Natuurlijke en oppervlakte gemodificeerde kleimineralen/zeolieten

Toepasbaarheid

Op het moment van schrijven bevindt de toepassing van zeolieten en oppervlakte gemodificeerde kleimineralen voor de verwijdering van PFAS zich vooral in de onderzoeks- en pilootfase (zeolieten: TRL 4 – 6; oppervlakte gemodificeerde kleimineralen: TRL 5 - 7). Op het moment van schrijven is enkel oppervlakte gemodificeerd kleimineraal commercieel beschikbaar via buitenlandse leveranciers waardoor deze handvaten zich enkel zullen toespitsen op deze techniek. Dit adsorptiemateriaal vertoont vergelijkbare adsorptie eigenschappen met GAC en ionenwisselingsharsen en kunnen op een vergelijkbare manier ingezet worden. Ondanks de beperkte beschikbare informatie geeft dit een indicatie dat deze technieken toegepast kunnen worden op zowel bedrijfsafvalwater als bemalingswater.

• Toepasbaar in vaste en mobiele installaties;
• verblijftijden tussen 2 – 15 min;
• typisch debieten van 0,1 – 100 m³/u worden behandeld. Hogere debieten kunnen toegepast worden door gebruik van één grote vaste installatie of het in parallel plaatsten van meerdere mobiele filters zoals bijvoorbeeld bij bemalingen met hoge debieten;
• Door de verhoogde adsorptiecapaciteit van oppervlakte gemodificeerde kleimineralen zijn kleinere filters nodig in vergelijking met GAC, waardoor deze opstelling tot 50% - 75% kleiner is. Hierdoor zijn goedkopere installaties mogelijk voor hetzelfde debiet met een lager materiaalverbruik;
• Regeneratie of reactivatie is niet mogelijk.

PFAS verwijderingsefficiëntie

Korte keten PFAS worden in vergelijking met lange keten PFAS minder efficiënt verwijderd, maar de verwijdering is, afhankelijk van de aard van de matrix, efficiënter in vergelijking met GAC:

• Lange keten PFAS:  99% (onder de huidige rapportagegrens van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS mogelijk);
• Korte keten PFAS: 90% tot 99% afhankelijk van de aard van de matrix.

De algemene verwijderingsefficiëntie voor PFAS onder praktische omstandigheden is 90 – 99%. De praktische toepassing van oppervlakte gemodificeerde kleimineralen beperkt zich op het moment van schrijven hoofdzakelijk tot de verwijdering van lange keten PFAS zoals PFOS en PFOA. Huidig onderzoek toont aan dat ook korte keten PFAS en precursoren verwijderd kunnen worden met oppervlakte gemodificeerde organokleimineralen. Er zijn indicaties dat korte keten PFSA’s efficiënt verwijderd kunnen worden, maar dat de adsorptie voor korte keten PFCA’s mogelijk beperkter is. Desalniettemin werd aangetoond dat de verwijdering van deze korte keten PFCA’s zoals PFBA, PFBS en PFPeA efficiënter is dan bij GAC.

Technisch gezien kunnen oppervlakte gemodificeerde kleimineralen zorgen voor de verwijdering van PFAS tot onder de huidige rapportagegrenzen van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS in bedrijfsafvalwater en bemalingswater zolang er voldoende filters in serie worden geplaatst. Echter in de praktijk zal dit niet voor alle situaties haalbaar zijn gezien in bepaalde gevallen een (zeer) hoge hoeveelheid oppervlakte gemodificeerde kleimineralen nodig zullen zijn, o.a. voor:

• bedrijfsafvalwater/bemalingswater met complexe matrices en hoge PFAS concentraties;
• bedrijfsafvalwater/bemalingswater met zeer hoge concentraties korte keten PFAS zoals PFBA omdat hier snel doorbraak zal optreden.

Matrixeffecten en voorbehandelingstechnieken

Onderstaande componenten werden tot op het moment van schrijven waargenomen als parameters die een invloed kunnen hebben op de PFAS verwijdering bij de toepassing van oppervlakte gemodificeerde kleimineralen:

• Anorganische ionen (hoge zout concentraties). Het effect van specifieke ionen op de verwijdering van PFAS is echter afhankelijk van de aard van de lading. Kationen kunnen de adsorptie van anionische PFAS stimuleren, terwijl anionen net kunnen zorgen voor een sterk gereduceerde PFAS adsorptie. Hoge concentratie kationen kunnen een positief effect hebben op de verwijdering van korte keten PFAS zoals PFHxA en PFBA;
• Organische stoffen/CZV. Deze competitie zou beperkter zijn in vergelijking met GAC. De adsorptiecapaciteit voor PFAS wordt echter niet negatief beïnvloed door minerale olie, BTEX, VOCl en beperkte gehaltes aan organisch materiaal;
• Daling van de pH kan een positief effect hebben op de verwijdering van PFAS.

Optimalisatie

Hieronder worden enkele punten samengevat die de zuivering van met PFAS belast bedrijfsafvalwater/bemalingswater met oppervlakte gemodificeerde kleimineralen in bepaalde situaties kan optimaliseren (voor korte keten PFAS):

• Proces sturen op PFAS die als eerste zal doorbreken (vb. PFBA);
• Proces sturen op doorbraak in de eerste filter in een lead-lag configuratie of doorbraak in de voorlaatste filter indien meerdere filters in serie worden geplaatst;
• Standtijd voldoende kort houden/voldoende hoge wisselfrequentie;
• Bij voornamelijk korte keten PFAS de EBCT verhogen tot 15 min of langer door debiet te verkleinen of grotere filters te gebruiken;
• Organokleimineralen worden eveneens toegepast voor de verwijdering van olie uit afvalwater, waardoor dit adsorbens mogelijk kan ingezet worden voor de verwijdering van PFAS in bedrijfsafvalwater of bemalingswater dat verontreinigd is met olie;
• De competitie met organische stoffen zou beperkter zijn in vergelijking met GAC. Bovendien wordt de adsorptiecapaciteit voor PFAS niet negatief beïnvloed door minerale olie, BTEX, VOCl en beperkte gehaltes aan organisch materiaal;
• Voor specifieke afvalwaterstromen kunnen oppervlakte gemodificeerde kleimineralen betere verwijderingsefficiënties bekomen dan GAC getest op hetzelfde afvalwater;
• Bij korte bemalingen de filters met oppervlakte gemodificeerde kleimineralen dimensioneren zodat deze niet gewisseld hoeven te worden.

De wisselfrequentie van de filters is afhankelijk van de beoogde eindconcentratie van PFAS, de influent concentraties, de ketenlengte van de te behandelen PFAS, de adsorptiecapaciteit van de oppervlakte gemodificeerde kleimineralen, de aanwezigheid van andere componenten die de adsorptiecapaciteit kunnen beïnvloeden, de aard van de gebruikte opstelling en het beheer van deze opstelling.

Combinatie met andere technieken

Oppervlakte gemodificeerde kleimineralen kunnen op verschillende manieren toegepast worden binnen een waterbehandeling voor de zuivering van met PFAS belast bedrijfsafvalwater/bemalingswater:

• op zichzelf als losstaande techniek met twee of meerdere filters in serie;
• In combinatie met een voorafgaande GAC filter die instaat voor de verwijdering van lange keten PFAS en interfererende componenten, en om de nageschakelde filters te beschermen. De filters met oppervlakte gemodificeerde kleimineralen zorgen dan voornamelijk voor bijkomende verwijdering van korte keten PFAS;
• Polishing stap om resterende (korte keten) PFAS te verwijderen na een techniek voor bulkverwijdering van PFAS zoals:
  • Coagulatie/flocculatie;
  • Membraan gebaseerde technieken;
  • Schuimfractionatie en ozofractionatie;
  • Indampen/Vacuümverdamping

Voorbeeldsituaties

De praktijkervaringen met oppervlakte gemodificeerde kleimineralen is op het moment van schrijven zeer beperkt doordat deze techniek zich voornamelijk nog in de onderzoeks- en pilootfase bevindt. Dit adsorptiemateriaal vertoont vergelijkbare adsorptie eigenschappen met GAC en ionenwisselingsharsen en kunnen op een vergelijkbare manier ingezet worden Hierdoor kunnen de voorbeeldsituaties beschreven bij GAC en ionenwisselingsharsen als een goede basis dienen bij het ontwerp en de concrete implementatie van deze techniek voor de zuivering van met PFAS belast bedrijfsafvalwater en bemalingswater. Het wordt steeds aangeraden om een minimaal een zandfilter te plaatsen voor een (serie van) filter(s) met oppervlakte gemodificeerde kleimineralen.

Case-informatie

Op basis van een specifieke case voor de behandeling van bemalingswater aan 30 m³/u met twee filters in serie van elk 3 m³ oppervlakte gemodificeerde organokleimineralen, worden de totale kosten ingeschat op 70 000 EUR, inclusief de kosten voor monitoring en opvolging. In deze case wordt verondersteld dat de gebruikte filters niet vervangen zouden moeten worden in functie van de matrix en de hoeveelheid PFAS dat verwijderd dient te worden.

In een recente case in het Verenigd Koninkrijk wordt een filter met oppervlakte gemodificeerde organokleimineralen gebruikt als een polishingstap op het effluent van schuimfractionatie dat oppervlaktewater behandelt.

Verdere informatie over specifieke cases kon op het moment van schrijven niet worden aangeleverd.