Plasma tegen giftige PFAS-chemicaliën

De plasmaatmosfeer is duidelijk zichtbaar in de reactor door de karakteristieke gloed en bliksemschichten. © Fraunhofer IGB / De plasmaatmosfeer is duidelijk zichtbaar in de reactor door de karakteristieke gloed en bliksemschichten. © Fraunhofer IGB

Plasmareactor: Door het aanleggen van spanning op de koperelektrode ontstaat er een plasma. Gecontamineerd water wordt omhoog gepompt en stroomt door een spleet in de zone met de plasmaontlading weer naar beneden. Daarbij worden de PFAS aangevallen. / Plasma reactor: Plasma wordt gecreëerd door spanning aan te leggen op de koperelektrode. Gecontamineerd water wordt omhoog gepompt en stroomt via een spleet in de plasmaontladingszone weer naar beneden, waarbij de PFAS worden aangepakt. © Fraunhofer IGB

Plasma-reactor: Plasma wordt gecreëerd door spanning toe te passen op de koperelektrode. Vervuild water wordt omhoog gepompt en stroomt terug naar beneden door een opening in de plasma-ontladingszone, waarbij de PFAS in het proces worden aangevallen. © Fraunhofer IGB

Proefinstallatie voor de eliminatie van PFAS. Na de eerste succesvolle proeven wordt de technologie nu geoptimaliseerd en opgeschaald voor praktische toepassingen op industriële schaal. © Fraunhofer IGB / Pilotinstallatie voor de eliminatie van PFAS. Na het eerste succes van de proeven wordt de technologie nu geoptimaliseerd en opgeschaald voor praktische toepassingen op industriële schaal. © Fraunhofer IGB

De schadelijke chemische stoffen PFAS zijn inmiddels in veel bodems en wateren aantoonbaar. Verwijdering met reguliere filtertechnieken is zeer arbeidsintensief en nauwelijks haalbaar. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB zetten in het samenwerkingsproject AtWaPlas succesvol in op een plasmagestuurde technologie. Contaminieerd water wordt in een gecombineerde glazen en roestvrijstalen cilinder geleid en daar behandeld met het geïoniseerde gas – het plasma. Dit vermindert de molecuulketens van PFAS en maakt zo een kosteneffectieve verwijdering van de giftige stof mogelijk.

Per- en polyfluorierte alkylverbindingen, kortweg: PFAS (Engels: per- and polyfluoroalkyl substances), hebben veel talenten. Ze zijn thermisch en chemisch stabiel, en bovendien water-, vet- en vuilafstotend. Daarom komen ze voor in veel alledaagse toepassingen: pizzadozen zijn ermee bekleed of ook bakpapier, net als shampoo en crèmes. In de industrie worden PFAS gebruikt als blus- en netmiddelen. In de landbouw worden ze toegepast in gewasbeschermingsmiddelen. Inmiddels kunnen sporen van PFAS ook worden aangetoond op plaatsen waar ze niet thuishoren: in de bodem, in rivieren en grondwater, in voedsel en drinkwater. Zo komen de schadelijke stoffen uiteindelijk ook in het menselijk lichaam terecht. Vanwege hun chemische stabiliteit is de verwijdering van de zogenaamde eeuwigheidschemische stoffen tot nu toe met een aanvaardbare inspanning nauwelijks mogelijk.

Het samenwerkingsproject AtWaPlas moet hier verandering in brengen. De afkorting staat voor Atmosfeer-Waterplasma-behandeling. Het innovatieve project wordt momenteel uitgevoerd aan het Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart, samen met de industriële partner HYDR.O. Geologen en ingenieurs uit Aken werken eraan. Het doel is de behandeling en terugwinning van PFAS-belast water met behulp van plasma.

Het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Georg Umlauf, expert op het gebied van functionele oppervlakken en materialen, maakt gebruik van de capaciteit van plasma om de molecuulketens van stoffen aan te vallen. Het elektrisch geleidende gas wordt gevormd uit elektronen en ionen door het aanleggen van hoogspanning. »In onze experimenten met plasma is het gelukt om de molecuulketens van PFAS in water te verkorten. Dit is een belangrijke stap richting een efficiënte verwijdering van deze hardnekkige schadelijke stoffen«, zegt Umlauf.

Waterkringloop in de roestvrijstalen cilinder

Voor de procedure gebruiken de onderzoekers van Fraunhofer een cilindervormige opbouw. In het binnenste bevindt zich een roestvrijstalen buis die dient als massa-elektrode van de stroomkring. Een extern koperen net fungeert als hoogspanningselektrode en wordt naar binnen toe afgeschermd door een diëlektricum van glas. Daartussen blijft een kleine spleet, gevuld met een luchtmengsel. Door het aanleggen van meerdere kilovolt spanning verandert dit luchtmengsel in plasma. Voor het menselijk oog wordt het zichtbaar door de karakteristieke gloed en het ontladen in de vorm van bliksemschichten.

In het reinigingsproces wordt het met PFAS besmette water onderin de stalen tank ingelaten en omhoog gepompt. In de spleet tussen de elektroden stroomt het naar beneden en doorloopt daarbij de elektrisch actieve plasma-omgeving. Bij het ontladen breekt het plasma de PFAS-molecuulketens af en verkort ze. Het water wordt in een gesloten circuit herhaaldelijk door de krachtigere reactor en de plasma-ontladingszone in de spleet gepompt, telkens worden de PFAS-molecuulketens verder gereduceerd tot volledige mineralisering. »In het ideale geval worden de schadelijke PFAS-stoffen zo volledig verwijderd dat ze niet meer aantoonbaar zijn in massaspectrometrische metingen. Daarmee worden ook de strenge regelgeving van de drinkwaterverordening met betrekking tot de PFAS-concentratie nageleefd«, zegt Umlauf.

In tegenstelling tot conventionele methoden zoals bijvoorbeeld filtratie met actief kool, heeft de bij het Fraunhofer-Institut ontwikkelde technologie een belangrijk voordeel: »Actieve koolfilters kunnen de schadelijke stoffen wel binden, maar niet verwijderen. Ze moeten dus regelmatig worden vervangen en afgevoerd. De AtWaPlas-technologie daarentegen kan de schadelijke stoffen volledig elimineren zonder restanten en werkt daarbij zeer efficiënt en onderhoudsarm«, legt Fraunhofer-expert Umlauf uit.

Echte watermonsters in plaats van synthetische laboratoriummonsters

Om echte praktijknabijheid te garanderen, testen de onderzoekers van Fraunhofer de plasma-reiniging onder meer onder verslechterde omstandigheden. Conventionele testmethoden werken met perfect schoon water en synthetisch bereide PFAS-oplossingen in het laboratorium. Het onderzoeksteam in Stuttgart gebruikt echter »echte« watermonsters, afkomstig uit PFAS-besmette gebieden. De monsters worden aangeleverd door de projectpartner HYDR.O. Geologen en ingenieurs GbR uit Aken. Het bedrijf is gespecialiseerd in sanering van oude verontreinigingen 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 stoffen. »Op deze manier zorgen we ervoor dat AtWaPlas zijn reinigingseffect niet alleen met synthetische laboratoriummonsters, maar ook onder echte omstandigheden met wisselende waterkwaliteiten aantoont. Tegelijkertijd kunnen we de procesparameters continu aanpassen en verder ontwikkelen«, legt Umlauf uit.

De plasmamethode kan ook worden ingezet voor de afbraak van andere schadelijke stoffen. Hieronder vallen bijvoorbeeld resten van medicijnen in afvalwater, pesticiden en herbiciden, maar ook industriële chemicaliën zoals cyanide. Daarnaast is AtWaPlas ook geschikt voor milieuvriendelijke en kosteneffectieve zuivering van drinkwater in mobiele toepassingen.

Het samenwerkingsproject AtWaPlas ging van start in juli 2021. Na de succesvolle proefreeks op technologische schaal met een 5-liter reactor werkt het Fraunhofer-team samen met de partners aan verdere optimalisatie van de procedure. Georg Umlauf zegt: »Ons doel is nu om giftige PFAS volledig te elimineren door verlengde procesduur en meer herhalingen in de tank, en de AtWaPlas-technologie ook voor praktische toepassing op grotere schaal beschikbaar te maken.« In de toekomst zouden dergelijke installaties ook als zelfstandige reinigingsstap in zuiveringsinstallaties kunnen worden geplaatst of in draagbare containers op vervuilde buitengebieden worden ingezet.