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. Dabei ist nach OECD-Definition mindestens ein Kohlenstoffatom vollständig fluoriert. Sie zeichnen sich aufgrund der starken Fluor-Kohlenstoffbindung durch eine hohe chemische und thermische Stabilität aus. Die Fluorkohlenstoffkette besitzt einen hydrophoben Charakter durch eine polare Kopfgruppe können sie zugleich auch einen hydrophilen Charakter besitzen. Sie können somit wasser- und ölabweisend sein und zum Teil auch Schmutzpartikel abweisen. Aufgrund dieser Eigenschaften wurden und werden sie z. T. auch weiterhin in vielen Bereichen eingesetzt. Sie begegnen uns in alltäglichen Gegenständen wie Funktionstextilien, Imprägniermitteln, Teflonpfannen und speziellem Papier.
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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 viel 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 zunehmend reglementiert bzw. verboten wird. Die europäische Trinkwasserrichtline (Richtlinie (EU) 2020/2184) fordert die Anwendung von Höchstwerten 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 effektiv verschiedene Schadstoffe wie Pestizide, Medikamentenrückstände und Kohlenwasserstoffe aus dem Wasser. 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 (PFOS). Alle Substanzen gehören zur PFAS-20-Gruppe, PFOA, PFHxS, PFOS zudem zur besonders kritischen PFAS-4 Gruppe. Während der Versuche wurde 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 ausgewählten Aktivkohlen basieren auf unterschiedlichen Rohstoffen. Die DGF 8×30 GL und DGF BX 8×30/65 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 8×30/65 (Kokosnuss) und DGP 8×30/65 (Palmkern) dar. Alle ausgewählten Aktivkohlen besitzen eine Trinkwasserzulassung gemäß DIN EN 12915–1.
Insgesamt weist die DGF 8×30 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 8×30/65 ist basierend auf ihrem Rohmaterial und dem deutlich geringeren Aktivierungsgrad deutlich feinporiger und ist nahezu ausschließlich mikroporös.
Ergebnisse der Tests
Die ermittelten Durchbruchskurven 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 8×30 GL auf Steinkohlebasis, sie besitzt bei allen Bettvolumina die geringsten Konzentrationen im Ablauf. Dies ist wahrscheinlich zum einen darauf zurück zu führen, 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 8×30/65 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 Aktivkohlen DGF BX 8×30/65 und DGP 8×30/65 sind untereinander vergleichbar, sind jedoch deutlich geringer im Vergleich zur Aktivkohle DGF 8×30 GL.
Hinsichtlich der Adsorption der Summe aller PFAS (2. Grafik) zeigt analog zum SAK-Wert die DGK 8×30/65 die geringste Adsorptionsleistung. Die anderen Aktivkohlen zeigen eine untereinander vergleichbare Adsorptionsleistung, bei geringen Bettvolumina zeigt die DGF 8×30 GL eine etwas bessere Entfernungsleistung für Summe aller untersuchten PFAS. 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. Insgesamt zeigt dies auch, dass die Stoffübergangszonen im gewählten Versuchsaufbau sehr breit sind.
Bei alleiniger Betrachtung der untersuchten PFAS-4-Substanzen (PFOA, PFHxS, PFOS) zeigt die DGF 8×30 GL die beste Adsorptionsperformance. Bei den Aktivkohlen DGP 8×30/65 und DGF BX 8×30/65 wurden demgegenüber insgesamt etwas höhere Ablaufkonzentrationen der Einzelsubstanzen und daraus resultierend auch höhere Werte für den Summenparameter gemessen. Die DGK 8×30/65 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 zurück zu führen, dass es sich bei den untersuchten PFAS-4 Substanzen um Moleküle mit Kettenlängen ≥ C6 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 8×30/65 keine oder nur einen geringen Anteil besitzt. Analog zu allen untersuchten PFAS wurde auch bei den PFAS-4-Substanzen das Gleichgewicht noch nicht erreicht. Bezieht man bei der Betrachtung der Adsorptionsleistung die Rütteldichte/ Schüttdichte– wie bei der Bewertung von Aktivkohlen üblich – mit ein zeigt die DGF 8×30 GL aufgrund ihrer geringen Dichte die beste Reinigungsleistung
Fazit
Ausgangspunkt für die Versuche war die Beurteilung und vergleichende Bewertung der Adsorptionsleistung für PFAS in der Trinkwasseraufbereitung verschiedener granulierter Aktivkohlen. Die Testung wurde mit Karlsruher Leitungswasser an Kleinfiltersäulen durchgeführt. Es zeigt sich, dass alle untersuchten Aktivkohlen den PFAS-Gehalt im untersuchten Wasser reduzieren können, wobei DGF 8×30 GL die beste Abscheideleistung zeigt. Bei der DGF 8×30 GL wurde auch zeitglich die größte Abnahme des SAK 254 nm festgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Entfernung von PFAS eine nachhaltige Alternative eine Aktivkohle auf Palmkernbasis (DGP 8×30/65) sein kann, die beim Summenparameter der PFAS eine ähnlich gute Performance zeigt. Zusammenfassend lassen sich alle Aktivkohlen zur Entfernung von PFAS einsetzten. Liegt eine weitere Schadstoffproblematik vor sollte diese neben der Adsorptionsperformance für PFAS mit einbezogen werden
Carbotech Gruppe, Essen
Halle B2, Stand 127/226
Autorin: Johanna Muthmann
Anwendungstechnikerin,
Carbotech
Autor: Jan Hojak
Anwendungstechniker,
Carbotech
