Modelling Competitive Sorption of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFASs) to Soil and Sorbents

• Main Author: Georgii, Linnea
• Format: Others
• Language: English
• Published: Uppsala universitet, Luft-, vatten- och landskapslära 2021
• Subjects: PFAS; modelling; competitive sorption; adsorption; isotherms; modellering; konkurrenseffekter; isotermer; Earth and Related Environmental Sciences; Geovetenskap och miljövetenskap
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-438671

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) have become contaminants of increasing concern to society due to the contamination of drinking water and the ecosystem. A better understanding of the sorption and transport of PFASs in soil systems is urgently needed, however there have been few studies dedicated to investigating competitive sorption among PFASs, and there is no available model to model such effects. This study investigated the sorption behaviour of PFASs of different carbon chain lengths and different functional groups to investigate potential competitive sorption effects. A multi-compound sorption model was set up based on Langmuir single sorption isotherms. By modelling the different PFASs both separately and mixed together in bi-solute and multi-solute systems, the possibility of modelling competition effects between different PFASs for sorption sites was investigated. The model could describe the general tendency of longer chained PFASs to outcompete shorter chained PFASs, and that perfluorinated sulfonic acids (PFSAs) outcompete perfluorinated carboxylic aids (PFCAs). However, the model failed to reproduce multi-solute sorption results for PFOS at concentrations near or above the critical micelle concentration (CMC), indicating micelle formation and multilayer sorption, which cannot be described by a Langmuir isotherm-based model. The study showed that it is possible to model competitive effects among some PFASs using this approach, although more advanced models may be needed to model the sorption of long-chained PFASs where micelle formation may occur, which would require further research to derive values for the parameters necessary to perform this type of modelling. === Per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) är kolväten där alla (per-) eller vissa (poly-) avväteatomerna bytts ut mot fluoratomer. PFAS är syntetiska kemikalier som började produceras på 1950-talet och kan beså av olika långa kolkedjor och funktionella grupper vilket påverkar deras egenskaper.Den funktionella gruppen är det hydrofila (vattenälskande) ”huvudet” på molekylen vilken kan bestå avolika kemiska grupper, av vilka de två vanligast studerade grupperna är sulfonsyror (PFSA) ochkarboxylsyror (PFCA), men det finns även många andra grupper. PFAS delas också in i långa och kortaföreningar där långa PFAS har en kolkedja som är längre än 6 kol och korta PFAS har 6 kol eller färrei sin kolkedja. Den molekylära strukturen med ett hydrofilt huvud och en hydrofob (vattenhatande)fluorerad kolkedja gör att PFAS ofta används som ytaktiva ämnen. Det finns fler än 4 700 PFAS och deanvänds i många olika produkter så som vatten- och fettavstötande tyger, mattor, rengöringsmedel, plastoch non-stickbeläggningar i t.ex. stekpannor. På grund av PFAS unika egenskaper har de också använtsi brandskum där de bildar en tunn film av vatten mellan skummet och det brinnande bränslet vilketeffektivt släcker branden. Men användningen av PFAS i brandskum har visat sig särskilt problematisktdå det innebär ett direkt utsläpp av stora mängder PFAS i naturen. Kol-fluorbindningen är väldigt stark och organismer klarar inte av att bryta bindningen vilket gör attPFAS inte bryts ned utan ansamlas i naturen. Detta tillsammans med deras vattenlöslighet resulterar imånga fall i stora föroreningsplymer i grundvattnet. Livsmedelsverket har rapporterat att dricksvattnetför mer än 3,6 miljoner människor är påverkat av PFAS föroreningar i Sverige. PFAS misstänks hacancerogena och hormonstörande effekter och flera PFAS föroreningar är nu reglerade inom EU. Menäven om nya utsläpp är reglerade behöver de PFAS som redan finns i naturen åtgärdas. Det finns mångatekniker för att åtgärda PFAS-förorenade områden där man utnyttjar molekylernas förmåga att binda tillfast material (sorption). Hur starkt molekylerna binder till materialet beror på en rad faktorer så somkolkedjans längd, mängden organiskt material i vattnet och/eller materialet PFAS ska binda till,elektrostatiska interaktioner med andra närvarande joner i vattnet samt vattnets pH. I den här studien utnyttjas dessa egenskaper för att se hur effektivt olika PFAS binder till olikamaterial med hjälp av matematiska modeller. Även potentiella konkurrenseffekter undersöks då olikaPFAS binder olika starkt. Om det då finns ett begränsat antal platser för molekylerna att binda till kanen del PFAS konkurreras ut av andra PFAS som binder starkare. Det påverkar hur effektiv enåtgärdsmetod är för att rena vattnet. Studien visade att det till viss del är möjligt att modellera tävlingseffekter mellan olika PFAS, därPFAS med längre kolkedjor konkurrerar ut kortare PFAS, och PFSA är mer konkurrenskraftiga jämförtmed PFCA. Men mer avancerade modeller krävs för modellering av längre PFAS vid högrekoncentrationer då deras förmåga att bilda aggregat/miceller försvårar modelleringen. Fler studierbehövs därför för att öka mängden information som krävs för att använda dessa mer avancerademodeller.