Mitigation of PFAS contamination in food : groundwater treatment by conventional removal approaches and by advanced oxidation processes

In recent years, the presence of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in the environment has been of increasing concern, after it was discovered that they can be severely harmful to human health. However, there are still wide knowledge gaps on the topic that need to be filled, which pose a significant challenge given the very large number of compounds belonging to this category. The presented work takes a two-way approach to the contaminant emergency and is thus divided in two main parts: the first is a socio-environmental assessment of the effects of food and water contamination by fluorinated compounds, with the aim of better understanding how their ubiquitous presence in the environment is linked to human exposure and possible health effects. Particular focus is placed on contamination by PFAS in Italy, especially in the Veneto region where drinking waters have been strongly impacted by PFAS contamination. The second, more technical, stage of the study takes a deeper look into conventional and innovative PFAS remediation technologies. A thorough analysis is carried out on data regarding previously tested technologies for the separation of PFAS from groundwaters, specifically active carbon and ion exchange resins. Said methods prove to be efficient for the retainment of long chain compounds but not for the short chains, which very quickly break through and require the filters to be disposed of or regenerated. The economic and environmental unsustainability is such that a different approach must be taken, and that means not only separating PFAS from water but destroying them. To this aim, advanced oxidation processes (AOPs) were employed for the abatement of perfluoroalkyl substances (PFAS) from ground waters obtained from Acque Veronesi srl., specifically testing photolysis using a VUV excimer lamp, photocatalysis using a titanium dioxide mesh, as well as TiO2 dispersed powder, and photoelectric catalysis. The best results were obtained for long chain compounds, PFOA and PFOS, obtaining over 90% abatement. The degradation of long chain compounds resulted in the formation of the shorter chains and an overall increase of their concentration, suggesting the need for much longer treatments for the abatement of the entire range of PFAS. The durability of the TiO2 mesh was tested through potential linear voltammetry allowing us to test the activity of the catalyst through measurements of the photocurrents resulting from the VUV lamp. In conclusion, economic considerations were made and compared to energy per order values reported in literature, as a first estimate of the costs involved in the employment of this new technology for PFAS remediation.

La presenza dei composti perfluoroalchilici (PFAS) nell’ambiente ha fatto scaturire crescenti preoccupazioni dopo la scoperta dei danni che essi possono apportare all’organismo umano. Ci sono tuttavia ancora vaste lacune nell’argomento, il che rende la gestione di questi composti molto difficile soprattutto dato l’elevato numero di composti appartenenti a questa categoria, ciascuno con caratteristiche specifiche. In questo elaborato l’argomento viene affrontato da due lati differenti e viene quindi suddiviso in due fondamentali sezioni: la prima una valutazione socio-ambientale degli effetti della contaminazione di acque e cibi da parte dei composti perfluoroalchilici, mirando ad un migliore apprendimento di come la loro onnipresenza sia legata all’esposizione e, di conseguenza, alla salute umana. Si pone particolare attenzione sulla contaminazione da PFAS in Italia, specialmente nella fortemente affetta regione del Veneto. La seconda fase dello studio approccia l’emergenza da un lato ingegneristico, approfondendo metodi sia convenzionali sia innovativi per la rimozione di tali composti dalle acque di falda ed, in seguito, il loro abbattimento. Viene prima effettuata un’analisi di dati ottenuti riguardo l’impiego di metodologie per l’assorbimento dei PFAS, nello specifico filtri a carbone attivo e resine a scambio ionico. Da questo studio emerge che queste tecnologie sono efficaci nel trattenimento dei composti a catena lunga, ma permettono molto velocemente la fuga delle catene corte, diventando quindi insostenibili da un punto di vista economico ed ecologico poiché i filtri andrebbero continuamente sostituiti. Inoltre, anche una volta rimossi dalle acque destinate al consumo umano, i PFAS persistono nell’ambiente e continuano a presentare un problema. Trasferirli da un mezzo all’altro non è la soluzione: devono essere studiati dei sistemi per distruggerli e a questo fine vengono analizzati nel dettaglio processi di ossidazione avanzata (AOPs dall’inglese “Advanced Oxidation Processes”), i quali sono la base di tutti gli esperimenti effettuati nei laboratori del Politecnico di Milano ai fini di questo studio. Vengono sperimentate diverse configurazioni per l’abbattimento dei PFAS da acque di falda, nello specifico: Fotolisi con una lampada Vacuum UV (VUV) fotocatalisi, sia supportata su rete di ossido di titanio (TiO2). sia con nanopolveri disperse, e fotoelettrocatalisi I migliori risultati sono stati ottenuti per i composti a catena lunga, PFOA e PFOS, per i quali si è visto il 90% di abbattimento. La degradazione di questi porta però alla formazione delle catene più corte, suggerendo che l’impiego di processi molto più lunghi sarebbe necessario per l’abbattimento dell’intera gamma di composti. La durabilità del catalizzatore è stata testata tramite le misure delle fotocorrenti fatte per voltammetria lineare, valutando così per quante ore potesse operare la rete prima di dover essere rigenerata. In conclusione sono state fatte delle considerazioni economiche, paragonando valori di EE/O (energy per order) con valori precedentemente ottenuti per AOP come anche per altri processi di abbattimento dei PFAS, ottenendo una stima preliminare dei costi energetici che questi processi potrebbero avere in un impianto di scala industriale.