Występowanie perfluorowanych związków organicznych w środowisku i fizykochemiczne metody usuwania ich z roztworów wodnych

• Autorzy: Książek S. , Kida M. , Koszelnik P.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2015.52

Warianty tytułu

EN

Occurrence of perfluorinated organic compounds in the environment and physical and chemical methods of removing their from water solutions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca zawiera przegląd literatury dotyczący właściwości i występowania perfluorowanych związków organicznych w różnych komponentach środowiska oraz możliwości usuwania ich z roztworów wodnych w procesach fizykochemicznych. Związki perfluorowane stosowane są jako składniki wielu przedmiotów codziennego użytku. Wykazują one dużą trwałość i odporność termiczną i chemiczną. Stabilność perflurowanych związków organicznych, która wynika z ich struktury chemicznej powoduje, że są one obecne we wszystkich elementach środowiska. Wykazano ich obecność w wodzie, ściekach, glebie, żywności i kurzu domowym, a nawet we krwi ludzkiej i zwierzęcej. Podejrzenia, że związki te wpływają niekorzystnie na zdrowie człowieka i ulegają kumulacji w organizmie spowodowało zapoczątkowanie poszukiwań skutecznych metod, które pozwolą na wyeliminowanie ich na etapie oczyszczania wody czy ścieków. Okazuje się, że stopień usuwania w przypadku zastosowania konwencjonalnych metod często jest niewystarczający i znaczna część tych związków wprowadzana jest do środowiska w niezmienionej formie albo w postaci bardziej toksycznych metabolitów. Procesy takie jak sorpcja, nanofiltracja czy odwrócona osmoza pomimo dobrej wydajności nie są wystarczające, ponieważ wymagają dalszych czynności w celu eliminacji wyodrębnionych związków. Dodatkowo właściwości perfluorowanych związków organicznych ograniczają ilość metod, które mogą być stosowane do ich eliminacji. Istnieje więc potrzeba opracowania nowych efektywnych sposobów ich usuwania oraz łączenia różnych technik w jednym procesie technologicznym.

EN

The work includes a review of the literature on the properties and the occurrence of perfluorinated organic compounds in various components of the environment and the possibility of their removal from aqueous solutions of physical and chemical processes. Perfluorinated compounds are substances in which all hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms. They are used as ingredients in many everyday objects. They are durable and resistant to thermal and chemical degradation. Stability of perfluorinated organic compounds, which due to their chemical structure means that they are present in all parts of the environment. Shown to be present in the water, wastewater, soil, food and house dust, even the blood of human and animal. Suspicions, that these compounds adversely affect human health and cumulate in an organism, initiated search of effective methods that will allow to eliminate them at the stage of water and sewage purification. It turns out that the degree of removal when using conventional methods is often insufficient and a significant proportion of these compounds is introduced into the environment in an unchanged form or in the form of more toxic metabolites. Processes such as sorption, nanofiltration or reverse osmosis, despite the good performance are not suitable because they require further surgery to eliminate the separate compounds. In addition, the properties of perfluorinated organic compounds reduce the number of methods that can be used for their elimination. There is therefore a need to develop new and efficient methods for their removal and the combination of different techniques in a single process.

Słowa kluczowe

PL

zanieczyszczenie środowiska; mikrozanieczyszczenie; związek endokrynnie czynny; związek perfluorowany; usuwanie zanieczyszczeń; metoda chemiczna; metoda fizyczna

EN

environment pollution; micropolutant; endocrine disrupting compound; perfluorinated compound; pollutant removal; chemical method; physical method

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2015
• Tom: z. 62, nr 2
• Strony: 221--238
• Opis fizyczny: Bibliogr. 76 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Książek S.

• Politechnika Rzeszowska, Katedra Inżynierii i Chemii Środowiska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury

autor

Kida M.

• Politechnika Rzeszowska, Katedra Inżynierii i Chemii Środowiska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury

autor

Koszelnik P.

• Politechnika Rzeszowska, Katedra Inżynierii i Chemii Środowiska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury

Bibliografia

• [1] 3M, Environmental Monitoring-Multi-City Study (Water, Sludge, Sediment, POTW Effluent and Landfill Leachate Samples), Docket AR-226-1030a, U.S. Environmental Protection Agency, Office of Pollution and Prevention and Toxic Substances, Washington, DC, 2001.
• [2] Ahrens L. Polyfluoroalkyl compounds in the aquatic environment: a review of their occurrence and fate. J. Environ. Monitor. 13(1), 2011, pp. 20-31.
• [3] Austin M.E., Kastuti B.S., Barber M., et al. Neuroendocrine effects of perfluorooctane sulfonate in rats. Environ. Health Perspect. 111, 2003, pp. 1485-1489.
• [4] Becker A.M., Gerstmann S., Frank H. Perfluorooctane surfactants in waste waters, the major source of river pollution. Chemosphere 72, 2008, pp. 115–121.
• [5] Biłyk A., Nowak-Piechota G. Zanieczyszczenie środowiska substancjami powodującymi zakłócenie funkcji endokrynologicznych organizmu, Ochrona Środowiska 26, 3, 2004, pp. 29-35.
• [6] Bodzek M. Przegląd możliwości wykorzystania technik membranowych w usuwaniu mikroorganizmów i zanieczyszczeń organicznych ze środowiska wodnego. Inżynieria i Ochrona Środowiska. 16, nr 1, 2013, pp. 5-37.
• [7] Carter K.E., Farrell J. Removal of perfluorooctane and perfluorobutane sulfonate from water via carbon adsorption and ion exchange. Sep Sci Technol 45(6), 2010, pp. 762–767.
• [8] Chen J., Zhang P.Y. et al. Photodegradation of perfluorooctanoic acid by 185 nm vacuum ultraviolet light. J Environ Sci 19(4), 2007, pp. 387–390 .
• [9] Cheng J., Vecitis C.D., Park H., Mader B.T., Hoffmann M.R. Sonochemical degradation of perfluorooctane sulfonate (PFOS) and perfluorooctanoate (PFOA) in landfill groundwater: Environmental matrix effects. Environmental Science & Technology, 42(21), 2008, pp. 8057–8063.
• [10] Choma J., Jaroniec M. Nowe metody opisu struktury porowatej węgli aktywnych na podstawie danych adsorpcyjnych. Ochrona Środowiska, 3(74), 1999.
• [11] Consoer D.M., Hoffman A.D., Fitzsimmons P.N., Kosian P.A., Nichols J.W. Toxicokinetics of perfluorooctanoate (PFOA) in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Aquatic Toxicology 156, 2014, pp. 65–73.
• [12] Cornel P. Aktivkohle zur Abwasserbehandlung. Oral presentation at “Aktivkohletage Mannheim” 23/24, 2010, Mannheim, Germany.
• [13] Deng S., Yu Q., Huang J., Yu G. Removal of perfluorooctane sulfonate fromwastewater by anion exchange resins: effects of resin properties and solutionchemistry, Water Res. 44, 2010, pp. 5188–5195.
• [14] Deng S., Zheng Y., Xu F., Wang B., Huang J., Yu G. Highly efficient sorptionof perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoate on a quaternized cottonprepared by atom transfer radical polymerization, Chem. Eng. J. 193, 2012, pp. 154–160.
• [15] Dietz R., Bossi R., Riget F.F., et al. Increasing perfluoroalkyl contaminants in east Greenland polar bears (Ursus maritimus): A new toxic threat to the Arctic bears. Environ Sci Technol 42, 2008, pp. 2701–2707.
• [16] Dinglasan-Panlilio M.J., Prakash S.S., Baker J.E. Perfluorinated compounds in the surface waters of Puget Sound,Washington and Clayoquot and Barkley Sounds, British Columbia. Marine Pollution Bulletin 78, 2014, pp. 173–180.
• [17] Du Z., Deng S., Bei Y., Huang Q., Wang B., Huang J., Yu G. Adsorption behavior and mechanism of perfluorinated compounds on various adsorbents—A review. Journal of Hazardous Materials 274, 2014, pp. 443–454.
• [18] Ericson I., Nadal M., van Bavel B., et al. Levels of perfluorochemicals in water samples from Catalonia.Spain: is drinking water a significant contribution to human exposure. Environ Sci Pollut Res 15, 2008, pp. 614–619.
• [19] Falandysz J., Taniyasu S., Gulkowska A., Yamashita N., Schulte-Oehlmann U. Is fish a major source of fluorinated surfactants and repellents in humans living on the Baltic Coast? Environ. Sci. Technol. 40, 2006, pp. 748-751.
• [20] Falandysz J., Taniyasu S., Yamashita N., Jęcek L., Rostkowski P., Gulkowska A., Mostrąg A., Walczykiewicz B., Zegarowski Ł., Falandysz J., Zalewski K. Związki perfluorowane w środowisku przyrodniczym, żywności i organizmie człowieka. Roczn. PZH 57, nr 2, 2006, pp. 113-1244.
• [21] Fiedler S., Pfister G., Schramm K.W. Poly- and perfluorinated compounds in household consumer products. Toxicol. Environ. Chem. 92(10), 2010, pp. 1801-1811.
• [22] Flores C., Ventura F., Martin-Alonso J., Caixach J. Occurrence of perfluorooctane sulfonate (PFOS) and perfluorooctanoate (PFOA) in N.E. Spanish surface water and their removal in a drinking water treatment plant that combines conventional and advanced treatment in parallellines. Sci. Total Environ. 461-462, 2013, pp. 618-626.
• [23] Food Survey Information Sheet, Survey of Fluorinated Chemicals in Food, Food Standard Agency 05/09 October 2009.
• [24] Fraser A.J., Webster T.F., Watkins D.J., Strynar M.J., Kato K., Calafat A.M., Vieira V.M., McClean M.D. Polyfluorinated compounds in dust from homes, offices, and vehicles as predictors of concentrations in office workers' serum. Environment International 60, 2013, pp. 128–136.
• [25] Fromme H., Tittlemier S.A., Volkel W., Wilhelm M., Twardella D. Perfluorinated compounds – exposure assessment for the general population in western countries. International Journal of Hygiene and Environmental Health 212, 2009, pp. 239-270.
• [26] Giesy J.P, Kannan K. Perfluorochemical surfactants in the environment. Environ. Sci. Technol. 36, 2002, pp. 146-152.
• [27] Henglein A., Kormann C. Scavenging of OH radicals produced in the sonolysis of water. Int J Radiat Biol 48(2), 1985, pp. 251–258.
• [28] Hoehn E., Plumlee M.H., Reinhard M. Natural attenuation potential of downwelling streams for perfluorochemicals and other emerging contaminants.Water Sci.Technol.56 (11), 2007, pp. 59-64.
• [29] Hollender J., Zimmermann S.G., et al. Elimination of organic micropollutants in a municipal wastewater treatment plant upgraded with a full-scale post-ozonation followed by sand filtration. Environ Sci Technol 43(20), 2009, pp. 7862–7869.
• [30] Hori H., Yamamoto A., Hayakawa E., Taniyasu S., Yamashita N., Kutsuna S., Kiatagawa H., Arakawa R. Efficient decomposition of environmentally persistent perfluorocarboxylic acids by use of persulfate as a photochemical oxidant. Environmental Science &Technology, 39(7), 2005, pp. 2383–2388.
• [31] Hu W., Jonem P.D., Upcham B.L., et al. Inhibition of gap junctional intercellular communication by perfluorinated compounds in rat liver and dolphin kidney epithelial cel lines in vitro and Sprague-Dawley rats in vivo. Toxic. Sci. 68(2), 2002, pp. 429-436.
• [32] Johnson R.L., Tratnyek P.G., et al. Persulfate persistence under thermal activation conditions. Environ Sci Technol 42(24), 2008, pp. 9350–9356.
• [33] Kissa E. Fluorinated surfactants and repellents. Marcel Dekker, Inc., New York, 2005.
• [34] Kissa E. Fluorinated surfactants: synthesis-properties-applications. Surfactant Science Series 50. Marcel Dekker, New York, 1994.
• [35] Knepper T.P., Lange F.T. Polyfluorinated Chemicals and Transformation Products, Hdb Env Chem 17, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012, pp. 63–72.
• [36] Kucharska A., Góralczyk K., Czaja K., Struciński P., Hernik A., Korcz W., Snopczyński T., Ludwicki J.K. Wszechobecne związki perfluorowane. Roczn. PZH 2, 2011, pp. 137-144.
• [37] Kudo N., Katakura M., Sato Y., Kawashima Y. Sex hormone-regulated renal transport of perfluorooctanoic acid. Chem. Biol. Interact. 139, 2002, pp. 301-316.
• [38] Kutsuna S., Hori H. Rate constants for aqueous-phase reactions of SO4 – with C2F5C(O)O– and C3F7C(O)O– at 298 K. International Journal of Chemical Kinetics, 39(5), 2007, pp. 276–288.
• [39] Lehmler H-J. Synthesis of environmentally relevant fluorinated surfactants – a review. Chemosphere, 58, 2005, pp. 1471-1496.
• [40] Liang C., Bruell C.J. Thermally activated persulfate oxidation of trichloroethylene: Experimental investigation of reaction orders. Ind Eng Chem Res 47(9), 2008, pp. 2912–2918.
• [41] Loganathan B.G., Sajwan K.S., et al. Perfluoroalkyl sulfonates and perfluorocarboxylates in two wastewater treatment facilities in Kentucky and Georgia. Water Res 41(20), 2007, pp. 4611–4620.
• [42]Moody C.A., Field J.A. Determination of perfluorocarboxylates in groundwater impacted by fire-fighting activity. Environ Sci Technol 33, 1999, pp. 2800–2806.
• [43]Moriwaki H., Takagi Y., et al. Sonochemical decomposition of perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid. Environ Sci Technol 39(9), 2005, pp. 3388–3392.
• [44]Murakami M, Kuroda K, Sato N., et al. Groundwater pollution by perfluorinated surfactants in Tokyo. Environ Sci Technol 43, 2009, pp. 3480–3486.
• [45] Neta P., Huie R.E., et al. Rate constants for reactions of inorganic radicals in aqueous solution. J Phys Chem Ref Data 17(3), 1988, pp. 1027–1040.
• [46] Ochoa-Herrera V., Sierra-Alvarez R. Removal of perfluorinated surfactants by sorption onto granular activated carbon, zeolite and sludge. Chemosphere 72(10), 2008, pp. 1588–1593.
• [47] Okochi E., Nishimaki-Mogami T., Suzuki K., Takahashi A. Perfluorooctanoic acid, a peroxisome – proliferating hypolipidemic agent, dissociates apolipoprotein B48 from lipoprotein particles and decreases secretion of very low density lipoproteins by cultured rat hepatocytes. Biochim. Biophys. Acta 1437, 1999, pp. 393-401.
• [48] Olsen G.W., Huang H.Y., Helzlsouer K.J., et.al. Historical comparison of perfluorooctanesulfonate, perfluorooctanoate and other fluorochemicals in human blood. Environ. Health Perspect. 113, 2005, pp. 539-545.
• [49] Olsen G.W., Huang H.Y., Helzlsouer K.J., Hansen K.J., Butenhoff J.L., Mandel J.H. Historical comparison of perfluorooctanesulfonate, perfluorooctanoate, and other fluorochemicals in human blood. Environ Health Perspect 113, 2005, pp. 539–545.
• [50] Opinion of the Scientific Panel on Contaminants in the Food Chain on Perfluorooctane sulfonate (PFOS), Perfluorooctanoic acid (PFOA) and their salts. The EFSA Journal 653, 2008, pp. 1-131.
• [51] Pilarek M., Szewczyk K.W. Zastosowanie perfluorozwiązków jako ciekłych nośników gazów oddechowych w medycynie i biotechnologii. Biotechnologia 69(2), 2005, pp. 125-150.
• [52] Porębski T., Tomzik S., Ratajczak W., Talma-Piwowar M., Capała W. Zastosowanie procesów membranowych w przemyśle chemicznym—recykling surowców, oszczędność energii. POLIMERY 57, nr 5, 2012.
• [53] Pruchnicka J., Środowisko a zdrowie – program krajowy i priorytety europejskie. Instytut Medycyny Pracy i Zdrowia Środowiskowego. VII Ogólnopolska Sesja Popularno- naukowa „Środowisko a zdrowie”, Częstochowa, 2-3 czerwiec 2005.
• [54] Quinones O., Snyder S.A. Occurrence of perfluoroalkyl carboxylates and sulfonates in drinking water utilities and related waters from the United States. Environ. Sci. Technol. 43 (24), 2009, pp. 9089-9095.
• [55] Rahman M.F., Peldszus S., Anderson W.B. Behaviour and fate of perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFASs) in drinking water treatment: A review. water research 50, 2014, pp. 318-340.
• [56] Rostkowski P., Taniyasu S., Yamashita N., Falandysz J. Związki perfluorowane w wodzie pitnej. Roczn. PZH 59, nr 3, 2008, pp. 283-292.
• [57] Schultz M.M., Barofsky D.F., Field J.A. Quantitative determination of fluorinated alkyl substances by large-volume-injection liquid chromatography tandem mass spectrometry— characterization of municipal wastewaters, Environ. Sci. Technol. 40, 2006, pp. 289–295.
• [58] Sinclair E., Kannan K. Mass loading and fate of perfluoroalkyl surfactants in wastewater treatment plants. Environ Sci Technol 40, 2006, pp. 1408–1414.
• [59] Stahl L.L., Snyder B.D., Olsen A.R., Kincaid T.M., Wathen J.B., McCarty H.B., Perfluorinated compounds in fish from U.S. urban rivers and the Great Lakes, Science of the Total Environment 499, 2014, pp. 185–195.
• [60] Staszowska A. Źródła i poziomy związków perfluorowanych w środowisku wewnętrznym. Monografia nr 100, POLSKA INŻYNIERIA ŚRODOWISKA PRACE Tom II, pod redakcją Marzenny R. Dudzińskiej, Artura Pawłowskiego, Lublin 2012.
• [61] Szlachta M., Adamski W. Application of Adsorption on Powdered Active Carbon for the Removal of Dissolved Organic Substances from Surface Water. Ochrona Srodowiska 31, Nr. 2, 2009, pp. 61–66.
• [62] Szonyi S., Watzke H.J., Cambon A. Highly fluorinated surfactants in liposome technology. Thin Solid Films 284, 1996, pp. 769-771.
• [63] Takagi S., Adachi F., Miyano, K., Koizumi Y., Tanaka H., Watanabe I., Tanabe S., Kannan K. Fate of perfluorooctanesulfonate and perfluorooctanoate in drinking water treatment processes. Water Res. 45 (13), 2011, pp. 3925-3932.
• [64] Tang C.Y.Y., Fu Q.S., Robertson A.P., Criddle C.S., Leckie J.O. Use of reverse osmosis membranes to remove perfluorooctane sulfonate (PFOS) from semiconductor wastewater. Environ. Sci. Technol. 40, 2006, pp. 7343–7349.
• [65] Thompson J., Eaglesham G., Mueller J. Concentrations of PFOS, PFOA and other perfluorinated alkyl acids in Australian drinking water. Chemosphere 83 (10), 2011a, pp. 1320-1325.
• [66] Vecitis C. D., Park H., Cheng J., Mader B. T., Hoffmann M.R. Kinetics and mechanism of the sonolytic conversion of the aqueous perfluorinated surfactants, perfluorooctanoate (PFOA), and perfluorooctane sulfonate (PFOS) into inorganic products. Journal of Physical Chemistry A, 112(18), 2008, pp. 4261–4270.
• [67] von Sonntag C. Advanced oxidation processes: Mechanistic aspects, Wat Sci Technol 58, 2008, pp. 1015–1021.
• [68] Wang Y., et al. Perfluorooctane sulfonate (PFOS) and related fluorochemicals in chicken egg in China. Chin. Sci. Bull. 53, 2008, pp. 501-507.
• [69] Wardman P. Reduction potentials of one-electron couples involving free-radicals in aqueous-solution. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 18(4), 1989, pp. 1637–1755.
• [70] Weschler C.J., Nazaroff W.W. Semivolatile organic compounds in indor environments. Atmospheric Environment 42, 2008, pp. 9018-9040.
• [71] Wolny A., Krupa K. Narażenie populacji na perfluorowane związki alifatyczne – świadomość zagrożenia. JEcolHealth, vol.16, styczeń-marzec 2012.
• [72] Yamashita N., Kannan K., Taniyasu S., Horii, Y., Petrick G., Gamo T. A global survey of perfluorinated acids in oceans. Mar. Pollut. Bull. 51 (8-12), 2005, pp. 658-668.
• [73] Zepp R.G., Schlotzhauer P.F. Eviron. Sci Technol. 17, 1983, pp. 462.
• [74] Zhang Q., Deng S., Yu G., Huang J. Removal of perfluorooctane sulfonate fromaqueous solution by crosslinked chitosan beads: sorption kinetics and uptakemechanism, Bioresour. Technol. 102, 2011, pp. 2265–2271.
• [75] Zhao H., Gao J., Zhao G., Fan J., Wang Y. Fabrication of novel SnO2–Sb/carbon aerogel electrode for ultrasonic electrochemical oxidationof perfluorooctanoate with high catalytic efficiency, Appl. Catal., B: Environ.136–137, 2013, pp. 278–286.
• [76] Żarczyński A., Stopczyk A., Zaborowski M., Gorzka Zb., Kaźmierczak M. Usuwanie związków chloroorganicznych ze ścieków przemysłowych ze szczególnym uwzględnieniem metody termokatalitycznego utleniania. Ochrona Środowiska 32, Nr 1, 2010.