Is plasma de oplossing voor PFAS-probleem?

Onderzoekers van het Duitse Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) hebben succesvol een op plasma gebaseerde technologie toegepast om ‘forever-chemicals’ PFAS uit water of bodem te verwijderen. Deze met conventionele filtertechnieken verwijderen is kostbaar en bijna onhaalbaar.

De thermische en chemische stabiliteit van per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) hebben van deze chemicaliën het materiaal bij uitstek gemaakt om duizenden producten af te werken. Vooral omdat PFAS bestand zijn tegen water en vuil. De chemicaliën worden ook gebruikt als smeermiddel in het productieproces van kunstgrasgaren. Hoewel het gebruikte volume onbeduidend is, maakt de totale omvang van een kunstgrasveld en de minuscule hoeveelheid die nodig is om grond of water te verontreinigen, de aanwezigheid ervan in dit product problematisch.

Vanwege hun chemische stabiliteit was het elimineren van deze zogenaamde “forever chemicals” tot nu toe bijna onmogelijk zonder aanzienlijke inspanningen en kosten.

Het project Atmospheric Water Plasma Treatment (AtWaPlas) wil hierin verandering brengen. Het innovatieve project wordt momenteel uitgevoerd bij het Fraunhofer Instituut voor Interfacial Engineering and Biotechnology IGB in Stuttgart in samenwerking met de industriële partner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR uit Aken. Het doel is om met PFAS verontreinigd water te behandelen en terug te winnen door middel van plasmabehandeling.

Het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Georg Umlauf, een expert op het gebied van functionele oppervlakken en materialen, maakt gebruik van het vermogen van plasma om de moleculaire ketens van stoffen aan te vallen. Het elektrisch geleidende gas bestaande uit elektronen en ionen wordt gegenereerd wanneer er hoogspanning wordt aangelegd. “Onze experimenten met plasma zijn erin geslaagd de PFAS-molecuulketens in water te verkorten. Dit is een belangrijke stap in de richting van een efficiënte verwijdering van deze hardnekkige verontreinigende stoffen”, zegt Umlauf.

Watercyclus in een roestvrijstalen cilinder

Fraunhofer-onderzoekers gebruiken voor dit plasmaproces een cilindrische constructie. Binnenin zit een roestvrijstalen buis die dient als aardelektrode van het elektrische circuit. Het buitenste koperen gaas fungeert dan als een hoogspanningselektrode en wordt aan de binnenkant beschermd door een glazen diëlektricum. Er blijft een heel kleine opening tussen de twee over, die gevuld is met een luchtmengsel. Dit luchtmengsel wordt bij een spanning van enkele kilovolts, omgezet in plasma. Door zijn karakteristieke gloed en ontlading als lichtflitsen is het zichtbaar.

Tijdens het zuiveringsproces wordt het met PFAS verontreinigde water op de bodem van de RVS tank ingebracht en naar boven gepompt. Het gaat dan naar beneden door de opening tussen de elektroden en gaat door de elektrisch actieve plasma-atmosfeer. Het plasma valt uiteen en verkort de PFAS-molecuulketens terwijl het ontlaadt.

Het water wordt herhaaldelijk in een gesloten circuit door zowel de stalen reactor als de plasma-ontladingszone gepompt. De PFAS-molecuulketens worden daarbij steeds verder verkleind totdat ze volledig zijn gemineraliseerd. “Idealiter worden de schadelijke PFAS-stoffen zo geëlimineerd dat ze in massaspectrometrische metingen niet meer te detecteren zijn. Dit voldoet ook aan de strenge voorschriften van de Duitse drinkwaterverordening (TrinkwV) met betrekking tot PFAS-concentraties”, zegt Umlauf.

De technologie die aan het Fraunhofer Instituut is ontwikkeld, heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van conventionele methoden zoals actieve koolstoffiltering: “Actieve koolstoffilters kunnen de schadelijke stoffen binden, maar ze kunnen ze niet verwijderen. Dit betekent dat de filters regelmatig moeten worden vervangen en afgevoerd. De AtWaPlas-technologie daarentegen is in staat om de schadelijke stoffen volledig en zonder resten te elimineren en is zeer efficiënt en onderhoudsarm.”

Echte watermonsters in plaats van synthetische laboratoriummonsters

Om echte haalbaarheid te garanderen, testen de Fraunhofer-onderzoekers de plasmazuivering onder meer uitdagende omstandigheden. Conventionele testmethoden omvatten het gebruik van perfect schoon water en PFAS-oplossingen die synthetisch zijn gemengd in het laboratorium. Het onderzoeksteam in Stuttgart gebruikt echter “echte” watermonsters die afkomstig zijn uit met PFAS besmette gebieden.

De monsters worden verzameld door de projectpartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR uit Aken. Het bedrijf is gespecialiseerd in het saneren van verontreinigde terreinen en voert daarnaast hydrodynamische simulaties uit.

De echte watermonsters waarmee Umlauf en zijn team werken, bevatten daarom naast PFAS ook andere deeltjes, zwevende stoffen en organische troebelheid. “Zo verifiëren we de zuiveringsefficiëntie van AtWaPlas, niet alleen met synthetische laboratoriummonsters, maar ook onder reële omstandigheden met wisselende waterkwaliteiten. De procesparameters kunnen tegelijkertijd worden aangepast en verder ontwikkeld,” zo legt Umlauf uit.

Deze plasmamethode kan ook worden gebruikt om andere schadelijke stoffen af te breken, waaronder medicijnresten in afvalwater, pesticiden en herbiciden, maar ook industriële chemicaliën zoals cyaniden. Met AtWaPlas kan ook op een milieuvriendelijke en kostenbesparende manier drinkwater worden gezuiverd in mobiele toepassingen.

Het gezamenlijke onderzoeksproject AtWaPlas is in juli 2021 van start gegaan. Na een succesvolle reeks tests op pilootschaal met een reactor van 5 liter, werkt het Fraunhofer-team nu samen met de gezamenlijke onderzoekspartner om het proces verder te optimaliseren.

Georg Umlauf stelt: “Ons huidige doel is om giftige PFAS volledig te elimineren door procestijden te verlengen en het aantal circulaties in de tank te vergroten. Ook willen we de AtWaPlas-technologie beschikbaar maken voor praktische toepassing op grotere schaal.” In de toekomst kunnen overeenkomstige installaties worden opgezet als zelfstandige zuiveringsfasen in rioolwaterzuiveringsinstallaties of worden gebruikt in draagbare containers op vervuilde openluchtterreinen.