causa de l'expansió del vapor durant el tractament de temperatura posterior elevat -. A continuació, el carboni activat es va escalfar a la temperatura objectiu. Durant tot l'experiment, el gas de nitrogen es va introduir contínuament al forn del tub per mantenir un ambient lliure d'oxigen -. El flux de gas que sortia es va condensar a través d’una trampa freda i es va purificar seqüencialment a través de dues ampolles de rentat de gas.
Un cop finalitzada cada reactivació, es va netejar el sistema i es va carregar un nou lot de carboni activat per continuar l'experiment. El tractament sota cada condició de temperatura es va repetir dues vegades per assegurar la fiabilitat de les dades. Després de la reactivació, el carboni activat va ser sotmès a anàlisis d’extracció per determinar el contingut dels PFA restants al carboni activat. Els resultats van mostrar que els PFO i una quantitat molt petita de PFOA es podien detectar a l'extracte només sota la condició de reactivació de 300 graus. Quan la temperatura va assolir els 500 graus (una temperatura comuna en el procés de reactivació del carboni activat) i superior, no es va poder detectar PFOS residuals ni PFOA al carboni activat.
Post - Tractament de reactivació
PFO
Després de la reactivació de PFOS - carboni activat carregat, només es va detectar qualitativament el C8F16, el perfluorooct-1-ene (m/z 399), en el carboni activat tractat a 300 graus. Aquest component no es va detectar a la trampa freda ni a les ampolles de rentat de gas. Després de la reactivació a 500 graus (o superior), aquesta substància no es va detectar a les ampolles de carboni activat, condensats o rentat de gas. Perfluorooct-1-ene és una cadena molecular PFOS sense el grup de sulfone característic. També es va detectar en l'extracte del carboni activat carregat abans de la reactivació, però no en la solució d'estoc. Per tant, aquesta substància ja estava present sobre el carboni activat.
PFOA
Després de la reactivació de PFOA - carboni activat, no es van trobar productes de degradació al carboni activat. No obstant això, es van trobar diversos productes de degradació en els condensats de les ampolles de rentada de trampa freda i de rentat de gas. Els productes de transformació formats a 300 graus i que es troben en els condensats o les ampolles de rentat de gas també es poden formar durant el procés de temperatura fins a valors més alts i s’han condensat a la trampa freda a temperatures més baixes. C8HF14O2 (m/z 395), que "va perdre" un àtom de fluor durant la reactivació, es pot trobar als condensats i ambdues ampolles de rentat de gas. Aquesta substància també estava present a la solució en estoc, però es va eliminar del carboni activat després de la reactivació.
C5F9 (M/Z 231), C4F7 (M/Z 181), C3F7 (M/Z 169), C3F5 (M/Z 131) i C2F5 (M/Z 119) són productes de degradació seqüencial, en els quals els àtoms de carboni o CF2 es trenquen de la cadena molecular. A causa de la mesura qualitativa dels productes de degradació, és impossible determinar si el seu contingut augmenta o disminueix durant el tractament de temperatura -.
Conclusió
Aquest estudi va investigar la reactivació del carboni activat carregat amb PFOS o PFOA. Els resultats van mostrar que després de tractar el carboni activat a una temperatura d'almenys 500 graus, els PFO i PFOA es van eliminar completament del carboni activat i es podria haver degradat. El producte de degradació de PFOS, C8F16, només es va trobar al carboni activat tractat a 300 graus. A més, no es van detectar productes de degradació al carboni activat ni a les ampolles de rentat de gas. Els productes de degradació de PFOA, inclosos C8HF14O2, C5F9, C4F7, C3F7, C3F7 i C2F5, no es van trobar al carboni activat, però es van detectar a les condensacions de trampa freda i a les dues ampolles de rentat de gas. Els senyals d’aquestes substàncies eren molt baixes, per la qual cosa era impossible aclarir el procés de tractament a diferents temperatures (és a dir, tant si es van formar només durant l’escalfament a temperatures relativament baixes o també durant el tractament a temperatures més altes). La reactivació en condicions anòxiques a temperatures superiors als 500 graus sembla eliminar eficaçment els PFO i PFOA del carboni activat, cosa que és coherent amb les declaracions de fabricants de carboni activats. Els productes de transformació que es troben corresponen a les vies de degradació identificades a la literatura [3] i [4]. Tanmateix, no es pot descartar la formació d'altres -. La mesura del fluor proposada en aquest treball encara no ha produït un equilibri de massa PFAS final, cosa que posa l’accent en la necessitat de tecnologies amb límits de detecció més baixos. La reactivació és un mètode eficaç per eliminar els PFA del carboni activat, però com més PFA s’han d’eliminar, més cicles de reactivació es requereixen. Això també significa un augment del transport, el consum d’energia i el consum de matèries primeres, així com una capacitat de purificació reduïda. També augmentarà la petjada de carboni de la producció d’aigua potable. L’aigua neta és preciosa, però els mitjans per obtenir -lo tenen un cost elevat.
Enviar la consulta